יישום כור פלזמה היפרבולי מערבולת להסרת מיקרו-מזהמים במים

Summary

מחקר זה מציג את המתודולוגיה ליצירת שישה סוגים שונים של פריקות פלזמה בתוך כור פלזמה מערבולת היפרבולית לפירוק מיקרו-מזהמים במים, כולל תרופות וחומרים פר-פלואורואלקיל (PFAS).

Abstract

נוכחותם של מיקרו-מזהמים במים היא דאגה סביבתית דחופה יותר ויותר. בעוד שחלק מהמיקרו-מזהמים מתכלים בקלות, אחרים, כגון חומרים פר-ופוליפלואורואלקיל (PFAS), הם עמידים ביותר ועמידים בפני טכנולוגיות קונבנציונליות לטיפול במים. טיפול מבוסס פלזמה נחקר לטיהור מים ושפכים במשך עשרות שנים, כאשר מחקרים אחרונים הוכיחו את יעילותו הגבוהה בפירוק PFAS קצר וארוך. כאן, טיפול בפסולת מבוססת פלזמה משולב עם מערבולת מים היפרבולית על פני השטח החופשי, בעלת מקדם העברת מסה נפחי של חמצן העולה על זה של מערכות דומות. ניתן להשתמש בסוגים שונים של פריקות פלזמה עבור יישומים כאלה, כל אחד מהם דורש תצורות אספקת חשמל ספציפיות ואסטרטגיות תפעוליות. השימוש באותות פולסים, במיוחד, מציב אתגרים הנדסיים ייחודיים. מחקר זה בוחן את היצירה והאפיון של שישה סוגים שונים של פריקת פלזמה בתוך כור פלזמה היפרבולי: חד קוטבי פועם (שלילי וחיובי), "הבזק" דו-קוטבי פועם, קשת AC ו-DC ופריקת זוהר. מאפייני הפולסים של פריקות פולסים חד-קוטביות ודו קוטביות נותחו, והוערכה יעילותם בפירוק PFAS. מבין התצורות שנבדקו, פריקת ההבזק הדו-קוטבית הציגה את יעילות הפירוק הגבוהה ביותר בכור פלזמה מערבולת היפרבולית. עם זאת, יישומו המעשי מציב אתגרים הנדסיים משמעותיים, מה שהופך את השימוש בו למאתגר בקנה מידה גדול יותר.

Introduction

מבנים ספירליים הם בסיסיים לטבע, ומשפיעים על תופעות החל מהסידור המיקרוסקופי של ה-DNA ועד לתצורות העצומות של גלקסיות ^1,2. בדינמיקת זורמים, זרימות סליליות מציגות תכונות ייחודיות של ערבוב, העברת אנרגיה ויציבות, שניתן לרתום ליישומים הנדסיים חדשניים³. בהשראת דפוסי הזרימה הטבעיים הללו, מערבולות מים היפרבוליות נחקרו בשל הפוטנציאל שלהן בשיפור האוורור ומתן אפשרות לטכנולוגיות מתקדמות לטיפול במים 4,5,6,7. מחקר זה בוחן את השילוב של דינמיקת מערבולת היפרבולית עם פריקת פלזמה לפירוק מיקרו-מזהמים מתמשכים, בפרט חומרים פר-ופוליפלואורואלקיל (PFAS).

המחקר הראשוני על משפכים היפרבוליים הונע על ידי יעילותם באוורור, תהליך מכריע בטיפול במים. מערבולות מוגבלות גיאומטריות אלה משפרות משמעותית את האינטראקציות בין גז לנוזל, ובכך מגדילות את קצב העברת החמצן תוך מזעור צריכת האנרגיה⁷. הסבר מפורט על היווצרותן ופעולתן של מערבולות מים היפרבוליות ניתן במקום אחר⁶. עד מהרה התברר כי ניתן לנצל את מידת הערבוב הגבוהה והגדלת שטח הפנים שהביאה ליכולת אוורור כה גבוהה לפירוק מזהמים. בהתבסס על רעיון זה, הוכנסה פריקת פלזמה למערכת המערבולת, ויצרה גישה היברידית חדשה להסרת מיקרו-מזהמים⁸.

מיקרו-מזהמים, כולל תרופות, חומרי הדברה ו-PFAS, מהווים אתגרים סביבתיים ובריאותיים משמעותיים בשל עמידותם ועמידותם לשיטות טיפול קונבנציונליות במים⁹. מבין אלה, PFAS - המכונה בדרך כלל "כימיקלים לנצח" - הם בעייתיים במיוחד בשל קשרי הפחמן-פלואור החזקים שלהם, המעניקים יציבות קיצונית ופוטנציאל הצטברות ביולוגית^10,11.

מגוון רחב של טכנולוגיות פותח לטיפול בזיהום PFAS, כולל ספיחה באמצעות פחם פעיל^12,13 והפרדת ממברנה¹⁴. למרות שהן יעילות בלכידת PFAS, שיטות אלו אינן הרסניות ויוצרות זרמי פסולת משניים. פחם פעיל הופך ליקר עקב צרכי התחדשות תכופים - במיוחד בעומסי PFAS גבוהים - ומתחרה במזהמים משותפים, בעוד שמערכות ממברנות מרכזות PFAS בתמלחות פסולת הדורשות טיפול נוסף.

תהליכי חמצון מתקדמים (AOPs) כגון חמצון אלקטרוכימי, אוזון, מערכות מבוססות UV וחמצון מים סופר-קריטי שואפים לפרק PFAS במקום להפריד ביניהם^15,16. עם זאת, לעתים קרובות הם סובלים מדרישות אנרגיה גבוהות, סלקטיביות ירודה (במיוחד עבור PFAS קצר שרשרת), ויצירת תוצרי לוואי מזיקים או השפלה לא שלמה.

טכנולוגיות מבוססות פלזמה זכו לאחרונה לתשומת לב כשיטה הרסנית מבטיחה, המציעה פירוק מהיר של PFAS על פני אורכי שרשרת 17,18,19,20. עם זאת, רוב המחקרים מדווחים על ביצועים מופחתים ב-PFAS קצר שרשרת, הנוצרים לעתים קרובות כתוצרי לוואי ביניים במהלך תהליך הטיפול. בנוסף, טיפול בפלזמה בלבד יכול להיות עתיר אנרגיה וקשה להרחבה.

סוגים שונים של פריקת פלזמה נחקרו ליישומי טיפול במים. אלה כוללים פריקות זוהר וקשת של זרם ישר (DC), פריקות זרם חילופין (AC), פריקת עטרה פועמת, פריקת מחסום דיאלקטרי (DBD) ופריקת קשת גלישה 8,21,22,23,24. כל סוג של פריקת פלזמה מציג מאפיינים מובהקים בייצור מינים תגובתיים, חלוקת אנרגיה ומסלולי פירוק מזהמים. בעוד שפריקת זוהר פועלת בטמפרטורות נמוכות יותר ומספקת יינון אחיד, פריקת קשת מספקת חימום מקומי אינטנסיבי, מה שהופך אותה ליעילה לפירוק מזהמים אורגניים מתמידים 25,26,27. פריקות פועמות, כגון פלזמה חד-קוטבית ודו-קוטבית, מאופיינות בצפיפות האנרגיה הגבוהה שלהן וביצירת מינים ריאקטיביים חולפים, התורמים ליעילות משופרת של פירוק מיקרו-מזהמים בדרישות אנרגיה מתונות⁸.

