Name: 双曲涡流等离子体反应器去除水中微污染物的实施 (视频) | JoVE Journal
Uploaded: 2025-07-25T14:55:00.000+00:00
Duration: 6 min 35 s
Description: 了解双曲涡流等离子体反应器降解水中微污染物的方法。本研究演示直流与交流电弧放电技术，优化等离子体脉冲条件，实现PFAS近100%高效降解，为环境水处理提供节能方案。

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本工作是在 Wetsus 欧洲可持续水技术卓越中心（www.wetsus.eu）的应用水物理研究主题下，于 Gilbert-Armstrong 高压实验室的合作框架内完成的。Wetsus 由荷兰经济事务部、基础设施与环境部、弗里斯兰省以及荷兰北部各省共同资助成立。本研究获得了欧盟“地平线 2020”研究与创新计划下玛丽·斯克沃多夫斯卡-居里基金协议编号 665874 的资助。&#160;

1. 一般建议
<ol>
	<li>在操作实验装置之前，使用接地棒接触导电部件以释放任何积聚的静电荷。</li>
	<li>检查装置的所有液压和电气连接是否完好并具备正常功能。</li>
	<li>使用洁净水以低流速（80 L·h-1）启动泵，并确认无泄漏现象。</li>
	<li>通过在1 atm压力下用压缩空气吹扫反应器，并在所有连接处涂抹肥皂水溶液，确保反应器无气体泄漏。 
	注意：若执行步骤1.4后出现气泡，则表明存在气体泄漏，必须在进行处理前查明并密封。</li>
</ol>
2. 实验装置
<ol>
	<li>双曲涡流等离子体装置设置（图2）
	<ol>
		<li>使用接地棒接触所有金属部件以释放静电。 
		注意：若在使用高电压后仍有残余电荷，接地棒与带电部件之间将产生可见且可听见的火花。</li>
		<li>按下并按住OK按钮三秒钟，启动Dräger传感器（图2中的12），以检测等离子体产生的臭氧、亚硝酸盐和氧气。将传感器置于右侧柜内，以检查是否存在潜在气体泄漏。</li>
		<li>通过指定的软管将装有去离子水的水储罐（图2中的14）连接至装置。</li>
		<li>按下play按钮启动主泵，将水引入双曲漏斗，确保流速为85 L·h-1，略高于形成理想涡流所需的阈值6。 
		注意：在较高流速下，反应器中的水位可能略微超过稳定运行所需的最佳水位。</li>
		<li>按下play按钮启动次级泵，确保流速为10 L·h-1，以从双曲漏斗上部抽取水，从而稳定水位，并保持电极与水面之间的距离恒定。 
		注意：同时使用主泵和次级泵可确保反应器内水位稳定。仅使用主泵可能导致水位波动。</li>
		<li>当达到稳定涡流且未检测到泄漏时，将清水替换为实验样品，并重复步骤2.1.3和2.1.4。</li>
		<li>如有必要，微调电极与水面之间的距离，以优化等离子体的形成。</li>
		<li>用低压压缩空气（0.1 atm）吹扫反应器，以稳定内部气氛并确保最佳的等离子体放电条件31。</li>
		<li>若使用阳离子表面活性剂，连接一个装有表面活性剂溶液的辅助储液罐，并在反应器入口前通过计量泵以所需浓度引入溶液。</li>
	</ol>
	</li>
</ol>
3. 等离子体放电的不同类型
<ol>
	<li>直流电弧放电
	<ol>
		<li>使用 图3A 所示的电路。</li>
		<li>将桥式整流器的正负高压输出端连接至位于水涡表面之上的电极。 
		注意：若使用单一极性（正或负），应将对应端子接地，并仅使用所选极性进行操作。</li>
		<li>将调压器连接至230 V交流电源插座，并断开红色安全开关以启用高压。</li>
