Wdrożenie hiperbolicznego reaktora plazmowego wirowego do usuwania mikrozanieczyszczeń z wody

Summary

W pracy przedstawiono metodologię wytwarzania sześciu różnych typów wyładowań plazmowych w reaktorze plazmowym z wirem hiperbolicznym do degradacji mikrozanieczyszczeń w wodzie, w tym farmaceutyków oraz substancji per- i polifluoroalkilowych (PFAS).

Abstract

Obecność mikrozanieczyszczeń w wodzie jest coraz bardziej palącym problemem środowiskowym. Podczas gdy niektóre mikrozanieczyszczenia łatwo ulegają biodegradacji, inne, takie jak substancje per- i polifluoroalkilowe (PFAS), są niezwykle trwałe i odporne na konwencjonalne technologie uzdatniania wody. Oczyszczanie plazmowe jest od dziesięcioleci badane pod kątem odkażania wody i ścieków, a ostatnie badania wykazały jego wysoką skuteczność w degradacji zarówno krótko-, jak i długołańcuchowych PFAS. W tym przypadku przetwarzanie odpadów za pomocą plazmy jest połączone ze swobodnym powierzchniowym hiperbolicznym wirem wodnym, który ma współczynnik objętościowego przenoszenia masy tlenu przewyższający współczynnik podobnych systemów. Do takich zastosowań można stosować różne rodzaje wyładowań plazmowych, z których każde wymaga określonych konfiguracji zasilania i strategii operacyjnych. W szczególności wykorzystanie sygnałów impulsowych stanowi wyjątkowe wyzwanie inżynieryjne. Niniejsze badanie bada generowanie i charakterystykę sześciu różnych typów wyładowań plazmowych w reaktorze plazmowym z wirem hiperbolicznym: pulsacyjne monopolarne (ujemne i dodatnie), pulsacyjne bipolarne "rozgorzenie", łuk AC i DC oraz wyładowanie jarzeniowe. Przeanalizowano charakterystyki impulsowe wyładowań monopolarnych i bipolarnych impulsowych oraz oceniono ich skuteczność w degradacji PFAS. Spośród badanych konfiguracji, bipolarne wyładowanie rozgorzenia wykazało najwyższą efektywność degradacji w reaktorze plazmowym z wirem hiperbolicznym. Jednak jego praktyczne wdrożenie wiąże się z poważnymi wyzwaniami inżynieryjnymi, co sprawia, że jego wykorzystanie na większą skalę jest wyzwaniem.

Introduction

Struktury spiralne mają fundamentalne znaczenie dla przyrody, wpływając na zjawiska od mikroskopijnego ułożenia DNA po rozległe formacje galaktyk ^1,2. W dynamice płynów przepływy spiralne wykazują unikalne właściwości mieszania, przenoszenia energii i stabilności, które można wykorzystać do innowacyjnych zastosowań inżynieryjnych³. Zainspirowane tymi naturalnymi wzorcami przepływu, hiperboliczne wiry wodne zostały zbadane pod kątem ich potencjału w zwiększaniu napowietrzania i umożliwianiu zaawansowanych technologii uzdatniania wody 4,5,6,7. W niniejszym badaniu zbadano integrację dynamiki wirów hiperbolicznych z wyładowaniami plazmowymi w celu degradacji trwałych mikrozanieczyszczeń, w szczególności substancji per- i polifluoroalkilowych (PFAS).

Początkowe badania nad lejkami hiperbolicznymi były motywowane ich skutecznością w napowietrzaniu, kluczowym procesie uzdatniania wody. Te geometrycznie ograniczone wiry znacznie zwiększają interakcje gaz-ciecz, zwiększając w ten sposób szybkość transferu tlenu przy jednoczesnym zminimalizowaniu zużycia energii⁷. Szczegółowe wyjaśnienie powstawania i działania hiperbolicznych wirów wodnych znajduje się w innym miejscu⁶. Wkrótce stało się jasne, że wysoki stopień wymieszania i zwiększenie powierzchni, które skutkowały tak wysoką zdolnością napowietrzania, można dalej wykorzystać do degradacji zanieczyszczeń. Opierając się na tym pomyśle, wyładowanie plazmowe zostało wprowadzone do systemu wirowego, tworząc nowatorskie hybrydowe podejście do usuwania mikrozanieczyszczeń⁸.

Mikrozanieczyszczenia, w tym farmaceutyki, pestycydy i PFAS, stanowią poważne wyzwanie dla środowiska i zdrowia publicznego ze względu na ich trwałość i odporność na konwencjonalne metody uzdatniania wody⁹. Wśród nich PFAS – powszechnie określane jako "wieczne chemikalia" – są szczególnie problematyczne ze względu na ich silne wiązania węgiel-fluor, które nadają ekstremalną stabilność i potencjał bioakumulacji^10,11.

W celu rozwiązania problemu zanieczyszczenia PFAS opracowano szeroką gamę technologii, w tym adsorpcję przy użyciu węgla aktywnego^12,13 i separację membranową¹⁴. Chociaż metody te są skuteczne w wychwytywaniu PFAS, są nieniszczące i generują wtórne strumienie odpadów. Węgiel aktywny staje się kosztowny ze względu na częste potrzeby regeneracji - zwłaszcza przy dużych obciążeniach PFAS - i konkuruje z współzanieczyszczeniami, podczas gdy systemy membranowe koncentrują PFAS w solankach odpadowych wymagających dalszej obróbki.

Zaawansowane procesy utleniania (AOP), takie jak utlenianie elektrochemiczne, ozonowanie, systemy oparte na promieniowaniu UV i utlenianie wody w stanie nadkrytycznym, mają na celu degradację PFAS, a nie ich rozdzielanie^15,16. Jednak często cierpią one z powodu wysokiego zapotrzebowania na energię, słabej selektywności (szczególnie w przypadku krótkołańcuchowych PFAS) oraz wytwarzania szkodliwych produktów ubocznych lub niepełnej degradacji.

Technologie plazmowe zyskały ostatnio uwagę jako obiecująca metoda destrukcyjna, oferująca szybką degradację PFAS na całej długości łańcucha 17,18,19,20. Jednak większość badań wskazuje na zmniejszoną wydajność krótkołańcuchowych PFAS, które są często wytwarzane jako pośrednie produkty uboczne podczas procesu oczyszczania. Ponadto sama obróbka plazmowa może być energochłonna i trudna do skalowania.

Zbadano różne rodzaje wyładowań plazmowych do zastosowań związanych z uzdatnianiem wody. Należą do nich wyładowania jarzeniowe i łukowe prądu stałego (DC), wyładowania prądu przemiennego (AC), impulsowe wyładowania koronowe, wyładowania bariery dielektrycznej (DBD) i wyładowania łuku ślizgowego 8,21,22,23,24. Każdy rodzaj wyładowania plazmowego wykazuje odrębne cechy w zakresie wytwarzania form reaktywnych, dystrybucji energii i szlaków degradacji zanieczyszczeń. Podczas gdy wyładowanie jarzeniowe działa w niższych temperaturach i zapewnia równomierną jonizację, wyładowanie łukowe zapewnia intensywne miejscowe ogrzewanie, dzięki czemu skutecznie rozkłada trwałe zanieczyszczenia organiczne 25,26,27. Wyładowania impulsowe, takie jak monopolarna i bipolarna plazma impulsowa, charakteryzują się wysoką gęstością energii i generowaniem przejściowych form reaktywnych, które przyczyniają się do zwiększenia wydajności degradacji mikrozanieczyszczeń przy umiarkowanym zapotrzebowaniu na energię⁸.