מחקר זה מדגים שיטה לייצור והפעלה של שישה סוגים שונים של פריקות פלזמה בתוך כור פלזמה היפרבולי: (i) שלילי מונופולרי פועם, (ii) חיובי חד קוטבי פועם, (iii) "הבזק" דו-קוטבי פועם, (iv) קשת AC, (v) קשת DC ו-(vi) פריקת זוהר. לכל אחד ממצבי הפריקה הללו יש אינטראקציות ייחודיות עם המערבולת ההיפרבולית, המשפיעות על יצירת מיני חמצן וחנקן תגובתיים (RONS), קרינה אולטרה סגולה, גלי הלם, אלקטרונים אנרגטיים ואלקטרונים מומסים, כולם תורמים לפירוק המזהמים. תצורות האלקטרודות עבור כל סוג פריקת פלזמה המשמשות בניסויים מתוארות באיור 1. השילוב של מצבי פריקת פלזמה כאלה עם ערבוב המושרה על ידי מערבולת מאפשר העברת מסה משופרת ומגע משופר בין מזהמים למינים תגובתיים, וכתוצאה מכך פירוק יעיל יותר של מיקרו-מזהמים.

כפי שהודגם^ב-28,29, תוספת של חומר פעילי שטח קטיוני משפרת עוד יותר את יעילות הפירוק על ידי קידום ההובלה של מולקולות PFAS לממשק הפלזמה-מים, שם מתרחשים התהליכים הריאקטיביים האינטנסיביים ביותר. התוצאות מצביעות על כך שמערכת זו משיגה השפלה כמעט מוחלטת של PFAS תוך שמירה על היתכנות תפעולית.

בנוסף, כפי שהודגם במקום אחר³⁰, דגימות מזוהמות ב-PFAS שטופלו בכור פלזמה היפרבולי באטמוספירה אווירית לא הראו עלייה בציטוטוקסיות או גנוטוקסיות. ממצאים אלה תומכים עוד יותר בפוטנציאל של טכנולוגיה זו כגישה מבטיחה להסרת PFAS.

ההשלכות של מחקר זה חורגות מעבר לפירוק PFAS. השילוב של ערבוב המושרה על ידי מערבולת היפרבולית וטיפול בפלזמה מציע פתרון ניתן להרחבה והתאמה לאתגרים שונים של טיפול במים, החל מהסרת מזהמים אורגניים ועד חמצון משופר. מחקרים עתידיים יתמקדו באופטימיזציה של תצורות כורים, חקירת גורלם של תוצרי לוואי של פירוק והערכת ביצועי מערכת לטווח ארוך ביישומים בעולם האמיתי.

על ידי שילוב של דינמיקת נוזלים בהשראת הטבע עם כימיה מתקדמת של פלזמה, מחקר זה סולל את הדרך לטכנולוגיות טיפול במים בנות קיימא ויעילות יותר המטפלות בסוגיות סביבתיות קריטיות תוך הפחתת צריכת האנרגיה והמשאבים.

Protocol

1. המלצות כלליות

1. לפני הטיפול במערך הניסוי, פרוק כל מטען סטטי שהצטבר על ידי נגיעה בחלקים מוליכים עם מקל הארקה.
2. בדוק את כל החיבורים ההידראוליים והחשמליים של ההתקנה עבור תקינות ופונקציונליות תקינה.
3. הפעל את המשאבות בקצב זרימה נמוך (80 L·^h-1) באמצעות מים נקיים וודא היעדר נזילות.
4. ודא שהכור נקי מדליפות גז על ידי טיהורו באוויר דחוס בכספומט אחד ומריחת תמיסת מי סבון על כל החיבורים.
   הערה: אם מופיעות בועות לאחר ביצוע שלב 1.4, הדבר מצביע על דליפת גז שיש לזהות ולאטום לפני הטיפול.

2. מערך ניסוי

1. מערך פלזמה של מערבולת היפרבולית (איור 2)
   1. פרוק את כל הרכיבים המתכתיים על ידי נגיעה בהם במקל הארקה.
      הערה: אם קיים מטען שיורי לאחר עבודה עם כרך גבוהtage, יתרחש ניצוץ גלוי ונשמע בין מקל ההארקה לרכיב הטעון.
   2. הפעל את חיישן Dräger (12 באיור 2), על ידי לחיצה ממושכת על כפתור אישור למשך שלוש שניות כדי לאפשר זיהוי של אוזון, ניטריט וחמצן שנוצר על ידי הפלזמה. הנח את החיישן בתוך הארון הימני כדי לבדוק אם יש דליפות גז פוטנציאליות.
   3. חבר את מאגר המים (14 באיור 2) המכיל מים נטולי יונים להתקנה דרך קו הצינור המיועד.
   4. הפעל את המשאבה הראשית על ידי לחיצה על כפתור ההפעלה , כדי להכניס מים למשפך ההיפרבולי, תוך הבטחת קצב זרימה של 85 L·^h-1, העולה במעט על הסף הנדרש להיווצרות מערבולת^{רצויה 6}.
      הערה: בקצבי זרימה גבוהים יותר, מפלס המים בכור עשוי לעלות מעט מעל הרמה האופטימלית הנדרשת לפעולה יציבה.
   5. הפעל את המשאבה המשנית על ידי לחיצה על כפתור ההפעלה , תוך הבטחת קצב זרימה של 10 L·^h-1 כדי להוציא מים מהחלק העליון של המשפך ההיפרבולי, ובכך לייצב את מפלס המים ולשמור על מרחק קבוע בין האלקטרודות לפני המים.
      הערה: שימוש במשאבות הראשיות והמשניות מבטיח מפלס מים יציב בכור. הפעלת המשאבה הראשית בלבד עלולה להוביל לתנודות במפלס המים.
   6. לאחר השגת מערבולת יציבה ולא מתגלות נזילות, החלף את המים הנקיים בדגימת הניסוי וחזור על שלבים 2.1.3 ו-2.1.4.
   7. במידת הצורך, כוונן את מרחק האלקטרודה למים כדי לייעל את היווצרות הפלזמה.
   8. טהר את הכור בזרימה נמוכה של אוויר דחוס (0.1 אטמוספירה) כדי לייצב את האטמוספירה הפנימית ולהבטיח תנאי פריקת פלזמה אופטימליים³¹.
   9. אם משתמשים בחומר פעילי שטח קטיוני, חבר מאגר עזר המכיל את תמיסת פעילי השטח והכניס אותו באמצעות משאבת מינון בריכוז הרצוי לפני כניסת הכור.

