Name: Wdrożenie hiperbolicznego reaktora plazmowego wirowego do usuwania mikrozanieczyszczeń z wody (Wideo) | JoVE Journal
Uploaded: 2025-07-25T14:55:00.000+00:00
Duration: 6 min 35 s
Description: Poznaj metodę usuwania mikrozanieczyszczeń z wody za pomocą hiperbolicznego reaktora plazmowego wirowego. Technologia plazmowa umożliwia niemal całkowitą degradację związków PFAS przy umiarkowanym zużyciu energii.

ai_agent_IP

ai_agent

maintenance

instantTrialDurationMinutes

isBiopharma

enableNewMyJoveSectionDesign

educationFeatures

seoMetaApi

ai_copilot_institution_blacklist

ai_chat_institution_blacklist

freeAccessWindow

ssoRoleCapture

scheduledMaintenanceBanner

joveLabsFeatures

disable_autoplay_for_bots

extended_trial_duration

5 minutes

Praca ta została wykonana w ramach współpracy Europejskiego Centrum Doskonałości ds. Zrównoważonej Technologii Wodnej (www.wetsus.eu) firmy Wetsus w ramach tematu Stosowanej Fizyki Wody w laboratorium wysokiego napięcia Gilberta-Armstronga. Wetsus jest współzałożony przez holenderskie Ministerstwo Gospodarki oraz Ministerstwo Infrastruktury i Środowiska, Prowincję Fryzja i Prowincje Północnych Niderlandów. Badania te otrzymały dofinansowanie z programu Unii Europejskiej w zakresie badań naukowych i innowacji Horyzont 2020 w ramach umowy grantowej nr 665874 działania "Maria Skłodowska-Curie".

1. Zalecenia ogólne
<ol>
	<li>Przed przystąpieniem do obsługi zestawu eksperymentalnego należy rozładować nagromadzony ładunek statyczny, dotykając części przewodzących drążkiem uziemiającym.</li>
	<li>Sprawdź wszystkie połączenia hydrauliczne i elektryczne zestawu pod kątem integralności i prawidłowego działania.</li>
	<li>Uruchomić pompy przy niskim natężeniu przepływu (80 L·h-1) przy użyciu czystej wody i sprawdzić, czy nie ma wycieków.</li>
	<li>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.</li>
</ol>
2. Konfiguracja eksperymentalna
<ol>
	<li>Układ plazmy wirowej hiperbolicznej (rysunek 2)<ol>
		<li>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.</li>
		<li>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.</li>
		<li>Podłącz zbiornik na wodę (14 na rysunku 2) zawierający wodę dejonizowaną do zestawu za pomocą wyznaczonego przewodu wężowego.</li>
		<li>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.</li>
		<li>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.</li>
		<li>Po uzyskaniu stabilnego wiru i wykryciu nieszczelności należy zastąpić czystą wodę próbką doświadczalną i powtórzyć kroki 2.1.3 i 2.1.4.</li>
		<li>W razie potrzeby dostosuj odległość elektrody od wody, aby zoptymalizować tworzenie plazmy.</li>
		<li>Przepłukać reaktor niskim przepływem sprężonego powietrza (0,1 atm) w celu ustabilizowania atmosfery wewnętrznej i zapewnienia optymalnych warunków wyładowania plazmy31.</li>
		<li>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.</li>
	</ol>
	</li>
</ol>
3. Różne rodzaje wyładowań plazmowych
<ol>
	<li>Wyładowanie łukowe prądem stałym<ol>
		<li>Wykorzystaj obwód elektryczny pokazany na rysunku 3A.</li>
		<li>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.</li>
		<li>Podłącz variac do gniazdka elektrycznego 230 V AC i odłącz czerwony wyłącznik bezpieczeństwa, aby włączyć wysokie napięcie.</li>
		<li>Zapal wyładowanie plazmowe, stopniowo zwiększając napięcie (od 0 V do 250 V) za pomocą variaka.</li>