Badanie to demonstruje metodę generowania i działania sześciu różnych typów wyładowań plazmowych w reaktorze plazmowym z wirem hiperbolicznym: (i) pulsacyjne monopolarne ujemne, (ii) pulsacyjne monopolarne dodatnie, (iii) pulsacyjne bipolarne "rozgorzenie", (iv) łuk prądu przemiennego, (v) łuk prądu stałego, oraz (vi) wyładowanie jarzeniowe. Każdy z tych trybów wyładowań ma unikalne interakcje z wirem hiperbolicznym, wpływając na wytwarzanie reaktywnych form tlenu i azotu (RONS), promieniowania ultrafioletowego, fal uderzeniowych, energetycznych elektronów i solwatowanych elektronów, z których wszystkie przyczyniają się do degradacji zanieczyszczeń. Konfiguracje elektrod dla każdego typu wyładowania plazmowego wykorzystanego w eksperymentach przedstawiono na rysunku 1. Integracja takich trybów wyładowań plazmowych z mieszaniem indukowanym wirami umożliwia lepszy transfer masy i lepszy kontakt między zanieczyszczeniami a reaktywnymi formami, co skutkuje bardziej efektywną degradacją mikrozanieczyszczeń.

Jak wykazano w ^28,29, dodanie kationowego środka powierzchniowo czynnego dodatkowo zwiększa wydajność degradacji poprzez promowanie transportu cząsteczek PFAS do granicy faz plazma-woda, gdzie zachodzą najbardziej intensywne procesy reaktywne. Wyniki wskazują, że system ten osiąga niemal całkowitą degradację PFAS przy jednoczesnym zachowaniu wykonalności operacyjnej.

Ponadto, jak wykazano w innym miejscu³⁰, próbki zanieczyszczone PFAS poddane działaniu reaktora plazmowego z wirem hiperbolicznym w atmosferze powietrza nie wykazywały wzrostu cytotoksyczności ani genotoksyczności. Odkrycia te dodatkowo potwierdzają potencjał tej technologii jako obiecującego podejścia do usuwania PFAS.

Implikacje tych badań wykraczają poza degradację PFAS. Połączenie mieszania indukowanego wirem hiperbolicznym i obróbki plazmowej oferuje skalowalne i elastyczne rozwiązanie dla różnych wyzwań związanych z uzdatnianiem wody, od usuwania zanieczyszczeń organicznych po lepsze natlenienie. Przyszłe badania będą koncentrować się na optymalizacji konfiguracji reaktorów, badaniu losu produktów ubocznych degradacji oraz ocenie długoterminowej wydajności systemu w rzeczywistych zastosowaniach.

Łącząc inspirowaną naturą dynamikę płynów z zaawansowaną chemią plazmy, badanie to toruje drogę do bardziej zrównoważonych i skutecznych technologii uzdatniania wody, które rozwiązują krytyczne problemy środowiskowe przy jednoczesnym zmniejszeniu zużycia energii i zasobów.

Protocol

1. Zalecenia ogólne

1. Przed przystąpieniem do obsługi zestawu eksperymentalnego należy rozładować nagromadzony ładunek statyczny, dotykając części przewodzących drążkiem uziemiającym.
2. Sprawdź wszystkie połączenia hydrauliczne i elektryczne zestawu pod kątem integralności i prawidłowego działania.
3. Uruchomić pompy przy niskim natężeniu przepływu (80 L·^h-1) przy użyciu czystej wody i sprawdzić, czy nie ma wycieków.
4. Upewnij się, że reaktor jest wolny od wycieków gazu, przepłukując go sprężonym powietrzem o sile 1 atm i nakładając roztwór wody z mydłem na wszystkie połączenia.
   UWAGA: Jeśli po wykonaniu kroku 1.4 pojawią się pęcherzyki, oznacza to wyciek gazu, który należy zidentyfikować i uszczelnić przed zabiegiem.

2. Konfiguracja eksperymentalna

1. Układ plazmy wirowej hiperbolicznej (rysunek 2)
   1. Rozładuj wszystkie metalowe elementy, dotykając ich drążkiem uziemiającym.
      UWAGA: Jeśli po pracy z wysokim napięciem pojawi się ładunek resztkowy, między drążkiem uziemiającym a naładowanym elementem pojawi się widoczna i słyszalna iskra.
   2. Aktywuj czujnik Dräger (12 na rysunku 2), naciskając i przytrzymując przycisk OK przez trzy sekundy, aby umożliwić wykrywanie ozonu, azotynów i tlenu generowanych przez plazmę. Umieść czujnik w prawej szafce, aby sprawdzić, czy nie ma potencjalnych wycieków gazu.
   3. Podłącz zbiornik na wodę (14 na rysunku 2) zawierający wodę dejonizowaną do zestawu za pomocą wyznaczonego przewodu wężowego.
   4. Uruchom pompę pierwotną, naciskając przycisk odtwarzania , aby wprowadzić wodę do lejka hiperbolicznego, zapewniając natężenie przepływu 85 L·^h-1, które nieznacznie przekracza próg wymagany do wytworzenia pożądanego wiru⁶.
      UWAGA: Przy wyższych natężeniach przepływu poziom wody w reaktorze może wzrosnąć nieco powyżej optymalnego poziomu wymaganego do stabilnej pracy.
   5. Uruchom pompę wtórną, naciskając przycisk odtwarzania , zapewniając natężenie przepływu 10 L·^h-1 w celu wydobycia wody z górnej części lejka hiperbolicznego, stabilizując w ten sposób poziom wody i utrzymując stałą odległość między elektrodami a powierzchnią wody.
      UWAGA: Użycie zarówno pompy pierwotnej, jak i wtórnej zapewnia stabilny poziom wody w reaktorze. Praca tylko z pompą pierwotną może prowadzić do wahań poziomu wody.
   6. Po uzyskaniu stabilnego wiru i wykryciu nieszczelności należy zastąpić czystą wodę próbką doświadczalną i powtórzyć kroki 2.1.3 i 2.1.4.
   7. W razie potrzeby dostosuj odległość elektrody od wody, aby zoptymalizować tworzenie plazmy.
   8. Przepłukać reaktor niskim przepływem sprężonego powietrza (0,1 atm) w celu ustabilizowania atmosfery wewnętrznej i zapewnienia optymalnych warunków wyładowania plazmy³¹.
   9. W przypadku stosowania kationowego środka powierzchniowo czynnego należy podłączyć zbiornik pomocniczy zawierający roztwór środka powierzchniowo czynnego i wprowadzić go przez pompę dozującą w żądanym stężeniu przed wlotem do reaktora.