3. סוגים שונים של פריקות פלזמה

1. פריקת קשת DC
   1. השתמש במעגל החשמלי המתואר באיור 3A.
   2. חבר את יציאות המתח הגבוה החיוביות והשליליות ממיישר הגשר לאלקטרודות הממוקמות מעל פני מערבולת המים.
      הערה: אם עובדים עם קוטביות אחת (חיובית או שלילית), הארקה של המסוף המתאים ופעל אך ורק עם הקוטביות המועדפת.
   3. חבר את ה-variac לשקע החשמל של 230 וולט AC ונתק את מתג הבטיחות האדום כדי לאפשר נפח גבוהtage.
   4. הצית את פריקת הפלזמה על ידי הגדלה הדרגתית של המתח (0 וולט עד 250 וולט) באמצעות הווריאק.
2. פריקת קשת AC
   1. השתמש במעגל החשמלי המתואר באיור 3B.
   2. חבר את שתי יציאות המתח הגבוה לאלקטרודות הממוקמות מעל פני מערבולת המים.
      הערה: אם אתה פועל עם פלט יחיד, הארקה של המסוף המתאים.
   3. חבר את variac לשקע החשמל של 230 וולט AC ונתק את מתג הבטיחות האדום כדי לאפשר נפח גבוהtage.
   4. הצית את פריקת הפלזמה על ידי הגדלה הדרגתית של המתח (0 וולט עד 250 וולט) באמצעות הווריאק.
3. פריקת זוהר באטמוספירת הליום
   1. השתמש במעגל החשמלי המתואר באיור 4.
      הערה: ניתן להשתמש במעגלים חשמליים שונים בהתאם לדרישות פריקת הזוהר הספציפיות (איור 3, איור 4, איור 5 ואיור 6).
   2. חבר את יציאות המתח הגבוה לאלקטרודות הממוקמות מעל פני מערבולת המים.
      הערה: פריקת הזוהר נוצרת בין אלקטרודות בעלות קוטביות הפוכה. התאמת מספר האלקטרודות ומיקומן משנה את טופולוגיית הפריקה.
   3. חבר את variac לשקע החשמל של 230 וולט AC ונתק את מתג הבטיחות האדום כדי לאפשר נפח גבוהtage.
   4. הכנס הליום בקצב הזרימה המועדף על ידי פתיחת שסתום גז.
      הערה: אפשר מספיק זמן להליום להחליף את האוויר הסביבתי. צבע פריקת הזוהר עובר מסגול ללבן ככל שריכוז ההליום עולה. קצבי זרימה גבוהים יותר של גז הליום משפרים את בהירות הפריקה.
   5. הצית את פריקת הפלזמה על ידי הגדלה הדרגתית של המתח מ-0 וולט באמצעות ה-variac עד שמתרחשת התמוטטות חשמלית בין האלקטרודות והפלזמה עוברת מפריקת זוהר לפריקת קשת.
      הערה: נפח מוגזםtage עלול להפוך את פריקת הזוהר לפריקת קשת פועמת עקב השפעות קבלים במעגל.
4. פריקה פועמת "הבזק" דו קוטבית
   1. השתמש במעגל החשמלי המתואר באיור 4.
   2. חבר את יציאות המתח הגבוה לאלקטרודות הממוקמות מעל פני מערבולת המים.
      הערה: המעגל באיור 4 מאפשר תצורת אלקטרודה גמישה. במחקר זה נעשה שימוש ב-16 אלקטרודות.
   3. חבר את variac לשקע החשמל של 230 וולט AC ונתק את מתג הבטיחות האדום כדי לאפשר נפח גבוהtage.
   4. הצית את פריקת הפלזמה על ידי הגדלה הדרגתית של המתח (0 וולט עד 250 וולט) באמצעות הווריאק.
5. פריקות סטרימר פועמות חיוביות ושליליות חד-קוטביות
   1. השתמש במעגל החשמלי המתואר באיור 5 או באיור 6 לפריקה חיובית או שלילית, בהתאמה.
   2. חבר את פלט המתח הגבוה המתאים (חיובי או שלילי) לאלקטרודות הממוקמות מעל פני מערבולת המים.
   3. חבר את המסוף הנגדי לפער ניצוץ והארקה את הקצה השני.
      הערה: לחלופין, ניתן לקרקע את פער הניצוץ באמצעות אלקטרודה השקועה במים המקורקעים של הכור.
   4. נקה את פער הניצוץ באוויר דחוס (0.5-1 אטמוספירה) על ידי פתיחת שסתום הגז והתאמת הזרימה כדי להבטיח אווירה פנימית יציבה ולשמור על טמפרטורה עקבית.
      הערה: שינויים בהרכב הגז, הטמפרטורה, הלחץ ומרווח האלקטרודות בתוך פער הניצוץ משפיעים על מאפייני הפלזמה.
   5. חבר את variac לשקע החשמל של 230 וולט AC ונתק את מתג הבטיחות האדום כדי לאפשר נפח גבוהtage.
   6. הצית את פריקת הפלזמה על ידי הגדלה הדרגתית של המתח (0 וולט עד 250 וולט) באמצעות הווריאק.
6. סיום הניסוי
   1. הפסק את פעולת המתח הגבוה על ידי הפחתת מתח הווריאק, כיבוי אספקת החשמל והפעלת מתג הבטיחות.
   2. במידת הצורך, הפסק את משאבת המינון של חומר פעילי השטח הקטיוני.
   3. סגור את כל שסתומי הגז להליום ואוויר דחוס אם נעשה בהם שימוש.
   4. ודא את ההארקה של כל הרכיבים המתכתיים על ידי נגיעה בהם עם מקל הארקה.
   5. כיוון זרימת משאבה הפוך להעברת דגימות מטופלות בחזרה למאגר המים.
   6. שטפו את ההתקנה על ידי זרימת מים נקיים ו/או ממס אורגני דרך המערכת.
   7. לאסוף ולהשליך פסולת כראוי, תוך הקפדה על עמידה בתקנות הבטיחות לחומרים מסוכנים.
   8. ערוך בדיקה סופית כדי לוודא שכל הרכיבים כבויים, אין נזילות וההתקנה מאובטחת לשימוש לאחר מכן.

Results

המעגלים החשמליים המוצגים באיור 3, איור 4, איור 5 ואיור 6 פועלים באופן הבא: משתנה (V), המחובר לרשת AC V 230, מווסת את מתח הכניסה ומספק אותו לשנאי ניאון (T), המעלה את המתח למתח גבוה AC. לאחר מכן, AC מתח גבוה זה מומר למתח גבוה DC על ידי מיישר גשר המורכב מדיודות (D_{1-D 4}). אות ה-DC המתקבל טוען את הקבלים (C_x), והזרם מופץ על פני מספר ענפים באמצעות דיודות נוספות (D_x). נגדי דימום (R_x) כלולים כדי להבטיח פריקה הדרגתית של הקבלים לאחר כיבוי המערכת. בתצורת הפריקה המונופולרית, פער ניצוץ (SG) משמש לחיבור בין המסופים המקורקעים של קבלים בצד הקוטביות הלא פעילה.