		<li>通过调压器逐步升高电压（0 V至250 V）来点燃等离子体放电。</li>
	</ol>
	</li>
	<li>交流电弧放电
	<ol>
		<li>使用 图3B 所示的电路。</li>
		<li>将两个高压输出端均连接至位于水涡表面之上的电极。 
		注意：若仅使用单个输出端，应将对应端子接地。</li>
		<li>将调压器连接至230 V交流电源插座，并断开红色安全开关以启用高压。</li>
		<li>通过调压器逐步升高电压（0 V至250 V）来点燃等离子体放电。</li>
	</ol>
	</li>
	<li>氦气氛围中的辉光放电
	<ol>
		<li>使用 图4 所示的电路。 
		注意：可根据具体的辉光放电需求采用不同的电路（图3、图4、图5 和 图6）。</li>
		<li>将高压输出端连接至位于水涡表面之上的电极。 
		注意：辉光放电在极性相反的电极之间形成。调整电极的数量和位置可改变放电拓扑结构。</li>
		<li>将调压器连接至230 V交流电源插座，并断开红色安全开关以启用高压。</li>
		<li>打开气体阀门，以所需流速通入氦气。 
		注意：需留出足够时间使氦气充分置换环境空气。随着氦气浓度升高，辉光放电颜色由紫色逐渐变为白色。较高的氦气流速可增强放电亮度。</li>
		<li>通过调压器从0&#8239;V开始逐步升高电压，直至电极间发生电击穿，等离子体由辉光放电转变为电弧放电。 
		注意：由于电路中电容效应，过高的电压可能导致辉光放电转变为脉冲电弧放电。</li>
	</ol>
	</li>
	<li>双极性&#34;闪络&#34;脉冲放电
	<ol>
		<li>使用 图4 所示的电路。</li>
		<li>将高压输出端连接至位于水涡表面之上的电极。 
		注意：图4 所示电路支持灵活的电极配置。本研究中使用了16个电极。</li>
		<li>将调压器连接至230 V交流电源插座，并断开红色安全开关以启用高压。</li>
		<li>通过调压器逐步升高电压（0 V至250 V）来点燃等离子体放电。</li>
	</ol>
	</li>
	<li>单极性正负脉冲流光放电
	<ol>
		<li>分别使用 图5 或 图6 所示电路进行正极性或负极性放电。</li>
		<li>将相应的高压输出端（正或负）连接至位于水涡表面之上的电极。</li>
		<li>将相反极性的端子连接至火花间隙，并将另一端接地。 
		注意：也可通过浸入反应器接地水中的电极将火花间隙接地。</li>
		<li>打开气体阀门并调节气流，以压缩空气（0.5–1 atm）吹扫火花间隙，确保其内部气氛稳定并维持温度恒定。 
		注意：火花间隙内的气体成分、温度、压力及电极间距的变化会影响等离子体特性。</li>
		<li>将调压器连接至230 V交流电源插座，并断开红色安全开关以启用高压。</li>
		<li>通过调压器逐步升高电压（0 V至250 V）来点燃等离子体放电。</li>
	</ol>
	</li>
	<li>实验终止
	<ol>
		<li>通过降低调压器电压、关闭电源并闭合安全开关，停止高压运行。</li>
		<li>如适用，停止阳离子表面活性剂的加药泵。</li>
		<li>若使用了氦气和压缩空气，应关闭所有气体阀门。</li>
		<li>使用接地棒触碰所有金属部件，确认其已接地。</li>
		<li>反转泵的流动方向，将处理后的样品回流至储水箱。</li>
		<li>通过在系统中循环清洁水和/或有机溶剂对装置进行冲洗。</li>
		<li>妥善收集并处置废弃物，确保符合危险物质的安全管理规定。</li>
		<li>进行最终检查，确认所有组件均已断电，无泄漏现象，且装置处于安全状态，可供后续使用。</li>
	</ol>
	</li>
</ol>