3. Różne rodzaje wyładowań plazmowych

1. Wyładowanie łukowe prądem stałym
   1. Wykorzystaj obwód elektryczny pokazany na rysunku 3A.
   2. Podłącz dodatnie i ujemne wyjścia wysokiego napięcia z prostownika mostkowego do elektrod umieszczonych nad powierzchnią wiru wodnego.
      UWAGA: W przypadku pracy z pojedynczą polaryzacją (dodatnią lub ujemną), uziemić odpowiedni zacisk i działać wyłącznie z preferowaną polaryzacją.
   3. Podłącz variac do gniazdka elektrycznego 230 V AC i odłącz czerwony wyłącznik bezpieczeństwa, aby włączyć wysokie napięcie.
   4. Zapal wyładowanie plazmowe, stopniowo zwiększając napięcie (od 0 V do 250 V) za pomocą variaka.
2. Wyładowanie łukowe AC
   1. Wykorzystaj obwód elektryczny pokazany na rysunku 3B.
   2. Podłącz oba wyjścia wysokiego napięcia do elektrod umieszczonych nad powierzchnią wiru wodnego.
      UWAGA: Jeśli pracujesz z jednym wyjściem, uziemij odpowiedni zacisk.
   3. Podłącz variac do gniazdka elektrycznego 230 V AC i odłącz czerwony wyłącznik bezpieczeństwa, aby włączyć wysokie napięcie.
   4. Zapal wyładowanie plazmowe, stopniowo zwiększając napięcie (od 0 V do 250 V) za pomocą variaka.
3. Wyładowanie jarzeniowe w atmosferze helu
   1. Wykorzystaj obwód elektryczny pokazany na rysunku 4.
      UWAGA: W zależności od konkretnych wymagań dotyczących wyładowań jarzeniowych można zastosować różne obwody elektryczne (Rysunek 3, Rysunek 4, Rysunek 5 i Rysunek 6).
   2. Podłącz wyjścia wysokiego napięcia do elektrod umieszczonych nad powierzchnią wiru wodnego.
      UWAGA: Wyładowanie jarzeniowe tworzy się między elektrodami o przeciwnej polaryzacji. Regulacja liczby i rozmieszczenia elektrod modyfikuje topologię wyładowań.
   3. Podłącz variac do gniazdka elektrycznego 230 V AC i odłącz czerwony wyłącznik bezpieczeństwa, aby włączyć wysokie napięcie.
   4. Wprowadź hel o preferowanym natężeniu przepływu, otwierając zawór gazowy.
      UWAGA: Odczekaj wystarczająco dużo czasu, aby hel wymienił otaczające powietrze. Kolor wyładowania jarzeniowego przechodzi od fioletowego do białego wraz ze wzrostem stężenia helu. Wyższe prędkości przepływu helu zwiększają jasność wyładowania.
   5. Zapal wyładowanie plazmowe, stopniowo zwiększając napięcie od 0 V za pomocą variac, aż do momentu wystąpienia przebicia elektrycznego między elektrodami i przejścia plazmy od wyładowania jarzeniowego do wyładowania łukowego.
      UWAGA: Nadmierne napięcie może przekształcić wyładowanie żarzenia w wyładowanie łukowe impulsowe z powodu działania kondensatora w obwodzie.
4. Bipolarne "rozgorzenia" wyładowania pulsacyjne
   1. Wykorzystaj obwód elektryczny pokazany na rysunku 4.
   2. Podłącz wyjścia wysokiego napięcia do elektrod umieszczonych nad powierzchnią wiru wodnego.
      UWAGA: Obwód na rysunku 4 pozwala na elastyczną konfigurację elektrod. W tym badaniu wykorzystano 16 elektrod.
   3. Podłącz variac do gniazdka elektrycznego 230 V AC i odłącz czerwony wyłącznik bezpieczeństwa, aby włączyć wysokie napięcie.
   4. Zapal wyładowanie plazmowe, stopniowo zwiększając napięcie (od 0 V do 250 V) za pomocą variaka.
5. Monopolarne dodatnie i ujemne impulsowe wyładowania strumieniowe
   1. Wykorzystaj obwód elektryczny przedstawiony na rysunku 5 lub rysunku 6 odpowiednio do wyładowań dodatnich lub ujemnych.
   2. Podłącz odpowiednie wyjście wysokiego napięcia (dodatnie lub ujemne) do elektrod umieszczonych nad powierzchnią wiru wodnego.
   3. Podłącz przeciwległy zacisk do iskiernika i uziemij drugi koniec.
      UWAGA: Alternatywnie iskiernik może być uziemiony za pomocą elektrody zanurzonej w uziemionej wodzie reaktora.
   4. Przedmuchnąć iskiernik sprężonym powietrzem (0,5-1 atm), otwierając zawór gazowy i regulując przepływ, aby zapewnić stabilną atmosferę wewnętrzną i utrzymać stałą temperaturę.
      UWAGA: Różnice w składzie gazu, temperaturze, ciśnieniu i odstępach między elektrodami w iskierniku wpływają na charakterystykę plazmy.
   5. Podłącz variac do gniazdka elektrycznego 230 V AC i odłącz czerwony wyłącznik bezpieczeństwa, aby włączyć wysokie napięcie.
   6. Zapal wyładowanie plazmowe, stopniowo zwiększając napięcie (od 0 V do 250 V) za pomocą variaka.
6. Zakończenie eksperymentu
   1. Przerwij pracę pod wysokim napięciem, zmniejszając zmienne napięcie, wyłączając zasilanie i włączając wyłącznik bezpieczeństwa.
   2. W razie potrzeby zatrzymać pompę dozującą kationowy środek powierzchniowo czynny.
   3. Zamknij wszystkie zawory gazowe helu i sprężonego powietrza, jeśli były używane.
   4. Sprawdź uziemienie wszystkich metalowych elementów, dotykając ich drążkiem uziemiającym.
   5. Odwróć kierunek przepływu pompy, aby przenieść poddane działaniu substancji próbki z powrotem do zbiornika wodnego.
   6. Przepłucz zestaw, przepuszczając przez system czystą wodę i/lub rozpuszczalnik organiczny.
   7. Prawidłowo zbieraj i utylizuj odpady, dbając o przestrzeganie przepisów bezpieczeństwa dotyczących substancji niebezpiecznych.
   8. Przeprowadź kontrolę końcową, aby potwierdzić, że wszystkie komponenty są wyłączone, nie ma wycieków, a konfiguracja jest bezpieczna do późniejszego użycia.

Results

Obwody elektryczne przedstawione na rys. 3, rys. 4, rys. 5 i rys. 6 działają w następujący sposób: wariak (V), podłączony do sieci 230 V AC, reguluje napięcie wejściowe i dostarcza je do transformatora neonowego (T), który podnosi napięcie do wysokiego napięcia AC. Ten wysokonapięciowy prąd przemienny jest następnie przekształcany w wysokonapięciowy prąd stały przez prostownik mostkowy złożony z diod (D_{1-D 4}). Powstały w ten sposób sygnał prądu stałego ładuje kondensatory (C_x), a prąd jest rozprowadzany po wielu gałęziach przez dodatkowe diody (D_x). W zestawie znajdują się rezystory upustowe (R_x), aby zapewnić stopniowe rozładowywanie kondensatorów po wyłączeniu systemu. W konfiguracji wyładowania monopolarnego iskiernik (SG) służy do łączenia uziemionych zacisków kondensatorów po stronie polaryzacji nieaktywnej.