איור 7 ממחיש ניתוח השוואתי של פרופילי פולסי הזרם והמתח עבור פריקות פלזמה חיוביות חד-קוטביות, שליליות מונופולריות ודו-קוטביות. משך הפולס של פריקת ההבזק היה קצר בערך בשני סדרי גודל מזה של הפולסים החד-קוטביים (0.6 מיקרומטר לעומת 60 מיקרון, בהתאמה). יתר על כן, זרם השיא של פריקת ההבזק (3.4 A) היה גבוה משמעותית בהשוואה לפולסים החיוביים החד-קוטביים (60 mA) והשליליים (30 mA). במקרה של פולסים חד קוטביים, חוטי פלזמה מתפשטים לאורך פני המים. לעומת זאת, עבור פריקת ההבזק, נוצרת תעלת פלזמה דרך ממשק הגז-מים בין הקתודה לאנודה. כאשר חוטי פלזמה בעלי קוטביות מנוגדות מתכנסים על פני המים, הם יוצרים תעלת פלזמה מוליכה בעלת עכבה נמוכה, המשפרת את הניידות של חלקיקים טעונים. ירידה זו בעכבה קשורה למשך הדופק הקצר יותר שנצפה במשטר פריקת ההבזק.

איור 8 מציג את סימולציית LTspice³² של הפרש הפוטנציאל במהלך טעינת קבלים ופריקה מהירה, המתאימה למעגלים החשמליים המוצגים באיור 4, איור 5 ואיור 6. הסימולציה מדגימה טעינת קבלים באמצעות המרת AC-ל-DC באמצעות מיישר גשר מתח גבוה. מכיוון שלא ניתן לדמות פריקת פלזמה ישירות ב-LTspice, יושם מתג מבוקר מתח כדי לחקות התמוטטות. עם ההפעלה, מתרחשת ירידת מתח מהירה. בעוד שלא ניתן היה לדגמן את הצורה המפורטת של פולס הפריקה - בשל תלותו בגורמים כמו לחץ, טמפרטורה, לחות, פער אלקטרודות ומוליכות מים - הסימולציה מדגימה בבירור את הפונקציונליות של המעגלים המוצעים ואת יכולתם לייצר אותות פועמים עם תצורות קוטביות שונות.

איור 9 מתווה את האנרגיה לפולס וצריכת החשמל עבור שלושת סוגי הפריקות. כניסת הכוח לפריקה המונופולרית החיובית נמדדה ב-1.8 וואט, הפריקה החד-קוטבית השלילית ב-1.6 וואט ופריקת ההבזק ב-1.2 וואט. לכן, בהספק פלזמה נתון, משך הטיפול בפלזמה תואם ישירות את קלט האנרגיה הכולל. תיאור מפורט של מתודולוגיית מדידת האנרגיה ניתן למצוא ב⁸.

איור 10 מתאר את השינויים בכימיה של המים לאחר 75 דקות של טיפול בפלזמה באטמוספירה אווירית באמצעות שלושת סוגי הפריקה. הפרמטרים העיקריים שנותחו כוללים pH, פוטנציאל הפחתת חמצון (ORP), מוליכות חשמלית (EC) וריכוזי החמצן הריאקטיבי (מי חמצן H₂O₂) ומיני חנקן (ניטריט NO₂^- וחנקות NO₃^-). מבין שלושת ההפרשות, פריקת ההבזק גרמה לשינויים הכימיים הבולטים ביותר ולייצור ה-RONS הגבוה ביותר. למרות דרישת כניסת ההספק הנמוכה ביותר (1.2 W, איור 9), פריקת ההבזק הציגה את יעילות הטיפול הגבוהה ביותר. ניתן לייחס זאת למשך הדופק הקצר שלו, המונע מזרמים לעבור לקשתות חמות עם פיזור אוהמי משמעותי, ובכך משפר את הסתברות היינון ויצירת מינים תגובתיים.

בנוסף, פריקת ההבזק יוצרת תעלת פלזמה בין שתי אלקטרודות טעונות מנוגדות הממוקמות בממשק הפלזמה-מים, המשתרעות על אורך של כ-5 ס"מ. תצורה זו מגדילה משמעותית את שטח האינטראקציה בין פלזמה למים בהשוואה לפולסים חד-קוטביים, ובכך משפרת את ייצור המינים הריאקטיביים ומאפשרת טיפול יעיל יותר בשלב הנוזלי.

כל דגימות ה-PFAS נותחו על ידי כרומטוגרפיה נוזלית-ספקטרומטריית מסה. עמוד (1.8 מיקרומטר, 50 × 2.1 מ"מ) שימש לניתוח. כדי להבטיח את יציבות הדגימה, הם דוללו 1:1 במתנול, ו-1 מ"ל מהדגימה המדוללת הועברה לבקבוקון קטיון פלסטיק. דה-פלואוריד הוערך על ידי מדידת ריכוז יוני הפלואוריד החופשיים בדגימות המים באמצעות אלקטרודת פלואוריד משולבת.

איור 11 דן בפירוק של חומצה פרפלואורו-אוקטן-סולפונית (PFOS) לאורך זמן עבור ריכוזים ראשוניים של 14 מיקרוגרם· L-1 ± 5% ^ו-240 מיקרוגרם· ^L-1 ± 5%. פריקת ההבזק הדגימה את נצילות פירוק ה-PFOS הגבוהה ביותר תוך דרישת כניסת האנרגיה הנמוכה ביותר. כתוצאה מכך, ניסויים עוקבים נערכו אך ורק עם פריקת הבזק כדי לייעל את ביצועי הטיפול.

איור 12 מדגים את הפירוק של מטריצת PFAS, המורכבת ממולקולות באורכי שרשרת משתנים, יחד עם תוצרי לוואי של פירוק שזוהו. בעוד ש-PFAS ארוך שרשרת הפגין יעילות פירוק העולה על 92% לאחר 75 דקות של טיפול, PFAS קצר שרשרת הראה שיעורי פירוק נמוכים משמעותית. יתר על כן, תרכובות PFAS קצרות שרשרת (חומצה פרפלואורוהקסנואית (PFHxA), חומצה פרפלואורופנטנואית (PFPeA) וחומצה פרפלואורובוטנואית (PFBA)) הופיעו כתוצרי לוואי של פירוק של מולקולות ארוכות שרשרת, ללא פירוק ניכר של מינים קצרים אלה. ניתן להסביר זאת על ידי התכונות הפיזיקוכימיות המובהקות של PFAS. PFAS ארוך שרשרת, בעל תכונות פעילי שטח חזקות, נוטה להצטבר בממשק הגז-נוזל או להיצמד למשטחים, מה שמקל על אינטראקציה עם מינים אנרגטיים שנוצרו על ידי פלזמה. לעומת זאת, PFAS קצרי שרשרת מציגים הידרופיליות גדולה יותר ונוטים להישאר מפוזרים בתמיסה בתפזורת, מה שמגביל את החשיפה הישירה שלהם לפלזמה³³. כפי שדווח בעבר³¹, מסלול הפירוק העיקרי של PFAS במערכות פלזמה כרוך באינטראקציות עם מינים ריאקטיביים שנוצרו על ידי פלזמה כגון אלקטרונים, יונים, רדיקלים הידרוקסיליים ואלקטרונים מומסים. בשל אורך חייהם הקצר, מינים אלה מוגבלים בעיקר לממשק אוויר-מים. כתוצאה מכך, PFAS ארוך שרשרת, המצטבר באופן מועדף על פני השטח, עובר פירוק יעיל יותר, בעוד ש-PFAS קצר שרשרת, שנותר מומס בתמיסה בתפזורת, מושפעים פחות. באותו מחקר, פירוק PFAS הוערך עם ובלי טיהור אוויר. ריכוז המינים הריאקטיביים היה גבוה משמעותית במערכת הלא מטוהרת, מה ששיפר מעט את הפירוק של PFAS קצר שרשרת. עם זאת, זה הוביל גם לפיזור אנרגיה מוגבר באזור הפלזמה, וכתוצאה מכך יעילות פירוק מופחתת עבור PFAS ארוך שרשרת.