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作者声明，他们不存在任何已知的可能影响本文所报告工作的竞争性财务利益或个人关系。在本工作的准备过程中，作者使用了OpenAI（2023）ChatGPT（2025年3月版本）[大型语言模型]来协助文本结构化。在使用该工具后，作者根据需要对内容进行了审阅和修改，并对出版物内容承担全部责任。

在开始实验之前，必须彻底检查所有电气连接。在接触高压部件之前，应使用接地棒释放电路中可能存在的任何残余电荷。即使在已采取程序性防护措施（如门联锁开关、与电容器连接的放电电阻等）的情况下，也必须实施这些全面的安全措施，以降低意外触电的风险，因为高压电容器可能由于记忆效应、大气静电或宇宙辐射而重新充电。本实验中电容器储存的能量数量级通常为10-1-101 J，具有危险性，甚至可能致命。因此，步骤1.1和2.1.1对于确保系统的安全运行至关重要。在启动系统之前，应检查反应装置是否存在气相或液相泄漏。等离子体产生的气体含有活性物质，可能造成吸入性危害，因此步骤1.4和2.1.2尤为重要。操作腔体的所有进出口必须接地。反应器外壳应由金属材料制成，并正确接地，以确保安全运行。此外，必须确认无水泄漏情况，因为全氟及多氟烷基物质（PFAS）被归类为致癌、致突变和生殖毒性（CMR）物质，不得使其污染实验室环境。因此，在启动实验前，应特别注意步骤1.3的执行。
本研究中，沿面放电模式表现出最高的性能。该放电模式产生的活性氧氮物种（RONS）更多（图10），对全氟辛烷磺酸（PFOS）的降解效果更显著（图11），同时所需功率低于其他测试的放电类型（图9）。尽管沿面放电表现出更优越的性能，但其应用面临挑战，因其需要两个连接至同一电容器的反向带电通道。该方法的规模化应用需配备更强大的电源系统。在当前装置中，变压器将市电交流电（最高220 V）升压为高压交流电（最高10 kV），再通过二极管整流为直流电。虽然所得直流信号接近理想的直流波形，但仍存在微小波动34。我们的电路设计可在多种工作模式下灵活运行。然而，大规模应用需要高压直流电源，这类电源通常仅支持单一极性和单一高压输出，限制了同时使用多种极性的能力。
由于交流和直流电弧放电的能耗显著更高，因此未将其用于微量污染物的降解，因为这会使它们的工业应用在经济上不可行，特别是对于直流等离子体而言。在之前的一项研究8中已证明，增大等离子体-液体界面面积可以提高相同能量输入下的活性氧氮物种（RONS）的生成量，从而提升微量污染物的降解效率。在我们的电路设计中（图3A、图4、图5 和 图6），二极管将交流电转换为直流电以对电容器充电，随后将其储存的能量分布在电极结构上，从而产生多个脉冲功率等离子体放电。
在大气压和标准条件下，只有使用第一电离能较高的稀有气体（如氦气（第一电离能为 24.6 eV）或氖气（第一电离能为 21.6 eV））才能维持稳定的辉光放电35。氩气的第一电离能为 15.8 eV35，在这些条件下无法支持稳定的辉光放电。然而，通过施加外部磁场以稳定等离子体，仍可在空气中产生辉光放电36。由于使用稀有气体的成本较高，本研究认为辉光放电不适用于微污染物的降解。
正如引言中所述，传统的处理方法（如吸附、膜过滤和高级氧化工艺）在有效应对全氟和多氟烷基物质（PFAS）污染方面存在显著局限性。等离子体放电技术为PFAS降解提供了一种有前景的替代方案，其报道的能耗根据微污染物浓度、样品组成及等离子体参数等因素，可从每立方米几千瓦时（kWh·m-3&#160;）到超过1000 kWh·m-3不等29,37,38,39,40,41。然而，短链PFAS尤其难以降解，且在长链PFAS的分解过程中，已发现诸如全氟丁酸（PFBA）等短链副产物为中间产物。
本研究的创新之处在于将双曲涡旋等离子体反应器与阳离子表面活性剂Hyamine 1622投加相结合，显著提高了降解速率，包括对短链PFAS的降解（图13）。该反应器设计增大了等离子体-液体界面面积，并通过水体涡流实现更高效的混合。在中等能量输入（1.2 kWh·m-3）条件下处理75分钟，系统对大多数PFAS的降解率可达95%-100%（PFBA除外，其去除率为53%）。这些结果优于许多仅使用等离子体的技术，表明本方法可在相对较低的能量输入下实现PFAS的深度矿化。然而，本研究是在实验室规模下进行的。为提升其实用性，需进行系统放大，包括对反应器几何结构的改进——特别是扩大顶部圆柱段——以增加处理水量并容纳更多电极。这些改进将增强等离子体与水的相互作用，提高处理效率。尽管该反应器的电气设计便于直接放大，但运行功率的提升需要更强大的电源系统以及更完善的安全措施，以确保在更大规模下的稳定高效运行。系统的放大将要求增加电源和电容器组的规模，这会带来显著的安全隐患。所有电气组件必须精心布置，紧邻反应器安装，但在运行期间必须处于不可接触状态。为确保安全放电，每个电容器使用后必须单独接地，因此需要配备专用的接地开关；电容器之间不能互连，且必须通过二极管实现直流隔离。此外，更高的功率水平将产生更强的电磁场，可能干扰邻近的仪器设备。因此，反应器及周边设备应进行适当屏蔽，最好置于法拉第笼内。精确控制水流涡旋至关重要，因为等离子体放电性能对流动条件和漏斗几何形状高度敏感。这要求配备一个编程精确的液压控制系统。此外，反应器必须进行充分绝缘，连接通风系统，并配备气体入口用于吹扫。若预期产生高浓度的挥发性氟化副产物（如氟化氢），则应增加额外的气体处理步骤。这些措施可包括干法或湿法洗涤系统42,43，或使用基于钙的吸附剂44。
通过添加表面活性剂，可降低中试规模反应器的能耗，因为表面活性剂能够将全氟和多氟烷基物质（PFAS）富集在气-水界面。通过减小表面积与体积之比，PFAS化合物在界面处更加集中，使等离子体在单位面积上与更高浓度的目标化合物发生作用，从而提高每次放电的降解效率。然而，增加总体积水量可能会延长所需的处理时间，进而抵消部分节能效果。采用高压、高功率的直流电源为电容器充电，可精确控制能量输入，便于系统性地评估不同能量条件以实现优化。
未来的研究将基于所述的操作原理，致力于扩大该技术的规模，以实现中试应用每小时1 m3·h-1&#160;的处理能力。此外，必须对降解产物进行详细研究，特别关注最短碳链全氟烷基物质——三氟乙酸的生成与分解，以及其他潜在的转化产物。进一步的研究还将致力于鉴定一种高效、可生物降解且成本低廉的阳离子表面活性剂，该表面活性剂可通过促进表面活性剂-PFAS复合物的形成，从而增强PFAS的降解效果。