Rysunek 7 ilustruje analizę porównawczą profili impulsów prądu i napięcia dla monopolarnych dodatnich, monopolarnych ujemnych i bipolarnych wyładowań plazmowych rozgorzenia. Czas trwania impulsu wyładowania rozgorzenia był w przybliżeniu o dwa rzędy wielkości krótszy niż w przypadku impulsów monopolarnych (odpowiednio 0,6 μs i 60 μs). Ponadto prąd szczytowy wyładowania rozgorzonego (3,4 A) był znacznie wyższy w porównaniu z monopolarnymi impulsami dodatnimi (60 mA) i ujemnymi (30 mA). W przypadku impulsów monopolarnych włókna plazmy rozchodzą się wzdłuż powierzchni wody. I odwrotnie, w przypadku wyładowania rozgorzenia, kanał plazmowy jest tworzony przez granicę faz gaz-woda między katodą a anodą. Kiedy włókna plazmy o przeciwnej polaryzacji zbiegają się na powierzchni wody, tworzą przewodzący kanał plazmowy o niskiej impedancji, zwiększając ruchliwość naładowanych cząstek. To zmniejszenie impedancji jest związane z krótszym czasem trwania impulsu obserwowanym w reżimie wyładowania rozgorzenia.

Rysunek 8 przedstawia symulację LTspice³² różnicy potencjałów podczas ładowania kondensatora i szybkiego rozładowania, odpowiadającą obwodom elektrycznym pokazanym na rysunku 4, rysunku 5 i rysunku 6. Symulacja ilustruje ładowanie kondensatorów poprzez konwersję prądu przemiennego na prąd stały za pomocą prostownika mostkowego wysokiego napięcia. Ponieważ wyładowania plazmowego nie można bezpośrednio symulować w LTspice, zaimplementowano przełącznik sterowany napięciem, aby emulować awarię. Po wyzwoleniu następuje gwałtowny spadek napięcia. Chociaż nie można było modelować szczegółowego kształtu impulsu wyładowczego - ze względu na jego zależność od takich czynników, jak ciśnienie, temperatura, wilgotność, odstęp między elektrodami i przewodność wody - symulacja wyraźnie pokazuje funkcjonalność proponowanych obwodów i ich zdolność do generowania sygnałów impulsowych o różnych konfiguracjach polaryzacji.

Rysunek 9 przedstawia energię na impuls i zużycie energii dla trzech rodzajów wyładowań. Pobór mocy dla dodatniego wyładowania monopolarnego został zmierzony na poziomie 1,8 W, ujemnego wyładowania monopolarnego na poziomie 1,6 W, a wyładowania międzyrefleksyjnego na poziomie 1,2 W. W związku z tym, przy danej mocy plazmy, czas trwania leczenia plazmą bezpośrednio odpowiada całkowitej ilości pobranej energii. Szczegółowy opis metodyki pomiaru energii znajduje się w⁸.

Rysunek 10 przedstawia zmiany w składzie chemicznym wody po 75 minutach obróbki plazmowej w atmosferze powietrznej przy użyciu trzech rodzajów wyładowań. Kluczowe analizowane parametry to pH, potencjał oksydacyjno-redukcyjny (ORP), przewodność elektryczna (EC) oraz stężenia reaktywnego tlenu (nadtlenek wodoru_H2O2) i form azotu (azotyn NO ₂^- i azotan NO₃^-). Spośród trzech wyładowań, wyładowanie rozgorzenia wywołało najbardziej wyraźne zmiany chemiczne i najwyższą produkcję RONS. Pomimo najniższego poboru mocy (1,2 W, ilustracja 9), wyładowanie rozgorzenia wykazało najwyższą skuteczność oczyszczania. Można to przypisać krótkiemu czasowi trwania impulsu, który zapobiega przechodzeniu streamerów w gorące łuki ze znacznym rozpraszaniem omów, zwiększając w ten sposób prawdopodobieństwo jonizacji i generowanie reaktywnych gatunków.

Dodatkowo, wyładowanie rozgorzenia tworzy kanał plazmowy pomiędzy dwiema przeciwnie naładowanymi elektrodami umieszczonymi na granicy plazmy-wody, rozciągający się na około 5 cm długości. Taka konfiguracja znacznie zwiększa obszar interakcji plazma-woda w porównaniu z impulsami monopolarnymi, zwiększając w ten sposób produkcję form reaktywnych i ułatwiając bardziej efektywną obróbkę fazy ciekłej.

Wszystkie próbki PFAS analizowano metodą chromatografii cieczowej ze spektrometrią mas. Do analizy wykorzystano kolumnę (1,8 μm, 50 × 2,1 mm). Aby zapewnić stabilność próbki, rozcieńczono je w stosunku 1:1 metanolem, a 1 ml rozcieńczonej próbki przeniesiono do plastikowej fiolki kationowej. Defluorowanie oceniano, mierząc stężenie wolnych jonów fluorkowych w próbkach wody przy użyciu kombinowanej elektrody fluorkowej.

Rysunek 11 omawia degradację kwasu perfluorooktanosulfonowego (PFOS) w czasie dla początkowych stężeń 14 μg·L⁻¹ ± 5% i 240 μg·L⁻¹ ± 5%. Wyładowanie rozgorzeniowe wykazało najwyższą wydajność degradacji PFOS przy jednoczesnym wymaganiu najmniejszego nakładu energii. W związku z tym kolejne eksperymenty prowadzono wyłącznie z wyładowaniem rozgorzeniowym, aby zoptymalizować wydajność leczenia.

Rysunek 12 przedstawia degradację matrycy PFAS, składającej się z cząsteczek o różnych długościach łańcuchów, wraz z wykrytymi produktami ubocznymi degradacji. Podczas gdy długołańcuchowe PFAS wykazywały skuteczność degradacji przekraczającą 92% po 75 minutach obróbki, krótkołańcuchowe PFAS wykazywały znacznie niższe wskaźniki degradacji. Ponadto krótkołańcuchowe związki PFAS (kwas perfluoroheksanowy (PFHxA), kwas perfluoropentanowy (PFPeA) i kwas perfluorobutanowy (PFBA)) pojawiły się jako produkty uboczne degradacji cząsteczek o dłuższych łańcuchach, bez zauważalnej degradacji tych krótszych gatunków. Można to wytłumaczyć różnymi właściwościami fizykochemicznymi PFAS. Długołańcuchowe PFAS, posiadające silne właściwości powierzchniowo czynne, mają tendencję do gromadzenia się na granicy faz gaz-ciecz lub przylegania do powierzchni, ułatwiając interakcję z formami energetycznymi generowanymi przez plazmę. W przeciwieństwie do tego, krótkołańcuchowe PFAS wykazują większą hydrofilowość i mają tendencję do pozostawania rozproszonym w roztworze masowym, ograniczając ich bezpośrednią ekspozycję na osocze³³. Jak wcześniej informowaliśmy³¹, pierwotna ścieżka degradacji PFAS w systemach plazmowych obejmuje interakcje z reaktywnymi formami generowanymi przez plazmę, takimi jak elektrony, jony, rodniki hydroksylowe i solwatowane elektrony. Ze względu na krótki czas życia gatunki te są przede wszystkim ograniczone do granicy faz powietrze-woda. W związku z tym długołańcuchowe PFAS, które preferencyjnie gromadzą się na powierzchni, ulegają bardziej efektywnej degradacji, podczas gdy krótkołańcuchowe PFAS, które pozostają rozpuszczone w roztworze masowym, są mniej dotknięte. W tym samym badaniu degradację PFAS oceniano zarówno z oczyszczaniem powietrzem, jak i bez niego. Stężenie form reaktywnych było istotnie wyższe w systemie nieoczyszczonym, co nieznacznie zwiększyło degradację krótkołańcuchowych PFAS. Doprowadziło to jednak również do zwiększonego rozpraszania energii w strefie plazmy, co skutkowało zmniejszoną wydajnością degradacji długołańcuchowych PFAS.

