Implementierung eines hyperbolischen Vortex-Plasmareaktors zur Entfernung von Mikroverunreinigungen in Wasser

Der Schwerpunkt unserer Forschung liegt auf der Optimierung der Plasmaentladung für den Abbau von Mikroverunreinigungen im Wasser, der heutzutage ein wachsendes Umweltproblem darstellt. Wir haben festgestellt, dass wir durch die Optimierung der Plasmaentladung und die sorgfältige Dosierung kationischer Tenside einen PFAS-Abbau von nahezu 100 % bei nur moderatem Energieaufwand erreichen können. Die Plasmabehandlung ist in der Regel ein energieintensiver Prozess.

Durch das Anlegen von Plasmapulsen kann jedoch der Energieverbrauch erheblich gesenkt und gleichzeitig die Leistung verbessert werden. Und in dieser Studie zeigen wir, wie diese Optimierung erreicht werden kann. Nachdem Sie das hyperbolische Wirbelplasma eingerichtet haben, verwenden Sie den Stromkreis, der für die Gleichstrom-Lichtbogenentladung ausgelegt ist.

Verbinden Sie die positiven und negativen Hochspannungsausgänge des Brückengleichrichters mit den Elektroden, die über der Oberfläche des Wasserwirbels positioniert sind. Stecken Sie den Variac in eine 230-Volt-Wechselstromsteckdose und schalten Sie den roten Sicherheitsschalter aus, um die Hochspannung zu aktivieren. Erhöhen Sie mit dem Variac die Spannung allmählich von null auf 250 Volt, um die Plasmaentladung zu zünden.

Verwenden Sie als Nächstes den Stromkreis, der für die Entladung des Wechselstromlichtbogens konfiguriert ist. Verbinden Sie dann beide Hochspannungsausgänge mit den Elektroden, die sich über der Oberfläche des Wasserwirbels befinden. Erhöhen Sie nach dem Anschließen des Variac und dem Auskuppeln der zuvor gezeigten Sicherheitsschalter die Spannung schrittweise von null Volt auf 250 Volt, um die Plasmaentladung zu zünden.

Um als Nächstes eine Glimmentladung in einer Heliumatmosphäre durchzuführen, verwenden Sie den hier gezeigten Stromkreis. Verbinden Sie die Hochspannungsausgänge des Stromkreises mit den Elektroden, die über der Oberfläche des Wasserwirbels positioniert sind. Sobald der Variac angeschlossen und der Sicherheitsschalter deaktiviert ist, öffnen Sie das Gasventil, um Helium mit der gewünschten Durchflussmenge zuzuführen.

Erhöhen Sie dann mit dem Variac langsam die Spannung, um die Plasmaentladung zu zünden, bis ein elektrischer Durchschlag zwischen den Elektroden auftritt und das Plasma von der Glimmentladung zur Lichtbogenentladung übergeht. Um die Entladung des bipolaren Überschlagimpulses einzuleiten, verwenden Sie dann den Stromkreis wie im Schaltplan gezeigt, schließen Sie die Hochspannungsausgänge an die Elektroden an, schalten Sie den Variac an eine 230-Volt-Wechselstromsteckdose und deaktivieren Sie den Sicherheitsschalter. Erhöhen Sie dann allmählich die Spannung von null auf 250 Volt, um die Plasmaentladung zu zünden.

Verwenden Sie für monopolare gepulste Streamer-Entladungen die im Schaltplan gezeigte Schaltung für die positive oder negative Entladung nach Bedarf. Verbinden Sie den gegenüberliegenden Anschluss mit einer sichtbaren Funkenstrecke und Masseelektrode. Befestigen Sie den Rest der Hochspannungsausgänge an den Elektroden, die sich über der Wasserwirbeloberfläche befinden.

Öffnen Sie dann das Gasventil und stellen Sie den Druckluftstrom auf 0,5 bis eine Atmosphäre ein, um die Funkenstrecke zu spülen. Nachdem Sie den Variac angeschlossen und den Sicherheitsschalter betätigt haben, zünden Sie die Plasmaentladung wie zuvor gezeigt. Um den Versuch zu beenden, reduzieren Sie die Variac-Spannung, schalten Sie die Stromversorgung aus und betätigen Sie den Sicherheitsschalter.

Schließen Sie dann alle Gasventile für Helium und Druckluft, wenn diese während des Experiments verwendet wurden. Berühren Sie mit einem Erdungsstab alle metallischen Komponenten, um sicherzustellen, dass sie ordnungsgemäß geerdet sind. Unter den drei Entladungen erzeugte der Flashover mit etwa 450 Milligramm pro Liter die höchsten Konzentrationen von Wasserstoffperoxid, von Nitrit mit etwa 90 Milligramm pro Liter und von Nitrat mit etwa 340 Milligramm pro Liter.

Der Flashover-Ausfluss verursachte den ausgeprägtesten Abfall des pH-Werts, der von etwa 5,5 auf 2,3 sank. Die elektrische Leitfähigkeit war in den mit dem Überschlag behandelten Proben am höchsten und erreichte etwa 2.300 Mikrosiemens pro Zentimeter. Das Oxidations-Reduktions-Potential stieg am deutlichsten in der Überschlagsentladung an und erreichte etwa 600 Millivolt.

Die Flashover-Entladung erreichte den schnellsten und vollständigsten PFOS-Abbau für beide Anfangskonzentrationen und erreichte nach 60 Minuten eine Umwandlung von fast 100 % und übertraf damit die positiven und negativen Entladungen. In der PFAS-Matrix zeigten langkettige Verbindungen wie PFDA, PFNA, PFOS und PFOA ohne Tensid nach 75 Minuten einen Abbau von über 90 %. Im Gegensatz dazu blieben kurzkettige Spezies wie PFBS und PFBA aufgrund der Bildung von Nebenprodukten weitgehend unsortiert oder in ihrer Konzentration erhöht.

Durch die Zugabe von Tensiden wurden alle langkettigen PFAS-Verbindungen zu über 95 % abgebaut, und der Abbau von kurzkettigen Verbindungen wie PFBA verbesserte sich von minus 19 % auf etwa 53 % und der PFBS von 22 % auf etwa 95 %. Die Konzentration von PFHxA begann nach 20 Minuten zu sinken und PFPeA sank nach 30 Minuten Behandlung mit Tensiddosierung, was auf einen fortschreitenden Abbau von PFAS-Nebenprodukten hinweist.