רוב מולקולות ה-PFAS מתפקדות כפעילי שטח אניוניים בשל הקבוצות הפונקציונליות הסופיות הטעונות שלילית שלהן (כמו למשל RCOO^-, RSO₃^-)³³. כדי לשפר את יעילות הפירוק של PFAS קצר שרשרת, המציגים תכונות פעילי שטח חלשות יותר, נוסף חומר פעילי שטח קטיוני, Hyamine 1622, בקצב זרימה של 4 μM·min⁻¹. חומר פעילי שטח זה מקיים אינטראקציה עם קבוצות הראש של PFAS הטעונות שלילית, ויוצר זוגות יונים המאפשרים הובלה לממשק הפלזמה-מים, ובכך משפרים משמעותית את יעילות הפירוק. מסלול הפירוק העיקרי מוצע לכלול אינטראקציות בין קומפלקסים של PFAS-Hyamine לבין אלקטרונים ויונים שנוצרו בפלזמה³¹.

איור 13 מציג את הפירוק של אותה מטריצת PFAS כמו באיור 12, אך בתוספת פעילי שטח. השוואה בין איורים 12 ו-13 מדגימה בבירור כי מינון פעילי שטח משפר באופן משמעותי את יעילות הפירוק עבור מולקולות PFAS ארוכות שרשרת וקצרות שרשרת. לאחר 10 דקות של טיפול, פירוק PFAS ארוך שרשרת עלה על 90%, והגיע ליותר מ-97% לאחר 75 דקות. בדומה לתוצאות שנצפו בהיעדר פעילי שטח, PFAS קצרי שרשרת דורשים זמן פירוק ארוך יותר, בין היתר בשל היווצרותם כתוצרי לוואי של פירוק תרכובות ארוכות שרשרת. עם זאת, הכנסת Hyamine 1622 משפרת משמעותית את הפירוק של PFAS קצר שרשרת. באופן ספציפי, תוצאות הטיפול ב-PFBA השתפרו מ-19% התאוששות ל-53% השפלה, בעוד שפירוק PFBS עלה מ-22% ל-95% לאחר 75 דקות של טיפול. ריכוזי PFAS לפני הטיפול ואחריו, עם ובלי מינון פעילי שטח, מוצגים בטבלה 1.

יתר על כן, זוהו תוצרי לוואי של פירוק, כולל PFHxA ו-PFPeA. עם זאת, בניגוד לניסויים הקודמים, הריכוזים שלהם ירדו לאחר 20 דקות עבור PFHxA ו-30 דקות עבור PFPeA. לאחר 75 דקות של טיפול, הריכוזים שלהם התקרבו לגבול הזיהוי, מה שמצביע על קיצור שרשרת מתקדם של חומרי ביניים של פירוק PFAS. בנוסף, יעילות הפלואורינציה השתפרה מ-48% ל-82% (איור 14), מה שתומך עוד יותר במגמות ההשפלה שנצפו ומצביע על רמה גבוהה של מינרליזציה של PFAS.

בנוסף, דגימות מי תהום מזוהמות ב-PFAS טופלו עם ובלי תוספת פעילי שטח במשך 75 דקות (איור 15). ריכוזי ה-PFAS הראשוניים מוצגים בטבלה 2. דגימות אלו נאספו מאקוויפרים רדודים בהולנד, אולם בשל הסכמי סודיות, לא ניתן לחשוף את המיקומים המדויקים. בהשוואה לתוצאות המוצגות באיורים 12 ו-13, יעילות הפירוק הכוללת הייתה נמוכה יותר בשני המקרים - עם ובלי מינון פעילי שטח. יש לציין כי הפירוק של PFAS קצר שרשרת המכילים קבוצות פונקציונליות קרבוקסיליות, כגון PFPeA ו-PFBA, נותר מוגבל גם עם מינון פעילי שטח, והגיע להסרה של 40% ו-2% בלבד, בהתאמה. יעילות מופחתת זו נובעת ככל הנראה מהריכוזים הגבוהים של יונים מתחרים הקיימים במי התהום (טבלה 3), שעלולים לעכב את היווצרותם של קומפלקסים של PFAS-Hyamine ובכך להגביל את פירוקם. ממצאים אלה מצביעים על כך שדגימות מזוהמות מאוד עשויות להפיק תועלת מטיפול מקדים להפחתת ריכוזי יונים או עשויות לדרוש משך טיפול ממושך. באופן מדהים, נצפתה ירידה משמעותית בסך הפחמן האורגני והאנאורגני בכל המקרים (טבלה 3), מה שמצביע על כך שטיפול בפלזמה מסוגל להשפיל לא רק PFAS אלא גם מגוון רחב של חומרים אחרים בתמיסה - מה שמדגיש את הפוטנציאל שלו כטכנולוגיה רב-תכליתית לטיפול במים.

איור 1: תצורות אלקטרודות עבור סוגים שונים של פריקות פלזמה. עיגולים אדומים מציינים אלקטרודות בעלות קוטביות חיובית, עיגולים כחולים מציינים אלקטרודות בעלות קוטביות שלילית, עיגולים סגולים מייצגים אלקטרודות המחוברות למתח גבוה AC, ועיגולים שחורים תואמים לאלקטרודות מקורקעות בשל חיבורן למים מקורקעים בכור. (A) פריקה חיובית חד קוטבית, (B) פריקה שלילית חד קוטבית, (C) פריקת הבזק דו קוטבית, (D) פריקת קשת AC, (E) פריקת קשת DC, ו-(F) פריקת זוהר. אנא לחץ כאן לצפייה בגרסה גדולה יותר של איור זה.

איור 2: תמונה של מערך הפלזמה של מערבולת היפרבולית: 1. משאבות פריסטלטיות; 2. בדיקות pH, פוטנציאל הפחתת חמצון (ORP) ומוליכות חשמלית (EC); 3. משדר; 4. מחברי BNC למדידת אותות מתח וזרם; 5. משפך היפרבולי; 6. אלקטרודות נירוסטה; 7. בדיקה במתח גבוה; 8. שנאי נוכחי; 9. מעגל חשמלי בהתאמה אישית; 10. שנאי ניאון; 11. מכסה משפך עם אלקטרודות מותקנות, אוורור וחיבורי קו גז; 12. גלאי גז; 13. כניסות ויציאות מים מוארקים לארון; 14. מאגר מים. אנא לחץ כאן לצפייה בגרסה גדולה יותר של איור זה.