Większość cząsteczek PFAS funkcjonuje jako anionowe środki powierzchniowo czynne ze względu na ich ujemnie naładowane końcowe grupy funkcyjne (takie jak np. ^RCOO-, RSO₃^-)³³. Aby zwiększyć wydajność degradacji krótkołańcuchowych PFAS, które wykazują słabsze właściwości powierzchniowo czynne, dodano kationowy środek powierzchniowo czynny, Hyamine 1622, o natężeniu przepływu 4 μM·min⁻¹. Ten środek powierzchniowo czynny oddziałuje z ujemnie naładowanymi grupami czołowymi PFAS, tworząc pary jonów, które ułatwiają transport do granicy faz plazma-woda, poprawiając w ten sposób znacznie wydajność degradacji. Proponuje się, aby pierwotna ścieżka degradacji obejmowała interakcje między kompleksami PFAS-Hyamine a elektronami i jonami generowanymi przez plazmę³¹.

Rysunek 13 przedstawia degradację tej samej matrycy PFAS co na rysunku 12, ale z dodatkiem środka powierzchniowo czynnego. Porównanie rysunków 12 i 13 wyraźnie pokazuje, że dozowanie środków powierzchniowo czynnych znacznie poprawia wydajność degradacji zarówno długołańcuchowych, jak i krótkołańcuchowych cząsteczek PFAS. Po 10 minutach zabiegu długołańcuchowa degradacja PFAS przekroczyła 90%, osiągając ponad 97% po 75 min. Podobnie jak wyniki obserwowane przy braku środków powierzchniowo czynnych, krótkołańcuchowe PFAS wymagają dłuższego czasu degradacji, częściowo ze względu na ich powstawanie jako produkty uboczne degradacji związków o dłuższych łańcuchach. Jednak wprowadzenie Hyamine 1622 znacznie zwiększa degradację krótkołańcuchowych PFAS. W szczególności wyniki leczenia PFBA poprawiły się z 19% odzysku do 53% degradacji, podczas gdy degradacja PFBS wzrosła z 22% do 95% po 75 minutach leczenia. Stężenia PFAS przed leczeniem i po leczeniu, zarówno z dawką środka powierzchniowo czynnego, jak i bez niej, przedstawiono w tabeli 1.

Ponadto wykryto produkty uboczne degradacji, w tym PFHxA i PFPeA. Jednak w przeciwieństwie do poprzednich eksperymentów, ich stężenia spadły po 20 minutach dla PFHxA i 30 minutach dla PFPeA. Po 75 minutach leczenia ich stężenia zbliżyły się do granicy wykrywalności, co wskazuje na postępujące skracanie łańcuchów produktów pośrednich degradacji PFAS. Ponadto skuteczność defluorowania poprawiła się z 48% do 82% (ryc. 14), co dodatkowo potwierdza obserwowane trendy degradacji i sugeruje wysoki stopień mineralizacji PFAS.

Dodatkowo próbki wód gruntowych zanieczyszczonych PFAS poddano działaniu dodatku środków powierzchniowo czynnych i bez niego przez 75 minut (ryc. 15). Początkowe stężenia PFAS przedstawiono w tabeli 2. Próbki te zostały pobrane z płytkich warstw wodonośnych w Holandii, jednak ze względu na umowy o poufności dokładne lokalizacje nie mogą zostać ujawnione. W porównaniu z wynikami przedstawionymi na rysunkach 12 i 13, ogólna wydajność degradacji była niższa w obu przypadkach - z dozowaniem środków powierzchniowo czynnych i bez nich. Warto zauważyć, że degradacja krótkołańcuchowych PFAS zawierających karboksylowe grupy funkcyjne, takie jak PFPeA i PFBA, pozostała ograniczona nawet przy dawkowaniu środków powierzchniowo czynnych, osiągając odpowiednio tylko 40% i 2% usunięcia. Ta zmniejszona wydajność jest prawdopodobnie spowodowana wysokimi stężeniami konkurencyjnych jonów obecnych w wodach gruntowych (tabela 3), które mogą utrudniać tworzenie kompleksów PFAS-Hyamine, a tym samym ograniczać ich degradację. Wyniki te sugerują, że silnie zanieczyszczone próbki mogą być korzystne dla wstępnej obróbki w celu zmniejszenia stężenia jonów lub mogą wymagać wydłużonego czasu trwania zabiegu. Co ciekawe, we wszystkich przypadkach zaobserwowano znaczny spadek zarówno całkowitego węgla organicznego, jak i nieorganicznego (Tabela 3), co wskazuje, że obróbka plazmowa jest w stanie rozkładać nie tylko PFAS, ale także szeroką gamę innych substancji w roztworze – podkreślając jej potencjał jako wszechstronnej technologii uzdatniania wody.

Rysunek 1: Konfiguracje elektrod dla różnych typów wyładowań plazmowych. Czerwone kółka oznaczają elektrody o biegunowości dodatniej, niebieskie kółka oznaczają elektrody o polaryzacji ujemnej, fioletowe kółka reprezentują elektrody podłączone do wysokiego napięcia prądu przemiennego, a czarne kółka odpowiadają elektrodom uziemionym ze względu na ich połączenie z uziemioną wodą w reaktorze. (A) monopolarne wyładowanie dodatnie, (B) monopolarne wyładowanie ujemne, (C) wyładowanie bipolarne rozgorzenia, (D) wyładowanie łukowe prądu przemiennego, (E) wyładowanie łukowe prądu stałego, oraz (F) wyładowanie jarzeniowe. Kliknij tutaj, aby zobaczyć większą wersję tego rysunku.

Rysunek 2: Zdjęcie układu plazmy wiru hiperbolicznego: 1. Pompy perystaltyczne; 2. sondy pH, potencjału oksydacyjno-redukcyjnego (ORP) i przewodności elektrycznej (EC); 3. Nadajnik; 4. Złącza BNC do pomiaru sygnału napięcia i prądu; 5. Lejek hiperboliczny; 6. Elektrody ze stali nierdzewnej; 7. Sonda wysokiego napięcia; 8. Przekładnik prądowy; 9. Obwód elektryczny wykonany na zamówienie; 10. Transformator neonowy; 11. Pokrywa lejka z zainstalowanymi elektrodami, wentylacją i przyłączami przewodów gazowych; 12. Detektor gazu; 13. Uziemione wloty i wyloty wody do szafy; 14. Zbiornik wodny. Kliknij tutaj, aby zobaczyć większą wersję tego rysunku.