螺旋结构是自然界的基本形态，其影响范围从DNA的微观排列到星系的宏大构造1，2。在流体力学中，螺旋流动表现出独特的混合、能量传递和稳定性特性，可用于创新的工程应用3。受这些自然流动模式的启发，双曲型水涡流因其在增强曝气和实现先进水处理技术方面的潜力而受到研究4，5，6，7。本研究探讨将双曲涡流动力学与等离子体放电相结合，用于降解持久性微污染物，特别是全氟和多氟烷基物质（PFAS）。
最初对双曲漏斗的研究源于其在曝气过程中的高效性，而曝气是水处理中一个至关重要的过程。这种几何受限的涡流显著增强了气液相互作用，从而提高了氧气传递速率，同时降低了能耗7。有关双曲水流涡旋形成与运行机制的详细解释已在其他文献中提供6。人们很快意识到，这种高强度混合和表面积增加所带来的高曝气能力还可进一步用于污染物的降解。基于这一思路，研究人员将等离子体放电引入涡流系统，从而创建了一种用于微污染物去除的新型混合技术8。
微污染物（包括药品、农药和PFAS）由于其持久性以及对传统水处理方法的抗性，对环境和公共健康构成了重大挑战9。其中，PFAS通常被称为&#34;永久性化学物质&#34;，因其具有强碳-氟键，导致极高的稳定性及生物累积潜力，问题尤为突出10,11。
已开发出多种技术用于应对全氟和多氟烷基物质（PFAS）污染，包括使用活性炭吸附12,13和膜分离技术14。尽管这些方法在捕获 PFAS 方面有效，但均属于非破坏性技术，会产生二次废物流。活性炭因需频繁再生（尤其是在高 PFAS 负荷下）而导致成本升高，并且易受共存污染物的竞争吸附影响；而膜系统则会将 PFAS 浓缩至废盐水中，仍需进一步处理。
高级氧化工艺（AOPs），如电化学氧化、臭氧氧化、基于紫外光的系统以及超临界水氧化，旨在降解而非分离全氟和多氟烷基物质（PFAS）15,16。&#160;然而，这些方法通常存在能耗高、选择性差（尤其是对短链PFAS）以及产生有害副产物或降解不完全等问题。
基于等离子体的技术最近受到关注，作为一种有前景的破坏性方法，可快速降解不同碳链长度的全氟和多氟烷基物质（PFAS）17,18,19,20。然而，大多数研究报道，该技术对短链PFAS的处理效果较差，而短链PFAS常在处理过程中作为中间副产物生成。此外，单独使用等离子体处理可能能耗较高，且难以实现规模化应用。
已探索多种类型的等离子体放电用于水处理应用，包括直流（DC）辉光放电和电弧放电、交流（AC）放电、脉冲电晕放电、介质阻挡放电（DBD）以及滑动电弧放电8,21,22,23,24。每种等离子体放电在活性物种生成、能量分布及污染物降解路径方面均表现出不同的特性。辉光放电在较低温度下运行，可实现均匀电离；而电弧放电则提供强烈的局部加热，因此在降解持久性有机污染物方面具有较高效率25,26,27。脉冲放电（如单极性和双极性脉冲等离子体）以其高能量密度和瞬态活性物种的生成为特征，可在中等能耗条件下显著提高微量污染物的降解效率8。
本研究展示了一种在双曲涡旋等离子体反应器内产生和运行六种不同类型等离子体放电的方法：（i）脉冲单极性负向放电，（ii）脉冲单极性正向放电，（iii）脉冲双极性&#34;闪络&#34;放电，（iv）交流电弧，（v）直流电弧，以及（vi）辉光放电。这些放电模式中的每一种都与双曲涡旋具有独特的相互作用，影响活性氧和氮物种（RONS）、紫外辐射、激波、高能电子以及溶剂化电子的生成，上述所有因素均有助于污染物的降解。实验中所用各类等离子体放电的电极构型如图1所示。将这些等离子体放电模式与涡旋诱导混合相结合，可增强传质过程，并改善污染物与活性物种之间的接触，从而更有效地降解微量污染物。
如文献28,29所示，添加阳离子表面活性剂可通过促进全氟烷基和多氟烷基物质（PFAS）分子向等离子体-水界面迁移而进一步提高降解效率，该界面是反应最剧烈的区域。结果表明，该系统在保持操作可行性的同时，可实现对PFAS近乎完全的降解。
此外，如其他研究30所示，在空气气氛下，使用双曲涡旋等离子体反应器处理的全氟和多氟烷基物质（PFAS）污染样品未表现出细胞毒性和基因毒性的增加。这些发现进一步支持该技术作为去除PFAS的一种有前景的方法的潜力。
这项研究的意义超越了全氟烷基物质（PFAS）的降解。双曲涡旋诱导混合与等离子体处理相结合，为应对多种水处理难题提供了可扩展且适应性强的解决方案，从有机污染物去除到增强溶氧均可适用。未来的研究将聚焦于优化反应器构型、探究降解副产物的归趋，以及评估该系统在实际应用中的长期运行性能。
通过将仿生流体动力学与先进的等离子体化学相结合，本研究为更可持续且高效的水处理技术开辟了道路，可在解决关键环境问题的同时降低能源和资源消耗。