	</ol>
	</li>
	<li>Wyładowanie łukowe AC<ol>
		<li>Wykorzystaj obwód elektryczny pokazany na rysunku 3B.</li>
		<li>Podłącz oba wyjścia wysokiego napięcia do elektrod umieszczonych nad powierzchnią wiru wodnego. UWAGA: Jeśli pracujesz z jednym wyjściem, uziemij odpowiedni zacisk.</li>
		<li>Podłącz variac do gniazdka elektrycznego 230 V AC i odłącz czerwony wyłącznik bezpieczeństwa, aby włączyć wysokie napięcie.</li>
		<li>Zapal wyładowanie plazmowe, stopniowo zwiększając napięcie (od 0 V do 250 V) za pomocą variaka.</li>
	</ol>
	</li>
	<li>Wyładowanie jarzeniowe w atmosferze helu<ol>
		<li>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).</li>
		<li>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.</li>
		<li>Podłącz variac do gniazdka elektrycznego 230 V AC i odłącz czerwony wyłącznik bezpieczeństwa, aby włączyć wysokie napięcie.</li>
		<li>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.</li>
		<li>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.</li>
	</ol>
	</li>
	<li>Bipolarne "rozgorzenia" wyładowania pulsacyjne<ol>
		<li>Wykorzystaj obwód elektryczny pokazany na rysunku 4.</li>
		<li>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.</li>
		<li>Podłącz variac do gniazdka elektrycznego 230 V AC i odłącz czerwony wyłącznik bezpieczeństwa, aby włączyć wysokie napięcie.</li>
		<li>Zapal wyładowanie plazmowe, stopniowo zwiększając napięcie (od 0 V do 250 V) za pomocą variaka.</li>
	</ol>
	</li>
	<li>Monopolarne dodatnie i ujemne impulsowe wyładowania strumieniowe<ol>
		<li>Wykorzystaj obwód elektryczny przedstawiony na rysunku 5 lub rysunku 6 odpowiednio do wyładowań dodatnich lub ujemnych.</li>
		<li>Podłącz odpowiednie wyjście wysokiego napięcia (dodatnie lub ujemne) do elektrod umieszczonych nad powierzchnią wiru wodnego.</li>
		<li>Podłącz przeciwległy zacisk do iskiernika i uziemij drugi koniec. UWAGA: Alternatywnie iskiernik może być uziemiony za pomocą elektrody zanurzonej w uziemionej wodzie reaktora.</li>
		<li>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.</li>
		<li>Podłącz variac do gniazdka elektrycznego 230 V AC i odłącz czerwony wyłącznik bezpieczeństwa, aby włączyć wysokie napięcie.</li>
		<li>Zapal wyładowanie plazmowe, stopniowo zwiększając napięcie (od 0 V do 250 V) za pomocą variaka.</li>
	</ol>
	</li>
	<li>Zakończenie eksperymentu<ol>
		<li>Przerwij pracę pod wysokim napięciem, zmniejszając zmienne napięcie, wyłączając zasilanie i włączając wyłącznik bezpieczeństwa.</li>
		<li>W razie potrzeby zatrzymać pompę dozującą kationowy środek powierzchniowo czynny.</li>
		<li>Zamknij wszystkie zawory gazowe helu i sprężonego powietrza, jeśli były używane.</li>
		<li>Sprawdź uziemienie wszystkich metalowych elementów, dotykając ich drążkiem uziemiającym.</li>
		<li>Odwróć kierunek przepływu pompy, aby przenieść poddane działaniu substancji próbki z powrotem do zbiornika wodnego.</li>
		<li>Przepłucz zestaw, przepuszczając przez system czystą wodę i/lub rozpuszczalnik organiczny.</li>
		<li>Prawidłowo zbieraj i utylizuj odpady, dbając o przestrzeganie przepisów bezpieczeństwa dotyczących substancji niebezpiecznych.</li>
		<li>Przeprowadź kontrolę końcową, aby potwierdzić, że wszystkie komponenty są wyłączone, nie ma wycieków, a konfiguracja jest bezpieczna do późniejszego użycia.</li>
	</ol>
	</li>
</ol>