Ilustracja 3: schemat obwodu elektrycznego zasilacza wysokonapięciowego wykorzystywanego do eksperymentów. (A) Wyładowanie plazmowe łukiem prądu stałego, (B) Wyładowanie plazmowe łukiem prądu przemiennego. Kliknij tutaj, aby zobaczyć większą wersję tego rysunku.

Rysunek 4: Schemat obwodu elektrycznego zasilacza wysokonapięciowego użytego do eksperymentów z bipolarnym rozgorzeniem i wyładowaniami jarzeniowymi. (A) Obwód elektryczny, (B) zdjęcie dziadanego bipolarnego wyładowania plazmowego rozgorzenia. Kliknij tutaj, aby zobaczyć większą wersję tego rysunku.

Ilustracja 5: schemat obwodu elektrycznego zasilacza wysokonapięciowego wykorzystywanego do eksperymentów z monopolarnym wyładowaniem dodatnim. (A) Obwód elektryczny, (B) zdjęcie monopolarnego dodatniego wyładowania plazmowego podczas działania. Kliknij tutaj, aby zobaczyć większą wersję tego rysunku.

Ilustracja 6: Schemat obwodu elektrycznego zasilacza wysokonapięciowego używanego do eksperymentów z monopolarnym ujemnym wyładowaniem wyładowań. (A) Obwód elektryczny, (B) fotografia monopolarnego ujemnego wyładowania plazmowego podczas pracy. Kliknij tutaj, aby zobaczyć większą wersję tego rysunku.

Rysunek 7: Charakterystyka impulsowa prądu i napięcia. Panie przewodniczący, panie i panowie! Dla dodatnich i ujemnych wyładowań monopolarnych, (C,D) dla bipolarnych wyładowań rozgorzenia. Kliknij tutaj, aby zobaczyć większą wersję tego rysunku.

Rysunek 8: Symulacja różnicy potencjałów podczas ładowania kondensatora i szybkiego rozładowania w LTspice. (A) dla wyładowań rozgorzonych oraz (B) dla dodatnich i ujemnych wyładowań monopolarnych. Kliknij tutaj, aby zobaczyć większą wersję tego rysunku.

Rysunek 9: Charakterystyka energetyczna dla trzech różnych typów wyładowań dwu- i monopolarnych: bipolarnego rozgorzenia, dodatniego monopolarnego i ujemnego monopolarnego. (A) energia na impuls, (B) moc plazmy. Kliknij tutaj, aby zobaczyć większą wersję tego rysunku.

Rysunek 10: Zmiana właściwości chemicznych wody, pH, EC, ORP, produkcja reaktywnego tlenu (_H2O2) i form azotu (NO₂⁻ i NO₃⁻), po 75 minutach uzdatniania dla trzech różnych typów wyładowań dwu- i monopolarnych: bipolarnego rozgorzenia, dodatniego monopolarnego i ujemnego monopolarnego. Kliknij tutaj, aby zobaczyć większą wersję tego rysunku.

Rysunek 11: Degradacja PFOS w czasie przy różnych stężeniach. Wyniki porównują trzy tryby wyładowań: bipolarne rozgorzenia, dodatnie wyładowania monopolarne i ujemne wyładowania monopolarne. (A) 14 μg·L⁻¹ ± 5%, (B) 240 μg·L⁻¹ ± 5%. Kliknij tutaj, aby zobaczyć większą wersję tego rysunku.

Rysunek 12: Konwersja matrycy PFAS w czasie w sztucznych ściekach. Wartości ujemne wskazują na odzysk PFAS. (A) konwersja matrycy PFAS, (B) zidentyfikowane produkty uboczne degradacji. Kliknij tutaj, aby zobaczyć większą wersję tego rysunku.

Rysunek 13: Konwersja matrycy PFAS w czasie w sztucznych ściekach przy stałym dozowaniu Hyamine 1622. (A) Konwersja matrycy PFAS, (B) zidentyfikowane produkty uboczne degradacji. Kliknij tutaj, aby zobaczyć większą wersję tego rysunku.

Rysunek 14: Defluorowanie matrycy PFAS w sztucznych ściekach w czasie pod wyładowaniem plazmy powietrznej ze stałym dozowaniem środka powierzchniowo czynnego Hyamine 1622 i bez niego. Kliknij tutaj, aby zobaczyć większą wersję tego rysunku.

Rysunek 15: Konwersja PFAS w zanieczyszczonych wodach gruntowych po 75 minutach uzdatniania z poborem energii 1,2 kWh·^m-3 z dozowaniem Hyamine 1622 i bez niego. Wartość ujemna oznacza odzysk PFAS. Kliknij tutaj, aby zobaczyć większą wersję tego rysunku.

Nazwa	Formuła	Stężenie początkowe (μg·L-1)	Końcowe stężenie bez dozowania środka powierzchniowo czynnego (μg·L-1)	Końcowe zagęszczenie z dozowaniem środka powierzchniowo czynnego (μg·L-1)
PFDA (Międzynarodowa Federacja	C10HF19O2	6.2	0.12	0.12
PFNA (Międzynarodowa Organizacja T	C9HF17O2	11.8	0.41	0.47
Substancje PFOS (PFOS	C8HF17O3S	8.7	0.65	0.22
Substancje PFOA	C8HF15O2	16.3	1.20	0.52
PFHpA powiedział:	C7HF13O2	13.9	3.94	0.17
PFBS (Protokół PFBS)	C4HF9O3S	19.1	16.37	0.90
Międzynarodowa Federacja Piłkar	C4HF7O2	10.3	12.69	4.81

Tabela 1: Stężenia związków PFAS w sztucznych ściekach przed i po uzdatnianiu, z dawkowaniem Hyamine 1622 i bez niego.

Nazwa	Formuła	Stężenie początkowe / μg·L-1	Końcowe stężenie bez dozowania środka powierzchniowo czynnego (μg·L-1)	Końcowe zagęszczenie z dozowaniem środka powierzchniowo czynnego (μg·L-1)
Substancje PFOS (PFOS	C8HF17O3S	5.0	4.3	<0.03
Substancje PFOA	C8HF15O2	2.4	0.8	<0.02
PFHpA powiedział:	C7HF13O2	0.9	0.4	<0.05
PFHxS	C6HF13O3S	0.6	0.2	<0.05
PFHxA	C6HF11O2	5.5	3.6	0.3
PFPeA	C5HF9O2 TGL	2.3	2.2	1.4
PFBS (Protokół PFBS)	C4HF9O3S	23.8	17.9	1
Międzynarodowa Federacja Piłkar	C4HF7O2	2.7	3	2.6

Tabela 2: Stężenia związków PFAS w wodach gruntowych przed i po uzdatnieniu, z dawkowaniem Hyamine 1622 i bez niego.

Substancja	Bez środka powierzchniowo czynnego		Z surfaktantem
	0 min	Czas trwania: 75 min	0 min	Czas trwania: 75 min
Węgiel nieorganiczny	562	475	641	480
Całkowity węgiel organiczny	252	226	257	221
Siarczan	396	426	420	442
Chlorek	2000	2160	2000	2160
Sód	1692	1756	1660	1788
Potas	552	578	532	588
Magnez	133	122	128	117

Tabela 3: Zmiany zawartości niektórych substancji w mg·^L-1 w wodach gruntowych przed i po uzdatnieniu z dozowaniem środków powierzchniowo czynnych i bez niego.

