Implementatie van een hyperbolische vortex plasmareactor voor de verwijdering van microverontreinigingen in water

De focus van ons onderzoek is het optimaliseren van plasmalozing voor de afbraak van microverontreinigingen in water, wat tegenwoordig een groeiend milieuprobleem is. We ontdekten dat door de plasmaafvoer te optimaliseren en kationische oppervlakteactieve stoffen zorgvuldig te doseren, we bijna 100% PFAS-afbraak kunnen bereiken met slechts een matige energie-input. Plasmabehandeling is doorgaans een energie-intensief proces.

Door plasmapulsen toe te passen, kan het energieverbruik echter aanzienlijk worden verminderd en tegelijkertijd de prestaties verbeteren. En in deze studie laten we zien hoe we deze optimalisatie kunnen bereiken. Gebruik na het instellen van het hyperbolische vortexplasma het elektrische circuit dat is ontworpen voor de gelijkstroomboogontladingsopstelling.

Sluit de positieve en negatieve hoogspanningsuitgangen van de bruggelijkrichter aan op de elektroden die boven het oppervlak van de waterwerveling zijn geplaatst. Steek de variac in een 230 volt wisselstroomstopcontact en schakel de rode veiligheidsschakelaar uit om hoogspanning in te schakelen. Verhoog met behulp van de variac geleidelijk de spanning van nul naar 250 volt om de plasmaontlading te ontsteken.

Gebruik vervolgens het elektrische circuit dat is geconfigureerd voor wisselstroomboogontlading. Sluit vervolgens beide hoogspanningsuitgangen aan op de elektroden die zich boven het oppervlak van de waterwerveling bevinden. Na het aansluiten van de variac en het loskoppelen van de eerder getoonde veiligheidsschakelaars, verhoogt u geleidelijk de spanning van nul volt naar 250 volt om de plasmaontlading te ontsteken.

Gebruik vervolgens het hier getoonde elektrische circuit om een gloeiontlading uit te voeren in een heliumatmosfeer. Sluit de hoogspanningsuitgangen van het elektrische circuit aan op de elektroden die boven het oppervlak van de waterwerveling zijn geplaatst. Zodra de variac is aangesloten en de veiligheidsschakelaar is uitgeschakeld, opent u de gasklep om helium met het gewenste debiet in te voeren.

Verhoog vervolgens met behulp van de variac langzaam de spanning om de plasmaontlading te ontsteken totdat er een elektrische storing optreedt tussen de elektroden en het plasma verschuift van gloeiontlading naar boogontlading. Om de bipolaire flashover-pulsontlading te starten, gebruikt u vervolgens het elektrische circuit zoals weergegeven in het schema, sluit u de hoogspanningsuitgangen aan op de elektroden, variac op een 230 volt wisselstroomstopcontact en schakelt u de veiligheidsschakelaar uit. Verhoog vervolgens geleidelijk de spanning van nul naar 250 volt om de plasmaontlading te ontsteken.

Gebruik voor monopolaire gepulseerde streamerontladingen het circuit dat in het schema wordt weergegeven voor positieve of negatieve ontlading, indien nodig. Sluit de tegenoverliggende klem aan op een zichtbare vonkbrug en massa-elektrode. Sluit de rest van de hoogspanningsuitgangen aan op de elektroden die zich boven het oppervlak van de waterwerveling bevinden.

Open vervolgens de gasklep en stel de persluchtstroom in op 0,5 tot één atmosfeer om de vonkbrug te ontluchten. Nadat u de variac hebt aangesloten en de veiligheidsschakelaar hebt ingedrukt, ontsteekt u de plasmaontlading zoals eerder weergegeven. Om het experiment te beëindigen, verlaagt u de variac-spanning, schakelt u de voeding uit en schakelt u de veiligheidsschakelaar in.

Sluit vervolgens alle gaskleppen voor helium en perslucht als deze tijdens het experiment zijn gebruikt. Raak met een aardingsstok alle metalen onderdelen aan om te controleren of ze goed geaard zijn. Van de drie lozingen genereerde flashover de hoogste concentraties waterstofperoxide met ongeveer 450 milligram per liter, nitriet met ongeveer 90 milligram per liter en nitraat met ongeveer 340 milligram per liter.

De flashover-ontlading veroorzaakte de meest uitgesproken daling van de pH, waardoor deze daalde van ongeveer 5,5 naar 2,3. De elektrische geleidbaarheid was het hoogst in de met flashover behandelde monsters, tot ongeveer 2.300 microsiemens per centimeter. Het oxidatie-reductiepotentieel nam het meest significant toe in de flashover-ontlading, tot ongeveer 600 millivolt.

Flashover-ontlading bereikte de snelste en meest volledige PFOS-afbraak voor beide beginconcentraties, met een conversie van bijna 100% na 60 minuten, waarmee hij beter presteerde dan de positieve en negatieve ontladingen. In de PFAS-matrix, zonder oppervlakteactieve stof, vertoonden verbindingen met lange ketens zoals PFDA, PFNA, PFOS en PFOA na 75 minuten een afbraak van meer dan 90%. Daarentegen bleven soorten met een korte keten, zoals PFBS en PFBA, grotendeels ongesorteerd of namen ze in concentratie toe als gevolg van de vorming van bijproducten.

Met toevoeging van oppervlakteactieve stoffen werden alle PFAS-verbindingen met een lange keten afgebroken tot meer dan 95% en verbeterde de afbraak van verbindingen met een korte keten, zoals PFBA, van min 19% tot ongeveer 53% en PFBS van 22% tot ongeveer 95%. De concentratie van PFHxA begon na 20 minuten af te nemen en PFPeA daalde na 30 minuten behandeling met dosering van oppervlakteactieve stoffen, wat wijst op progressieve afbraak van PFAS-bijproducten.