Mise en place d’un réacteur à plasma vortex hyperbolique pour l’élimination des micropolluants dans l’eau

L’objectif de nos recherches est d’optimiser la décharge plasmatique pour la dégradation des micropolluants dans l’eau, qui est une préoccupation environnementale croissante de nos jours. Nous avons découvert qu’en optimisant la décharge plasmatique et en dosant soigneusement les tensioactifs cationiques, nous pouvons atteindre une dégradation de près de 100 % des PFAS en utilisant uniquement un apport d’énergie modéré. Le traitement au plasma est généralement un processus énergivore.

Cependant, l’application d’impulsions plasma permet de réduire considérablement la consommation d’énergie tout en améliorant les performances. Et dans cette étude, nous montrons comment réaliser cette optimisation. Après avoir configuré le plasma vortex hyperbolique, utilisez le circuit électrique conçu pour la configuration de décharge d’arc à courant continu.

Connectez les sorties haute tension positive et négative du pont redresseur aux électrodes positionnées au-dessus de la surface du vortex d’eau. Branchez le variac dans une prise de courant alternatif de 230 volts et éteignez l’interrupteur de sécurité rouge pour activer la haute tension. À l’aide du variac, augmentez progressivement la tension de zéro à 250 volts pour allumer la décharge plasmatique.

Ensuite, utilisez le circuit électrique configuré pour la décharge d’arc à courant alternatif. Connectez ensuite les deux sorties haute tension aux électrodes situées au-dessus de la surface du vortex d’eau. Après avoir connecté le variac et désengagé les interrupteurs de sécurité indiqués précédemment, augmentez progressivement la tension de zéro volt à 250 volts pour allumer la décharge de plasma.

Ensuite, pour effectuer une décharge luminescente dans une atmosphère d’hélium, utilisez le circuit électrique illustré ici. Connectez les sorties haute tension du circuit électrique aux électrodes positionnées au-dessus de la surface du vortex d’eau. Une fois le variac connecté et l’interrupteur de sécurité désengagé, ouvrez la vanne de gaz pour introduire de l’hélium au débit souhaité.

Ensuite, à l’aide du variac, augmentez lentement la tension pour allumer la décharge de plasma jusqu’à ce que la panne électrique se produise entre les électrodes et que le plasma passe de la décharge luminescente à la décharge d’arc. Ensuite, pour initier la décharge d’impulsion d’embrasement bipolaire, utilisez le circuit électrique comme indiqué sur le schéma, connectez les sorties haute tension aux électrodes, variac à une prise de courant alternatif de 230 volts et désengagez l’interrupteur de sécurité. Augmentez ensuite progressivement la tension de zéro à 250 volts pour allumer la décharge plasma.

Pour les décharges de flûte pulsée monopolaire, utilisez le circuit illustré dans le schéma pour les décharges positives ou négatives selon les besoins. Connectez la borne opposée à un éclateur visible et à une électrode de terre. Fixez le reste des sorties haute tension aux électrodes situées au-dessus de la surface du vortex d’eau.

Ouvrez ensuite la vanne de gaz et ajustez le débit d’air comprimé à 0,5 pour une atmosphère afin de purger l’éclateur. Après avoir connecté le variac et enclenché l’interrupteur de sécurité, allumez la décharge de plasma comme indiqué précédemment. Pour mettre fin à l’expérience, réduisez la tension variac, coupez l’alimentation électrique et engagez l’interrupteur de sécurité.

Fermez ensuite toutes les vannes de gaz pour l’hélium et l’air comprimé si elles ont été utilisées pendant l’expérience. À l’aide d’un bâton de mise à la terre, touchez tous les composants métalliques pour vérifier qu’ils sont correctement mis à la terre. Parmi les trois décharges, l’embrasement a généré les plus fortes concentrations de peroxyde d’hydrogène à environ 450 milligrammes par litre, de nitrite à environ 90 milligrammes par litre et de nitrate à environ 340 milligrammes par litre.

La décharge d’embrasement a provoqué la baisse la plus prononcée du pH, le faisant passer d’environ 5,5 à 2,3. La conductivité électrique était la plus élevée dans les échantillons traités par embrasement, atteignant environ 2 300 microsiemens par centimètre. Le potentiel d’oxydoréduction a augmenté de manière plus significative lors de la décharge d’embrasement, atteignant environ 600 millivolts.

La décharge d’embrasement a permis d’obtenir la dégradation la plus rapide et la plus complète du SPFO pour les deux concentrations initiales, atteignant près de 100 % de conversion en 60 minutes, surpassant les décharges positives et négatives. Dans la matrice PFAS, sans tensioactif, les composés à longue chaîne tels que le PFDA, le PFNA, le PFOS et le PFOA ont montré une dégradation supérieure à 90 % après 75 minutes. En revanche, les espèces à chaîne courte, telles que le PFBS et le PFBA, sont restées en grande partie non classées ou ont augmenté en concentration en raison de la formation de sous-produits.

Avec l’ajout de tensioactifs, tous les composés PFAS à longue chaîne ont été dégradés au-dessus de 95 % et la dégradation des composés à chaîne courte, comme le PFBA, s’est améliorée de moins 19 % à environ 53 % et le PFBS de 22 % à environ 95 %.