Discussion

Przed rozpoczęciem eksperymentów wszystkie połączenia elektryczne muszą zostać dokładnie sprawdzone. Przed interakcją z komponentami wysokonapięciowymi należy użyć drążka uziemiającego do rozładowania wszelkich ładunków resztkowych w obwodzie. Te kompleksowe środki bezpieczeństwa muszą być wdrożone w celu zmniejszenia ryzyka przypadkowego porażenia prądem, nawet w przypadku przeoczenia proceduralnego (przełączniki drzwiowe, rezystor upustowy podłączony do kondensatorów itp.), ponieważ kondensatory wysokonapięciowe mogą ładować się z powodu efektu pamięci, atmosferycznej elektryczności statycznej lub promieniowania kosmicznego. Ich rząd wielkości zmagazynowanej energii dla tych eksperymentów typowo wynosi ^{10-1-10 1} J, co jest niebezpieczne, a nawet śmiertelne. Dlatego kroki 1.1 i 2.1.1 mają kluczowe znaczenie dla zapewnienia bezpiecznej pracy systemu. Przed włączeniem zasilania systemu należy sprawdzić instalację pod kątem wycieków fazy gazowej i ciekłej reaktora. Gazy wytwarzane przez plazmę zawierają reaktywne formy, które mogą stwarzać zagrożenie wdychania, dlatego kroki 1.4 i 2.1.2 są szczególnie ważne. Wszystkie wloty i wyloty komory operacyjnej muszą być uziemione. Obudowa reaktora powinna być wykonana z metalu i odpowiednio uziemiona, aby zapewnić bezpieczną pracę. Dodatkowo niezbędna jest weryfikacja braku wycieków wody, ponieważ związki PFAS są klasyfikowane jako substancje CMR i nie wolno dopuścić do zanieczyszczenia środowiska laboratoryjnego. Dlatego przed rozpoczęciem eksperymentu należy zwrócić szczególną uwagę na krok 1.3.

W tym badaniu najwyższą wydajność osiągnięto przy wyładowaniach rozgorzenia. Ten tryb rozładowania skutkował większą produkcją RONS (rysunek 10) i wyższą degradacją PFOS (rysunek 11), wymagając jednocześnie mniejszej mocy niż inne testowane typy rozładowania (rysunek 9). Chociaż wyładowania rozgorzenia wykazały lepszą wydajność, ich implementacja stanowi wyzwanie ze względu na wymóg dwóch przeciwnie naładowanych kanałów podłączonych do tego samego kondensatora. Skalowanie tego podejścia wymaga mocniejszego zasilacza. W naszej obecnej konfiguracji transformator przekształca napięcie sieciowe prądu przemiennego (do 220 V) na napięcie przemienne wysokiego napięcia (do 10 kV), które jest następnie prostowane na prąd stały za pomocą diod. Podczas gdy uzyskany sygnał prądu stałego jest ściśle zbliżony do idealnego kształtu fali prądu stałego, niewielkie wahania pozostają³⁴. Nasza konstrukcja obwodu zapewnia elastyczność operacyjną w wielu reżimach. Jednak zastosowania na dużą skalę będą wymagały wysokonapięciowych zasilaczy prądu stałego, które zwykle działają z jedną polaryzacją i pojedynczym wyjściem wysokiego napięcia, co ogranicza możliwość jednoczesnej pracy z wieloma polaryzacjami.

Wyładowania łukowe AC i DC nie były testowane pod kątem degradacji mikrozanieczyszczeń ze względu na ich znacznie wyższe zużycie energii, co sprawiłoby, że ich zastosowanie przemysłowe byłoby ekonomicznie niewykonalne, szczególnie w przypadku plazmy DC. W poprzednim badaniu⁸ wykazano, że zwiększenie obszaru międzyfazowego plazma-ciecz zwiększa generowanie RONS dla tego samego wkładu energii, poprawiając w ten sposób wydajność degradacji mikrozanieczyszczeń. W naszych obwodach elektrycznych (Rysunek 3A, Rysunek 4, Rysunek 5 i Rysunek 6) diody przekształcają prąd przemienny w prąd stały w celu ładowania kondensatorów, a ich zmagazynowana energia jest następnie rozprowadzana po geometrii elektrod w celu wygenerowania wielu impulsowych wyładowań plazmowych.

Przy ciśnieniu atmosferycznym i standardowych warunkach stabilne wyładowanie jarzeniowe może być utrzymane tylko przy użyciu gazów szlachetnych o wysokich energiach jonizacji, takich jak hel (pierwsza energia jonizacji 24,6 eV) lub neon (pierwsza energia jonizacji 21,6 eV)³⁵. Argon, o pierwszej energii jonizacji wynoszącej 15,8 eV³⁵, nie podtrzymuje stabilnego wyładowania jarzeniowego w tych warunkach. Jednak wyładowanie jarzeniowe może być nadal generowane w powietrzu poprzez zastosowanie zewnętrznego pola magnetycznego do stabilizacji plazmy³⁶. Wysoki koszt zużycia gazu szlachetnego sprawił, że wyładowania jarzeniowe nie nadawały się do degradacji mikrozanieczyszczeń w tym badaniu.

Jak omówiono we wprowadzeniu, konwencjonalne metody oczyszczania, takie jak adsorpcja, filtracja membranowa i zaawansowane procesy utleniania, napotykają znaczne ograniczenia w skutecznym zwalczaniu zanieczyszczenia PFAS. Wyładowanie plazmowe stanowi obiecującą alternatywę dla degradacji PFAS, z raportowanym zużyciem energii od kilku kWh·^m-3 do ponad 1000 kWh·^m-3, w zależności od takich czynników, jak stężenie mikrozanieczyszczeń, skład próbki i parametry osocza 29,37,38,39,40,41. Jednak krótkołańcuchowe PFAS pozostają szczególnie odporne na degradację, a krótkołańcuchowe produkty uboczne, takie jak PFBA, zostały zidentyfikowane jako produkty pośrednie w rozpadzie długołańcuchowych PFAS.

