Implementazione di un reattore al plasma a vortice iperbolico per la rimozione di microinquinanti in acqua

L'obiettivo della nostra ricerca è ottimizzare lo scarico plasmatico per la degradazione dei microinquinanti nell'acqua, che è una crescente preoccupazione ambientale al giorno d'oggi. Abbiamo scoperto che ottimizzando la scarica al plasma e dosando attentamente i tensioattivi cationici, possiamo raggiungere quasi il 100% di degradazione dei PFAS utilizzando solo un moderato apporto di energia. Il trattamento al plasma è in genere un processo ad alta intensità energetica.

Tuttavia, applicando impulsi al plasma, il consumo di energia può essere ridotto in modo significativo migliorando le prestazioni. E in questo studio, dimostriamo come ottenere questa ottimizzazione. Dopo aver impostato il plasma a vortice iperbolico, utilizzare il circuito elettrico progettato per la configurazione della scarica ad arco in corrente continua.

Collegare le uscite ad alta tensione positiva e negativa dal raddrizzatore a ponte agli elettrodi posizionati sopra la superficie del vortice d'acqua. Collegare il variac a una presa di corrente alternata da 230 volt e spegnere l'interruttore di sicurezza rosso per abilitare l'alta tensione. Utilizzando il variac, aumentare gradualmente la tensione da zero a 250 volt per accendere la scarica di plasma.

Successivamente, utilizzare il circuito elettrico configurato per la scarica dell'arco in corrente alternata. Quindi collegare entrambe le uscite ad alta tensione agli elettrodi situati sopra la superficie del vortice d'acqua. Dopo aver collegato il variac e disinserito gli interruttori di sicurezza mostrati in precedenza, aumentare gradualmente la tensione da zero volt a 250 volt per accendere la scarica di plasma.

Successivamente, per eseguire una scarica a bagliore in un'atmosfera di elio, utilizzare il circuito elettrico mostrato qui. Collegare le uscite ad alta tensione del circuito elettrico agli elettrodi posizionati sopra la superficie del vortice d'acqua. Una volta collegato il variac e disinserito l'interruttore di sicurezza, aprire la valvola del gas per introdurre l'elio alla portata desiderata.

Quindi, utilizzando il variac, aumentare lentamente la tensione per accendere la scarica del plasma fino a quando non si verifica una rottura elettrica tra gli elettrodi e il plasma passa dalla scarica a bagliore alla scarica ad arco. Successivamente, per avviare la scarica dell'impulso di flashover bipolare, utilizzare il circuito elettrico come mostrato nello schema, collegare le uscite ad alta tensione agli elettrodi, commutare su una presa di corrente alternata da 230 volt e disinnestare l'interruttore di sicurezza. Quindi aumentare gradualmente la tensione da zero a 250 volt per accendere la scarica di plasma.

Per le scariche streamer pulsate monopolari, utilizzare il circuito mostrato nello schema per la scarica positiva o negativa a seconda delle necessità. Collegare il terminale opposto a uno spinterometro visibile e all'elettrodo di terra. Collegare il resto delle uscite ad alta tensione agli elettrodi situati sopra la superficie del vortice d'acqua.

Quindi aprire la valvola del gas e regolare il flusso d'aria compressa a 0,5 in un'atmosfera per spurgare lo spinterometro. Dopo aver collegato il variac e innestato l'interruttore di sicurezza, accendere la scarica di plasma come mostrato in precedenza. Per terminare l'esperimento, ridurre la tensione variac, spegnere l'alimentazione e attivare l'interruttore di sicurezza.

Quindi chiudere tutte le valvole del gas per l'elio e l'aria compressa se sono state utilizzate durante l'esperimento. Utilizzando uno stick di messa a terra, toccare tutti i componenti metallici per verificare che siano correttamente collegati a terra. Tra le tre scariche, il flashover ha generato le più alte concentrazioni di perossido di idrogeno a circa 450 milligrammi per litro, nitrito a circa 90 milligrammi per litro e nitrato a circa 340 milligrammi per litro.

La scarica di flashover ha causato il calo più pronunciato del pH, riducendolo da circa 5,5 a 2,3. La conducibilità elettrica era più alta nei campioni trattati con flashover, raggiungendo circa 2.300 microsiemens per centimetro. Il potenziale di ossido-riduzione è aumentato in modo più significativo nella scarica flashover, raggiungendo circa 600 millivolt.

La scarica flashover ha raggiunto la degradazione PFOS più rapida e completa per entrambe le concentrazioni iniziali, raggiungendo quasi il 100% di conversione entro 60 minuti, superando le scariche positive e negative. Nella matrice PFAS, senza tensioattivo, i composti a catena lunga come PFDA, PFNA, PFOS e PFOA hanno mostrato una degradazione superiore al 90% dopo 75 minuti. Al contrario, le specie a catena corta, come PFBS e PFBA, sono rimaste in gran parte non classificate o sono aumentate in concentrazione a causa della formazione di sottoprodotti.

Con l'aggiunta di tensioattivo, tutti i composti PFAS a catena lunga sono stati degradati oltre il 95% e la degradazione dei composti a catena corta, come il PFBA, è migliorata da meno 19% a circa il 53% e PFBS dal 22% a circa il 95%La concentrazione di PFHxA ha iniziato a diminuire dopo 20 minuti e la PFPeA è diminuita dopo 30 minuti di trattamento con dosaggio di tensioattivo, indicando una progressiva degradazione dei sottoprodotti PFAS.