<table><tbody><tr><td>泄放电阻器</td><td>Tedss</td><td>RCR42G206JS</td><td>20 MOhm</td></tr><tr><td>BNC 连接器</td><td>AliExpress</td><td>N/A</td><td>BNC 适配器</td></tr><tr><td>电容器</td><td>AnXon</td><td>AXCT8GD202K40DB</td><td>40 kV 2000 pF</td></tr><tr><td>阳离子表面活性剂</td><td>Sigma-Aldrich</td><td>51126-1L-F</td><td>Hyamine 1622 溶液</td></tr><tr><td>色谱柱</td><td>Agilent&amp;nbsp;</td><td>&amp;nbsp;Zorbax Eclipse Plus C18 RRHD</td><td>1.8 &amp;mu;m, 50 &amp;times; 2.1 mm</td></tr><tr><td>电流互感器</td><td>Magnelab</td><td>CT-F0.25-S</td><td></td></tr><tr><td>数据记录仪</td><td>Endress+Hauser</td><td>CM442</td><td>Liquiline</td></tr><tr><td>门开关</td><td>QWORK</td><td>ME-8104</td><td>10A 250VAC</td></tr><tr><td>计量泵&amp;nbsp;</td><td>KNF</td><td>1.10 TT.18RC2</td><td>FEM</td></tr><tr><td>Dr&amp;auml;ger 传感器&amp;nbsp;</td><td>Dr&amp;auml;ger</td><td>X-am 5000</td><td>O2, O3, NO2</td></tr><tr><td>电导率传感器</td><td>Endress and Hauser</td><td>CLS15E</td><td>Memosens</td></tr><tr><td>电极</td><td>AliExpress</td><td>N/A</td><td>陶瓷点火棒</td></tr><tr><td>氟离子电极</td><td>Mettler Toledo</td><td>perfectION</td><td></td></tr><tr><td>漏斗盖&amp;nbsp;</td><td>定制</td><td>N/A</td><td>PVC 材料</td></tr><tr><td>接地棒</td><td>定制</td><td>N/A</td><td></td></tr><tr><td>氦气</td><td>Westfalen</td><td>UN 1046</td><td>99.999 体积 % He</td></tr><tr><td>高压二极管</td><td>Ebay</td><td>FHVP5446</td><td>1p 5A 40kV</td></tr><tr><td>高压探头</td><td>North Star High Voltage</td><td>PVM-5</td><td></td></tr><tr><td>双曲面漏斗</td><td>定制</td><td>N/A</td><td>玻璃材料</td></tr><tr><td>液相色谱-质谱联用仪（LC/MS）</td><td>Agilent Technologies</td><td>6420 Triple Quad LC/MS</td><td>Santa Clara, CA, USA</td></tr><tr><td>氖灯变压器</td><td>F/ART</td><td>SBD63HT2X</td><td>10000V 18mA&amp;nbsp;</td></tr><tr><td>氧化还原电位（ORP）传感器</td><td>Endress and Hauser</td><td>CPS12D</td><td>Memosint</td></tr><tr><td>蠕动泵</td><td>Masterflex L/S</td><td>13-200-007</td><td>MFLX7771236</td></tr><tr><td>PFBA</td><td>Sigma-Aldrich</td><td>375-22-4</td><td>实验用全氟烷基物质（PFAS）</td></tr><tr><td>PFBS</td><td>Sigma-Aldrich</td><td>375-73-5</td><td>实验用全氟烷基物质（PFAS）</td></tr><tr><td>PFDA</td><td>Sigma-Aldrich</td><td>335-76-2</td><td>实验用全氟烷基物质（PFAS）</td></tr><tr><td>PFHpA</td><td>Sigma-Aldrich</td><td>375-85-9</td><td>实验用全氟烷基物质（PFAS）</td></tr><tr><td>PFNA</td><td>Sigma-Aldrich</td><td>375-95-1</td><td>实验用全氟烷基物质（PFAS）</td></tr><tr><td>PFOA</td><td>Sigma-Aldrich</td><td>335-67-1</td><td>实验用全氟烷基物质（PFAS）</td></tr><tr><td>PFOS</td><td>Sigma-Aldrich</td><td>1763-23-1</td><td>实验用全氟烷基物质（PFAS）</td></tr><tr><td>pH 传感器</td><td>Endress and Hauser</td><td>CPS11D</td><td>Memosens Orbisint</td></tr><tr><td>安全联锁控制面板</td><td>定制</td><td>N/A</td><td></td></tr><tr><td>火花间隙</td><td>定制</td><td>N/A</td><td></td></tr><tr><td>可变变压器（Variac）</td><td>Weltechniek</td><td>TDGC2-1K</td><td>4a</td></tr><tr><td>储水罐&amp;nbsp;</td><td>定制</td><td>N/A</td><td>玻璃材料</td></tr></tbody></table>

