Wdrożenie hiperbolicznego reaktora plazmowego wirowego do usuwania mikrozanieczyszczeń z wody

Przedmiotem naszych badań jest optymalizacja odprowadzania plazmy pod kątem degradacji mikrozanieczyszczeń w wodzie, co w dzisiejszych czasach stanowi coraz większy problem środowiskowy. Odkryliśmy, że optymalizując wyładowanie plazmowe i ostrożnie dozując kationowe środki powierzchniowo czynne, możemy osiągnąć prawie 100% degradację PFAS przy użyciu tylko umiarkowanego wkładu energii. Obróbka plazmowa jest zazwyczaj procesem energochłonnym.

Jednak dzięki zastosowaniu impulsów plazmowych można znacznie zmniejszyć zużycie energii przy jednoczesnej poprawie wydajności. W tym badaniu pokazujemy, jak osiągnąć tę optymalizację. Po ustawieniu plazmy wirowej hiperbolicznej należy użyć obwodu elektrycznego przeznaczonego do konfiguracji wyładowań łukowych prądu stałego.

Podłącz dodatnie i ujemne wyjścia wysokiego napięcia z prostownika mostkowego do elektrod umieszczonych nad powierzchnią wiru wodnego. Podłącz variac do gniazdka prądu przemiennego 230 V i wyłącz czerwony wyłącznik bezpieczeństwa, aby włączyć wysokie napięcie. Za pomocą variaka stopniowo zwiększaj napięcie od zera do 250 woltów, aby zapalić wyładowanie plazmowe.

Następnie należy użyć obwodu elektrycznego skonfigurowanego do wyładowania łukowego prądu przemiennego. Następnie podłącz oba wyjścia wysokiego napięcia do elektrod znajdujących się nad powierzchnią wiru wodnego. Po podłączeniu wariaka i odłączeniu pokazanych wcześniej wyłączników bezpieczeństwa, stopniowo zwiększaj napięcie od zera woltów do 250 woltów, aby zapalić wyładowanie plazmowe.

Następnie, aby wykonać wyładowanie jarzeniowe w atmosferze helu, użyj pokazanego tutaj obwodu elektrycznego. Podłącz wyjścia wysokiego napięcia obwodu elektrycznego do elektrod umieszczonych nad powierzchnią wiru wodnego. Po podłączeniu variaka i odłączeniu wyłącznika bezpieczeństwa otwórz zawór gazowy, aby wprowadzić hel o żądanym natężeniu przepływu.

Następnie za pomocą variaka powoli zwiększaj napięcie, aby zapalić wyładowanie plazmowe, aż nastąpi przebicie elektryczne między elektrodami, a plazma przesunie się z wyładowania jarzeniowego na wyładowanie łukowe. Następnie, aby zainicjować bipolarne wyładowanie impulsowe rozgorzenia, użyj obwodu elektrycznego, jak pokazano na schemacie, podłącz wyjścia wysokiego napięcia do elektrod, zmień do gniazdka prądu przemiennego 230 V i odłącz wyłącznik bezpieczeństwa. Następnie stopniowo zwiększaj napięcie od zera do 250 woltów, aby zapalić wyładowanie plazmowe.

W przypadku monopolarnych impulsowych wyładowań strumieniowych należy w razie potrzeby użyć obwodu pokazanego na schemacie dla wyładowań dodatnich lub ujemnych. Podłącz przeciwległy zacisk do widocznego iskiernika i elektrody uziemiającej. Podłącz pozostałe wyjścia wysokiego napięcia do elektrod znajdujących się nad powierzchnią wiru wodnego.

Następnie otwórz zawór gazowy i dostosuj przepływ sprężonego powietrza do 0,5 do jednej atmosfery, aby usunąć iskiernik. Po podłączeniu wariaka i włączeniu wyłącznika bezpieczeństwa zapal wyładowanie plazmowe, jak pokazano wcześniej. Aby zakończyć eksperyment, zmniejsz napięcie zmiennej, wyłącz zasilanie i włącz wyłącznik bezpieczeństwa.

Następnie zamknij wszystkie zawory gazowe helu i sprężonego powietrza, jeśli były używane podczas eksperymentu. Za pomocą drążka uziemiającego dotknij wszystkich metalowych elementów, aby sprawdzić, czy są prawidłowo uziemione. Spośród trzech wyładowań, rozgorzenie wygenerowało najwyższe stężenia nadtlenku wodoru na poziomie około 450 miligramów na litr, azotynów na poziomie około 90 miligramów na litr i azotanów na poziomie około 340 miligramów na litr.

Wyładowanie rozgorzenia spowodowało najbardziej wyraźny spadek pH, obniżając je z około 5,5 do 2,3. Przewodność elektryczna była najwyższa w próbkach poddanych rozgorzeniu, osiągając około 2 300 mikrosiemensów na centymetr. Potencjał oksydacyjno-redukcyjny wzrastał najbardziej w wyładowaniu rozgorzenia, osiągając około 600 miliwoltów.

Wyładowanie rozgorzenia osiągnęło najszybszą i najbardziej kompletną degradację PFOS dla obu początkowych stężeń, osiągając prawie 100% konwersję przez 60 minut, przewyższając wyładowania dodatnie i ujemne. W matrycy PFAS, bez środka powierzchniowo czynnego, związki długołańcuchowe, takie jak PFDA, PFNA, PFOS i PFOA, wykazywały degradację powyżej 90% po 75 minutach. Natomiast gatunki krótkołańcuchowe, takie jak PFBS i PFBA, pozostały w dużej mierze niesklasyfikowane lub ich stężenie wzrosło z powodu tworzenia się produktów ubocznych.

Po dodaniu środków powierzchniowo czynnych wszystkie długołańcuchowe związki PFAS uległy degradacji powyżej 95%, a degradacja związków krótkołańcuchowych, takich jak PFBA, poprawiła się z minus 19% do około 53%, a PFBS z 22% do około 95%Stężenie PFHxA zaczęło spadać po 20 minutach, a PFPeA spadło po 30 minutach leczenia dawkowaniem środka powierzchniowo czynnego, co wskazuje na postępujący rozkład produktów ubocznych PFAS.