Nowatorstwo naszej pracy polega na połączeniu hiperbolicznego reaktora plazmowego z wirem hiperbolicznym z dozowaniem kationowego środka powierzchniowo czynnego Hyamine 1622, co znacznie poprawia tempo degradacji, w tym dla krótkołańcuchowych PFAS (rysunek 13). Taka konstrukcja reaktora zwiększa powierzchnię międzyfazową plazma-ciecz i ułatwia lepsze mieszanie przez wir wodny. W ciągu 75 minut uzdatniania przy umiarkowanym poborze energii 1,2 kWh·^m-3 nasz system osiąga 95-100% degradacji większości PFAS (z wyjątkiem PFBA, który nadal wykazuje 53% usuwania). Wyniki te przewyższają wiele badań tylko nad osoczem i pokazują, że nasze podejście może osiągnąć głęboką mineralizację PFAS przy stosunkowo niskim nakładzie energii. Badanie to zostało jednak przeprowadzone w skali laboratoryjnej. Aby zwiększyć jego praktyczne zastosowanie, konieczne jest zwiększenie skali, w tym modyfikacje geometrii reaktora – w szczególności rozszerzenie górnej sekcji cylindrycznej – w celu zwiększenia objętości uzdatnionej wody i umieszczenia dodatkowych elektrod. Modyfikacje te poprawiłyby interakcję plazma-woda i poprawiłyby skuteczność uzdatniania. Podczas gdy konstrukcja elektryczna reaktora pozwala na proste skalowanie, rosnąca moc operacyjna wymaga bardziej wytrzymałych zasilaczy i ulepszonych środków bezpieczeństwa, aby zapewnić stabilną i wydajną pracę na większą skalę. Rozbudowa systemu będzie wymagała zwiększenia rozmiaru zasilacza i baterii kondensatorów, co stwarza poważne obawy dotyczące bezpieczeństwa. Wszystkie elementy elektryczne muszą być starannie rozmieszczone i umieszczone w bliskiej odległości od reaktora, pozostając niedostępne podczas pracy. Aby zapewnić bezpieczne rozładowanie, każdy kondensator musi być indywidualnie uziemiony po użyciu, co wymaga dedykowanych uziemników, ponieważ nie można ich ze sobą połączyć i muszą być odizolowane od siebie diodami do separacji prądu stałego. Dodatkowo, wyższe poziomy mocy będą generować silniejsze pola elektromagnetyczne, które mogą zakłócać pobliskie oprzyrządowanie. Dlatego zarówno reaktor, jak i otaczające go urządzenia powinny być odpowiednio osłonięte, najlepiej w klatce Faradaya. Precyzyjna kontrola wiru wodnego jest niezbędna, ponieważ wydajność wyładowania plazmowego jest bardzo wrażliwa na warunki przepływu i geometrię lejka. Wymaga to dobrze zaprogramowanego hydraulicznego układu sterowania. Ponadto reaktor musi być odpowiednio izolowany, podłączony do systemu wentylacyjnego i wyposażony w wlot gazu do przedmuchiwania. Jeżeli spodziewane są wysokie stężenia lotnych fluorowanych produktów ubocznych, takich jak fluorowodór, należy wdrożyć dodatkowe etapy oczyszczania gazem. Mogą to być systemy oczyszczania na sucho lub na mokro^42,43 lub stosowanie sorbentów na bazie wapnia⁴⁴.

Zużycie energii przez reaktor na skalę pilotażową można potencjalnie zmniejszyć poprzez dodanie środków powierzchniowo czynnych, które koncentrują PFAS na granicy faz powietrze-woda. Zmniejszając stosunek powierzchni do objętości, związki PFAS stają się bardziej zlokalizowane na granicy faz, umożliwiając plazmie interakcję z wyższym stężeniem związków docelowych na jednostkę powierzchni, zwiększając w ten sposób wydajność degradacji na wyładowanie. Jednak zwiększenie całkowitej objętości wody może wydłużyć wymagany czas trwania uzdatniania, potencjalnie kompensując oszczędności energii. Wykorzystanie wysokonapięciowego zasilacza prądu stałego o dużej mocy do ładowania kondensatorów umożliwia precyzyjną kontrolę poboru energii, umożliwiając systematyczną ocenę różnych reżimów energetycznych w celu optymalizacji.

Przyszłe badania będą koncentrować się na zwiększeniu skali technologii w oparciu o opisane zasady działania, aby osiągnąć wydajność uzdatniania 1 m³·^h-1 dla zastosowań pilotażowych. Ponadto niezbędne jest szczegółowe badanie produktów degradacji, ze szczególnym uwzględnieniem powstawania i rozkładu krótkołańcuchowych PFAS, kwasu trifluorooctowego, a także innych potencjalnych produktów przemiany. Dalsze badania będą również miały na celu zidentyfikowanie skutecznego, biodegradowalnego i opłacalnego kationowego środka powierzchniowo czynnego, który może zwiększyć degradację PFAS poprzez lepsze tworzenie kompleksów surfaktant-PFAS.

Materials

List of materials used in this article

Name	Company	Catalog Number	Comments
Rezystory upustowe	Tedss powiedział:	RCR42G206JS	20 MOhm
Złącza BNC	AliExpress (Ekspres Żywnościowy)	N/A	BNC ADAPTER
Kondensator	AnXon powiedział:	AXCT8GD202K40DB	40 kV 2000 pF
Kationowy środek powierzchniowo czynny	Sigma-Aldrich	51126-1L-F	Roztwór Hyamine 1622
Kolumna	Agilent	Zorbax Eclipse Plus C18 RRHD	1,8 μ m, 50 i razy; 2,1 milimetra
Przekładnik prądowy	Magnelab	CT-F0.25-S
Rejestratora	Endress+Hauser	Zobacz materiał CM442	Liquiline (Likulina)
Przełączniki drzwiowe	QWORK (Praca QWORK)	ME-8104 powiedział:	10A 250VAC
Pompa dozująca	KNF (Knf)	1.10 TT.18RC2	FEM
Drä Czujnik GER	Drä Ger	X-am 5000	O2, O3, NO2
Czujnik EC	Endress i Hauser	CLS15E	Wspomnienia
Elektrody	AliExpress (Ekspres Żywnościowy)	N/A	Ceramiczny pręt zapłonowy
Elektroda fluorkowa	Mettler Toledo	perfekcja
Pokrywa lejka	Wykonane na zamówienie	N/A	Materiał PVC
Drążek uziemiający	Wykonane na zamówienie	N/A
Hel gazowy	Westfalen	UN 1046	99,999 % obj.
Dioda wysokiego napięcia	Serwis eBay	FHVP5446	1p 5A 40kV
Sonda wysokonapięciowa	Wysokie napięcie North Star	Zobacz materiał PVM-5
Lejek hiperboliczny	Wykonane na zamówienie	N/A	Materiał szklany
LC/MS	Technologie Agilent	6420 Potrójny Quad LC/MS	Santa Clara, Kalifornia, Stany Zjednoczone
Transformator Noena	F/ART	SBD63HT2X	10000V 18mA
Czujnik redoks	Endress i Hauser	CPS12D	Wspomnienia
Pompa perystaltyczna	Masterflex L/S	13-200-007	MFLX7771236
Międzynarodowa Federacja Piłkar	Sigma-Aldrich	375-22-4	PFAS do eksperymentów
PFBS (Protokół PFBS)	Sigma-Aldrich	375-73-5	PFAS do eksperymentów
PFDA (Międzynarodowa Federacja	Sigma-Aldrich	335-76-2	PFAS do eksperymentów
PFHpA powiedział:	Sigma-Aldrich	375-85-9	PFAS do eksperymentów
PFNA (Międzynarodowa Organizacja T	Sigma-Aldrich	375-95-1	PFAS do eksperymentów
Substancje PFOA	Sigma-Aldrich	335-67-1	PFAS do eksperymentów
Substancje PFOS (PFOS	Sigma-Aldrich	1763-23-1	PFAS do eksperymentów
Czujnik pH	Endress i Hauser	CPS11D	Memosens Orbisint
Panel sterowania blokadą bezpieczeństwa	Wykonane na zamówienie	N/A
Iskiernik	Wykonane na zamówienie	N/A
Wariak	Weltechniek	TDGC2-1K	4a
Zbiornik wodny	Wykonane na zamówienie	N/A	Materiał szklany