用于去除水中微污染物的双曲涡旋等离子体反应器的实施

Implementation of a Hyperbolic Vortex Plasma Reactor for the Removal of Micropollutants in Water

水中微污染物的存在已成为日益紧迫的环境问题。尽管部分微污染物易于生物降解，但其他一些物质（如全氟和多氟烷基物质（PFAS））则具有极强的持久性，且难以通过常规水处理技术去除。基于等离子体的水与废水净化技术已研究数十年，近期研究证明其在降解短链和长链PFAS方面具有高效性。本文将基于等离子体的废水处理技术与一种具有自由表面的双曲水流涡旋相结合，该涡旋系统的氧体积传质系数超过类似系统。此类应用可采用多种类型的等离子体放电方式，每种方式均需特定的电源配置和运行策略。其中，脉冲信号的使用带来了独特的工程挑战。本研究探讨了在双曲涡旋等离子体反应器中产生的六种不同等离子体放电类型：脉冲单极性（负极性和正极性）、脉冲双极性“闪络”、交流电弧、直流电弧以及辉光放电。分析了单极性和双极性脉冲放电的脉冲特性，并评估了其在PFAS降解中的效率。在所测试的配置中，双极性闪络放电在双曲涡旋等离子体反应器中表现出最高的降解效率。然而，其实际应用面临显著的工程挑战，限制了其在更大规模上的推广应用。