איור 3: דיאגרמת מעגל חשמלי של ספק-הכוח במתח גבוה המשמש לניסויים. (A) פריקת פלזמה בקשת DC, (B) פריקת פלזמה בקשת AC. אנא לחץ כאן לצפייה בגרסה גדולה יותר של איור זה.

איור 4: דיאגרמת מעגל חשמלי של ספק-הכוח במתח גבוה המשמש לניסויים עם הבזק דו-קוטבי ופריקות זוהר. (A) מעגל חשמלי, (B) צילום של פריקת פלזמת הבזק דו-קוטבי בפעולה. אנא לחץ כאן לצפייה בגרסה גדולה יותר של איור זה.

איור 5: דיאגרמת מעגלים חשמליים של ספק-כוח מתח גבוה המשמש לניסויים עם פריקה חיובית חד-קוטבית. (A) מעגל חשמלי, (B) צילום של פריקת הפלזמה החיובית החד-קוטבית בפעולה. אנא לחץ כאן לצפייה בגרסה גדולה יותר של איור זה.

איור 6: דיאגרמת מעגל חשמלי של ספק-הכוח במתח גבוה המשמש לניסויים עם פריקה שלילית חד-קוטבית. (A) מעגל חשמלי, (B) צילום של פריקת הפלזמה השלילית החד-קוטבית בפעולה. אנא לחץ כאן לצפייה בגרסה גדולה יותר של איור זה.

איור 7: מאפייני פולסים של זרם ומתח. (א,ב) לפריקות חד-קוטביות חיוביות ושליליות, (C,D) לפריקת הבזק דו קוטבית. אנא לחץ כאן לצפייה בגרסה גדולה יותר של איור זה.

איור 8: סימולציה של הפרש פוטנציאל במהלך טעינת קבלים ופריקה מהירה ב-LTspice. (A) עבור פריקת הבזק ו-(B) עבור פריקות חד-קוטביות חיוביות ושליליות. אנא לחץ כאן לצפייה בגרסה גדולה יותר של איור זה.

איור 9: מאפייני אנרגיה עבור שלושה סוגים שונים של פריקות דו-קוטביות ומונופולריות: הבזק דו-קוטבי, חד-קוטבי חיובי ומונופולרי שלילי. (A) אנרגיה לכל פולס, (B) כוח פלזמה. אנא לחץ כאן לצפייה בגרסה גדולה יותר של איור זה.

איור 10: שינוי בתכונות הכימיות של המים, pH, EC, ORP, ייצור חמצן תגובתי (H₂O₂), ומיני חנקן (NO₂⁻ ו- NO₃⁻), לאחר 75 דקות של טיפול בשלושה סוגים שונים של הפרשות דו-קוטביות ומונופולריות: הבזק דו-קוטבי, חד-קוטבי חיובי ומונופולרי שלילי. אנא לחץ כאן לצפייה בגרסה גדולה יותר של איור זה.

איור 11: פירוק של PFOS לאורך זמן בריכוזים שונים. התוצאות משוות שלושה מצבי פריקה: הבזק דו קוטבי, פריקות חד-קוטביות חיוביות ופריקות חד-קוטביות שליליות. (A) 14 מיקרוגרם· ^L-1 ± 5%, (B) 240 מיקרוגרם· ^L-1 ± 5%. אנא לחץ כאן לצפייה בגרסה גדולה יותר של איור זה.

איור 12: המרה של מטריצת PFAS לאורך זמן בשפכים מלאכותיים. ערכים שליליים מצביעים על התאוששות PFAS. (א) המרת מטריצת PFAS, (ב) תוצרי לוואי של השפלה מזוהים. אנא לחץ כאן לצפייה בגרסה גדולה יותר של איור זה.

איור 13: המרה של מטריצת PFAS לאורך זמן בשפכים מלאכותיים במינון קבוע של Hyamine 1622. (A) המרת מטריצת PFAS, (B) תוצרי לוואי מזוהים של פירוק. אנא לחץ כאן לצפייה בגרסה גדולה יותר של איור זה.

איור 14: דה-פלואורינציה של מטריצת PFAS בשפכים מלאכותיים לאורך זמן תחת פריקת פלזמה באוויר עם ובלי מינון פעילי שטח קבוע של Hyamine 1622. אנא לחץ כאן לצפייה בגרסה גדולה יותר של איור זה.

איור 15: המרת PFAS במי תהום מזוהמים לאחר 75 דקות של טיפול עם כניסת אנרגיה של 1.2 קוט"^ש-3 עם ובלי מינון Hyamine 1622. ערך שלילי מציין התאוששות PFAS. אנא לחץ כאן לצפייה בגרסה גדולה יותר של איור זה.

שם	נוסחה	ריכוז התחלתי (μg· L-1)	ריכוז סופי ללא מינון פעילי שטח (μg· L-1)	ריכוז סופי במינון פעילי שטח (μg· L-1)
PFDA	ג10מהו19או2	6.2	0.12	0.12
PFNA	ג9מהו17או2	11.8	0.41	0.47
PFOS	ג8HF17O3S	8.7	0.65	0.22
PFOA	ג8HF15O2	16.3	1.20	0.52
PFHpA	ג7מהו13או2	13.9	3.94	0.17
PFBS	ג4מהו9או3שניות	19.1	16.37	0.90
PFBA	ג4מהו7או2	10.3	12.69	4.81

טבלה 1: ריכוזים של תרכובות PFAS זינקו לשפכים מלאכותיים לפני ואחרי הטיפול, עם ובלי מינון Hyamine 1622.

שם	נוסחה	ריכוז התחלתי / מיקרוגרם· ל-1	ריכוז סופי ללא מינון פעילי שטח (μg· L-1)	ריכוז סופי במינון פעילי שטח (μg· L-1)
PFOS	ג8HF17O3S	5.0	4.3	<0.03
PFOA	ג8HF15O2	2.4	0.8	<0.02
PFHpA	ג7מהו13או2	0.9	0.4	<0.05
PFHxS	ג6HF13O3שניות	0.6	0.2	<0.05
PFHxA	ג6HF11O2	5.5	3.6	0.3
PFPeA	ג5HF9O2	2.3	2.2	1.4
PFBS	ג4מהו9או3שניות	23.8	17.9	1
PFBA	ג4מהו7או2	2.7	3	2.6

טבלה 2: ריכוזים של תרכובות PFAS במי תהום לפני ואחרי הטיפול, עם ובלי מינון Hyamine 1622.

חומר	ללא פעילי שטח		עם חומר פעילי שטח
	0 דק'	75 דק'	0 דק'	75 דק'
פחמן אנאורגני	562	475	641	480
סה"כ פחמן אורגני	252	226	257	221
סולפט	396	426	420	442
כלוריד	2000	2160	2000	2160
נתרן	1692	1756	1660	1788
אשלגן	552	578	532	588
מגנזיום	133	122	128	117

טבלה 3: שינויים בתכולת המים של חומרים מסוימים במ"ג· ^L-1 במי תהום לפני ואחרי טיפול עם ובלי מינון פעילי שטח.

Discussion

לפני תחילת ניסויים, יש לבדוק היטב את כל חיבורי החשמל. לפני אינטראקציה עם רכיבי מתח גבוה, יש להשתמש במקל הארקה כדי לפרוק כל מטען שיורי במעגל. יש ליישם אמצעי בטיחות מקיפים אלה כדי להפחית את הסיכון להתחשמלות בשוגג, גם במקרים של פיקוח פרוצדורלי (מתגי דלתות, נגד דימום המחובר לקבלים וכו'), מכיוון שקבלי מתח גבוה יכולים להיטען עקב אפקט זיכרון, חשמל סטטי אטמוספרי או קרינה קוסמית. סדר הגודל של האנרגיה המאוחסנת שלהם בניסויים אלה הוא בדרך כלל ^{10-1-10 1} J, ומסוכן אפילו קטלני. לכן שלבים 1.1 ו-2.1.1 הם קריטיים להבטחת פעולה בטוחה של המערכת. לפני הפעלת המערכת, יש לבדוק את ההתקנה לאיתור דליפות פאזה גזית ונוזלית בכור. גזים הנוצרים בפלזמה מכילים מינים תגובתיים שעלולים להוות סכנות שאיפה, מה שהופך את שלבים 1.4 ו-2.1.2 לחשובים במיוחד. כל הכניסות והיציאות של תא התפעול חייבים להיות מקורקעים. מארז הכור צריך להיות בנוי ממתכת ומוארק כהלכה כדי להבטיח פעולה בטוחה. בנוסף, אימות היעדר נזילות מים הוא חיוני, שכן תרכובות PFAS מסווגות כחומרי CMR ואסור לאפשר להן לזהם את סביבת המעבדה. לכן, יש להקדיש תשומת לב מיוחדת לשלב 1.3 לפני תחילת הניסוי.

במחקר זה, הביצועים הגבוהים ביותר הושגו עם פריקות הבזק. אופן פריקה זה הביא לייצור RONS גדול יותר (איור 10) ולהשפלה גבוהה יותר של PFOS (איור 11) תוך שהוא דורש פחות הספק מאשר סוגי הפריקה האחרים שנבדקו (איור 9). למרות שפריקות הבזק הראו ביצועים מעולים, המימוש שלהן מציב אתגרים בשל הדרישה של שני ערוצים טעונים הפוכים המחוברים לאותו קבל. הרחבת גישה זו מחייבת אספקת חשמל חזקה יותר. בהגדרה הנוכחית שלנו, שנאי ממיר מתח ראשי AC (עד 220 וולט) למתח גבוה AC (עד 10 קילו וולט), אשר מתוקן לאחר מכן ל- DC באמצעות דיודות. בעוד שאות ה-DC המתקבל מתקרב לצורת גל DC אידיאלית, תנודות קלות נשארות³⁴. תכנון המעגלים שלנו מספק גמישות תפעולית על פני מספר משטרים. עם זאת, יישומים בקנה מידה גדול ידרשו ספקי כוח DC במתח גבוה, הפועלים בדרך כלל עם קוטביות אחת ופלט מתח גבוה יחיד, ומגבילים את היכולת לעבוד עם מספר קוטביות בו זמנית.

פריקות קשת AC ו-DC לא נבדקו לפירוק מיקרו-מזהמים בשל צריכת האנרגיה הגבוהה משמעותית שלהם, מה שיהפוך את היישום התעשייתי שלהם לבלתי אפשרי מבחינה כלכלית, במיוחד במקרה של פלזמת DC. במחקר קודם⁸ הוכח כי הגדלת אזור הפנים של פלזמה-נוזל משפרת את ייצור ה-RONS לאותה קלט אנרגיה, ובכך משפרת את יעילות פירוק המיקרו-מזהמים. במעגלים החשמליים שלנו (איור 3A, איור 4, איור 5 ואיור 6), דיודות ממירות הספק AC ל-DC עבור טעינת הקבלים, האנרגיה המאוחסנת שלהם מופצת על גבי גיאומטריות האלקטרודות כדי ליצור פריקות פלזמה מרובות בפולסים.

בלחץ אטמוספרי ובתנאים סטנדרטיים, פריקת זוהר יציבה יכולה להתקיים רק באמצעות גזים אצילים בעלי אנרגיות יינון גבוהות, כגון הליום (אנרגיית יינון ראשונה 24.6 eV) או ניאון (אנרגיית יינון ראשונה 21.6 eV)³⁵. ארגון, עם אנרגיית יינון ראשונה של 15.8 eV³⁵, אינו תומך בפריקת זוהר יציבה בתנאים אלה. עם זאת, עדיין ניתן ליצור פריקת זוהר באוויר באמצעות הפעלת שדה מגנטי חיצוני לייצוב פלזמה³⁶. העלות הגבוהה של שימוש בגז אציל הפכה את פריקת הזוהר לבלתי מתאימה לפירוק מיקרו-מזהמים במחקר זה.

כפי שנדון בהקדמה, שיטות טיפול קונבנציונליות כגון ספיחה, סינון ממברנה ותהליכי חמצון מתקדמים מתמודדות עם מגבלות משמעותיות בטיפול יעיל בזיהום PFAS. פריקת פלזמה מהווה אלטרנטיבה מבטיחה לפירוק PFAS, עם צריכת אנרגיה מדווחת הנעה בין מספר קוט"^מ-3 ליותר מ-1000 קוט"^מ-3, תלוי בגורמים כמו ריכוז מיקרו-מזהמים, הרכב הדגימה ופרמטרי הפלזמה 29,37,38,39,40,41. עם זאת, PFAS קצרי שרשרת נשארים עמידים במיוחד בפני השפלה, ותוצרי לוואי קצרי שרשרת, כגון PFBA, זוהו כמתווכים בפירוק PFAS ארוך שרשרת.