本研究介绍了在双曲涡旋等离子体反应器中产生六种不同类型等离子体放电的方法，用于降解水中的微污染物，包括药品以及全氟和多氟烷基物质（PFAS）。

水中微污染物的存在已成为日益严峻的环境问题。尽管某些微污染物易于生物降解，而另一些……

我们的研究重点是优化等离子体放电，以降解水中的微污染物，这是当前日益突出的环境问题。我们发现，通过优化等离子体放电并精确添加阳离子表面活性剂，仅需中等能量输入即可实现近100%的全氟和多氟烷基物质（PFAS）降解。通常情况下，等离子体处理是一种高能耗过程。然而，通过施加等离子体脉冲，可以在提升性能的同时显著降低能耗。在本研究中，我们展示了如何实现这一优化。在建立双曲涡旋等离子体后，使用为直流电弧放电装置设计的电路。将桥式整流器的正负高压输出端连接到位于水漩涡表面之上的电极。将自耦变压器插入230伏交流电源插座，并关闭红色安全开关以启用高压。通过调节自耦变压器，将电压从零逐渐升高至250伏，以点燃等离子体放电。接下来，使用配置为交流电弧放电的电路。然后将两个高压输出端连接到位于水涡表面之上的电极。在连接调压器并断开之前所示的安全开关后，逐渐将电压从0伏特升高至250伏特，以点燃等离子体放电。接下来，为了在氦气环境中进行辉光放电，请使用此处所示的电路。将电路的高压输出端连接到位于水涡表面之上的电极。一旦自耦变压器连接完毕且安全开关已解除，打开气体阀门，以引入所需流速的氦气。然后使用调压器，缓慢升高电压以点燃等离子体放电，直至电极之间发生电击穿，等离子体由辉光放电转变为电弧放电。接下来，为启动双极性闪络脉冲放电，按照示意图所示连接电路，将高压输出端连接至电极，将调压器接入230伏交流电源插座，并断开安全开关。随后，将电压从零逐渐升高至250伏，以点燃等离子体放电。对于单极脉冲流光放电，根据需要使用示意图中所示电路进行正放电或负放电。将相反端子连接至可见火花间隙和接地电极。将其余高压输出端连接至位于水涡表面之上的电极。然后打开气体阀门，调节压缩气流至0.5到1个大气压，以吹扫火花间隙。连接自耦变压器并打开安全开关后，点燃等离子体放电，如前所示。实验结束时，降低自耦变压器电压，关闭电源，并打开安全开关。然后关闭氦气和压缩空气的所有气体阀门（如果实验过程中使用了这些气体）。使用接地棒触碰所有金属部件，以确认其已正确接地。在三种放电方式中，闪络放电产生的过氧化氢浓度最高，约为 450 毫克/升，亚硝酸盐浓度约为 90 毫克/升，硝酸盐浓度约为 340 毫克/升。闪络放电导致pH值下降最为显著，从约5.5降至2.3。经闪络处理的样品电导率最高，达到约2,300微西门子/厘米。氧化还原电位在闪络放电中升高最显著，达到约600毫伏。对于两种初始浓度，闪络放电均实现了最快且最完全的PFOS降解，在60分钟时降解率接近100%，优于正放电和负放电。在不含表面活性剂的PFAS体系中，长链化合物如PFDA、PFNA、PFOS和PFOA在75分钟后的降解率均超过90%。相比之下，短链物质如PFBS和PFBA则基本未发生降解，或因副产物生成而导致浓度升高。添加表面活性剂后，所有长链PFAS化合物的降解率均超过95%，短链化合物的降解率也显著提升，其中PFBA的降解率从-19%提高至约53%，PFBS从22%提高至约95%。在加入表面活性剂处理20分钟后，PFHxA的浓度开始下降，PFPeA则在30分钟后出现下降，表明PFAS的副产物正在逐步分解。

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环境

双曲涡流等离子体反应器去除水中微污染物的实施

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等离子体聚合中空颗粒的包封与渗透特性

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了解双曲涡流等离子体反应器降解水中微污染物的方法。本研究演示直流与交流电弧放电技术，优化等离子体脉冲条件，实现PFAS近100%高效降解，为环境水处理提供节能方案。

用于去除水中微污染物的双曲涡旋等离子体反应器的实施

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