החידוש בעבודתנו טמון בשילוב של כור פלזמה היפרבולי עם מינון פעילי שטח קטיוני היאמין 1622, המשפר משמעותית את שיעורי הפירוק, כולל עבור PFAS קצר שרשרת (איור 13). תכנון כור זה מגדיל את אזור הפלזמה-נוזל ומאפשר ערבוב משופר דרך מערבולת המים. ב-75 דקות של טיפול בקלט אנרגיה מתון של 1.2 קוט"^ש-מ"ק, המערכת שלנו משיגה פירוק של 95-100% של רוב ה-PFAS (למעט PFBA, שעדיין מראה הסרה של 53%). תוצאות אלו עולות על מחקרים רבים בפלזמה בלבד ומדגימות כי הגישה שלנו יכולה להשיג מינרליזציה עמוקה של PFAS תחת קלט אנרגיה נמוך יחסית. עם זאת, מחקר זה נערך בקנה מידה מעבדתי. כדי לשפר את היישום המעשי שלו, נדרשת הרחבה, כולל שינויים בגיאומטריה של הכור - במיוחד הרחבת החלק הגלילי העליון - כדי להגדיל את נפח המים המטופלים ולהכיל אלקטרודות נוספות. שינויים אלה ישפרו את האינטראקציה בין פלזמה למים וישפרו את יעילות הטיפול. בעוד שהתכנון החשמלי של הכור מאפשר קנה מידה פשוט, הגדלת הכוח התפעולי דורשת ספקי כוח חזקים יותר ואמצעי בטיחות משופרים כדי להבטיח ביצועים יציבים ויעילים בקנה מידה גדול יותר. הגדלת המערכת תחייב הגדלת הספקת-הכוח וגודל בנק הקבלים, מה שמציב חששות בטיחותיים משמעותיים. כל הרכיבים החשמליים חייבים להיות מסודרים בקפידה ולמקם אותם בסמיכות לכור תוך שהם נשארים בלתי נגישים במהלך הפעולה. כדי להבטיח פריקה בטוחה, כל קבל חייב להיות מוארק בנפרד לאחר השימוש, מה שדורש מתגי הארקה ייעודיים, מכיוון שלא ניתן לחבר ביניהם ויש לבודד אותם זה מזה עם דיודות להפרדת זרם ישר. בנוסף, רמות הספק גבוהות יותר ייצרו שדות אלקטרומגנטיים חזקים יותר שעלולים להפריע למכשור סמוך. לכן, גם הכור וגם הציוד שמסביב צריכים להיות מוגנים כראוי, רצוי בתוך כלוב פאראדיי. שליטה מדויקת במערבולת המים היא חיונית, שכן ביצועי פריקת הפלזמה רגישים מאוד לתנאי הזרימה ולגיאומטריית המשפך. זה מחייב מערכת בקרה הידראולית מתוכנתת היטב. יתר על כן, הכור חייב להיות מבודד כראוי, מחובר למערכת אוורור ומצויד בכניסת גז לטיהור. אם צפויים ריכוזים גבוהים של תוצרי לוואי מופלרים נדיפים, כגון מימן פלואוריד, יש ליישם צעדים משלימים לטיפול בגז. אלה עשויים לכלול מערכות קרצוף יבשות או רטובות^42,43, או יישום של סופגים על בסיס סידן⁴⁴.

ניתן להפחית את צריכת האנרגיה של הכור בקנה מידה פיילוט באמצעות הוספת חומרים פעילי שטח, המרכזים PFAS בממשק אוויר-מים. על ידי הפחתת יחס פני השטח לנפח, תרכובות PFAS הופכות למקומיות יותר בממשק, ומאפשרות לפלזמה לקיים אינטראקציה עם ריכוז גבוה יותר של תרכובות מטרה ליחידת שטח, ובכך להגדיל את יעילות הפירוק לכל פריקה. עם זאת, הגדלת נפח המים הכולל עשויה להאריך את משך הטיפול הנדרש, מה שעלול לקזז את החיסכון באנרגיה. שימוש בספק-כוח DC מתח גבוה והספק גבוה עבור טעינת קבלים מאפשר בקרה מדויקת של כניסת האנרגיה, ומאפשר הערכה שיטתית של משטרי אנרגיה שונים עבור אופטימיזציה.

מחקר עתידי יתמקד בהרחבת הטכנולוגיה בהתבסס על העקרונות התפעוליים המתוארים כדי להשיג יכולת טיפול של 1 מ'³·^h-1 ליישומים בקנה מידה פיילוט. בנוסף, חקירה מפורטת של תוצרי פירוק היא חיונית, עם עניין מיוחד בהיווצרות ופירוק של ה-PFAS קצר השרשרת, חומצה טריפלואורואצטית, כמו גם מוצרי טרנספורמציה פוטנציאליים אחרים. מחקרים נוספים ישאפו גם לזהות חומר פעילי שטח קטיוני יעיל, מתכלה וחסכוני המסוגל לשפר את פירוק PFAS באמצעות היווצרות משופרת של קומפלקסים פעילי שטח-PFAS.

Materials

List of materials used in this article

Name	Company	Catalog Number	Comments
נגדי גלישה	טדס	RCR42G206JS	20 MOhm
מחברי BNC	אליאקספרס	לא ישים	מתאם BNC
קבל	אנקסון	AXCT8GD202K40DB	40 קילו וולט 2000 pF
פעילי שטח קטיוניים	סיגמא-אולדריץ'	ברקוד 51126-1L-F	תמיסת היאמין 1622
עמודה	אג'ילנט	זורבקס אקליפס פלוס C18 RRHD	1.8 μ מ, 50 ופעמים; 2.1 מ"מ
שנאי זרם	מגנאלאב	CT-F0.25-S
אוגר נתונים	Endress+Hauser	ס"מ 442	ליקווילין
מתגי דלת	QWORK	ME-8104	10 אמפר 250 וולט AC
משאבת מינון	KNF	1.10 TT.18RC2	פם
ד"ר ואומל; חיישן GER	ד"ר ואומל; גר	אקס-אם 5000	O2, O3, NO2
חיישן EC	אנדרס והאוזר	CLS15E	מזכרים
אלקטרודות	אליאקספרס	לא ישים	מוט הצתה קרמי
אלקטרודת פלואוריד	מטלר טולדו	שלמות
מכסה משפך	בהתאמה אישית	לא ישים	PVC matetial
מקל הארקה	בהתאמה אישית	לא ישים
גז הליום	ווסטפאלן	האו"ם 1046	99.999 כרך % עב
דיודת מתח גבוה	איביי	FHVP5446	1p 5A 40kV
בדיקה במתח גבוה	כוכב הצפון מתח גבוה	PVM-5
משפך היפרבולי	בהתאמה אישית	לא ישים	חומר זכוכית
LC/MS	אג'ילנט טכנולוגיות	6420 משולש מרובע LC/MS	סנטה קלרה, קליפורניה, ארה"ב
שנאי נואן	פ/ארט	SBD63HT2X	10000 וולט 18mA
חיישן ORP	אנדרס והאוזר	CPS12D	מזכרות
משאבה פריסטלטית	מאסטרפלקס L/S	13-200-007	MFLX7771236
PFBA	סיגמא-אולדריץ'	375-22-4	PFAS לניסויים
PFBS	סיגמא-אולדריץ'	375-73-5	PFAS לניסויים
PFDA	סיגמא-אולדריץ'	335-76-2	PFAS לניסויים
PFHpA	סיגמא-אולדריץ'	375-85-9	PFAS לניסויים
PFNA	סיגמא-אולדריץ'	375-95-1	PFAS לניסויים
PFOA	סיגמא-אולדריץ'	335-67-1	PFAS לניסויים
PFOS	סיגמא-אולדריץ'	1763-23-1	PFAS לניסויים
חיישן pH	אנדרס והאוזר	CPS11D	Memosens Orbisint
לוח בקרה של מנעול בטיחות	בהתאמה אישית	לא ישים
פער ניצוצות	בהתאמה אישית	לא ישים
וריאק	Weltechniek	TDGC2-1K	4א
מאגר מים	בהתאמה אישית	לא ישים	חומר זכוכית