<ol><li>Tsuji, K., Muller, S. C. <a target="_blank" href="http://scholar.google.com/scholar?hl=en&safe=off&q=author%3aTsuji%2C+K+%22Spirals+and+Vortices+in+Culture%2C+Nature%2C+and+Science%22">Spirals and Vortices in Culture, Nature, and Science</a>. , Springer. Cham. (2019).</li>
<li>Uchiyama, Y., Zhang, X., Yanase, S. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Generation+mechanism+of+Tidally-driven+whirlpools+at+a+narrow+strait+in+an+estuary%5BTitle%5D)+AND+%22IOP+Conf+Ser+Earth+Environ+Sci%22%5BJournal%5D)">Generation mechanism of Tidally-driven whirlpools at a narrow strait in an estuary.</a> IOP Conf Ser Earth Environ Sci. 945, 012028(2021).</li>
<li>Johansson, L., Ovesen, M., Hallberg, C. <a target="_blank" href="http://scholar.google.com/scholar?hl=en&safe=off&q=author%3aJohansson%2C+L+%22Self-organizing+Flow+Technology+-+In+Viktor+Schauberger%27s+Footsteps%22">Self-organizing Flow Technology - In Viktor Schauberger's Footsteps</a>. , Institute of Ecological Technology Scientific and Technical Reports, Malmo. (2002).</li>
<li>Agostinho, L. L. F., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Enhanced+oxygen+volumetric+mass+transfer+in+a+geometrically+constrained+vortex%5BTitle%5D)+AND+%22Water%22%5BJournal%5D)">Enhanced oxygen volumetric mass transfer in a geometrically constrained vortex.</a> Water. 14 (5), 771(2022).</li>
<li>Donepudi, T., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Numerical+analysis+of+vortex+dynamics+in+hyperbolic+funnels+using+computational+fluid+dynamics%5BTitle%5D)+AND+%22Phys+Fluids%22%5BJournal%5D)">Numerical analysis of vortex dynamics in hyperbolic funnels using computational fluid dynamics.</a> Phys Fluids. 36 (9), 095171(2024).</li>
<li>Klymenko, R., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Preparation+of+free-surface+hyperbolic+water+vortices%5BTitle%5D)+AND+%22J+Vis+Exp%22%5BJournal%5D)">Preparation of free-surface hyperbolic water vortices.</a> J Vis Exp. (197), e64516(2023).</li>
<li>Klymenko, R., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Enhanced+groundwater+aeration+with+a+geometrically+constrained+vortex%5BTitle%5D)+AND+%22Water%22%5BJournal%5D)">Enhanced groundwater aeration with a geometrically constrained vortex.</a> Water. 17 (4), 506(2025).</li>
<li>Klymenko, R., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Characterization+of+a+hyperbolic+vortex+plasma+reactor+for+the+removal+of+aqueous+phase+micropollutants%5BTitle%5D)+AND+%22J+Phys+D+Appl+Phys%22%5BJournal%5D)">Characterization of a hyperbolic vortex plasma reactor for the removal of aqueous phase micropollutants.</a> J Phys D Appl Phys. 57, 215204(2024).</li>
<li>Richardson, S., Kimura, S. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Emerging+environmental+contaminants%3A+challenges+facing+our+next+generation+and+potential+engineering+solutions%5BTitle%5D)+AND+%22Environ+Technol+Innov%22%5BJournal%5D)">Emerging environmental contaminants: challenges facing our next generation and potential engineering solutions.</a> Environ Technol Innov. 8, 40-56 (2017).</li>
<li>Sharma, S., Shetti, N. P., Basu, S., Nadagouda, M. N., Aminabhavi, T. M. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Remediation+of+per-+and+polyfluoroalkyls+%28PFAS%29+via+electrochemical+methods%5BTitle%5D)+AND+%22Chem+Eng+J%22%5BJournal%5D)">Remediation of per- and polyfluoroalkyls (PFAS) via electrochemical methods.</a> Chem Eng J. 430, 132895(2022).</li>
<li>Dhore, R., Murthy, G. S. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Per%2Fpolyfluoroalkyl+substances+production%2C+applications+and+environmental+impacts%5BTitle%5D)+AND+%22Bioresour+Technol%22%5BJournal%5D)">Per/polyfluoroalkyl substances production, applications and environmental impacts.</a> Bioresour Technol. 341, 125808(2021).</li>
<li>Lobato-Peralta, D. R., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Advances+in+activated+carbon+modification%2C+surface+heteroatom+configuration%2C+reactor+strategies%2C+and+regeneration+methods+for+enhanced+wastewater+treatment%5BTitle%5D)+AND+%22J+Environ+Chem+Eng%22%5BJournal%5D)">Advances in activated carbon modification, surface heteroatom configuration, reactor strategies, and regeneration methods for enhanced wastewater treatment.</a> J Environ Chem Eng. 9 (4), 105626(2021).</li>
<li>Baghirzade, B. S., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Thermal+regeneration+of+spent+granular+activated+carbon+presents+an+opportunity+to+break+the+forever+PFAS+cycle%5BTitle%5D)+AND+%22Environ+Sci+Technol%22%5BJournal%5D)">Thermal regeneration of spent granular activated carbon presents an opportunity to break the forever PFAS cycle.</a> Environ Sci Technol. 55 (9), 5608-5619 (2021).</li>
<li>Lee, T., Speth, T. F., Nadagouda, M. N. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((High-pressure+membrane+filtration+processes+for+separation+of+per-+and+polyfluoroalkyl+substances+%28PFAS%29%5BTitle%5D)+AND+%22Chem+Eng+J%22%5BJournal%5D)">High-pressure membrane filtration processes for separation of per- and polyfluoroalkyl substances (PFAS).</a> Chem Eng J. 431, 134023(2022).</li>
<li>Meegoda, J. N., Bezerra de Souza, B., Casarini, M. M., Kewalramani, J. A. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((A+review+of+PFAS+destruction+technologies%5BTitle%5D)+AND+%22Int+J+Environ+Res+Public+Health%22%5BJournal%5D)">A review of PFAS destruction technologies.</a> Int J Environ Res Public Health. 19 (24), 16397(2022).</li>
<li>Olatunde, O. C., Kuvarega, A. T., Onwudiwe, D. C. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Photo+enhanced+degradation+of+polyfluoroalkyl+and+perfluoroalkyl+substances%5BTitle%5D)+AND+%22Heliyon%22%5BJournal%5D)">Photo enhanced degradation of polyfluoroalkyl and perfluoroalkyl substances.</a> Heliyon. 6 (12), e05614(2020).</li>
<li>Ajo, P., Preis, S., Vornamo, T., Mänttäri, M., Kallioinen, M., Louhi-Kultanen, M. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Hospital+wastewater+treatment+with+pilot-scale+pulsed+corona+discharge+for+removal+of+pharmaceutical+residues%5BTitle%5D)+AND+%22J+Environ+Chem+Eng%22%5BJournal%5D)">Hospital wastewater treatment with pilot-scale pulsed corona discharge for removal of pharmaceutical residues.</a> J Environ Chem Eng. 6 (2), 1569-1577 (2018).</li>
<li>Magureanu, M., Bradu, C., Parvulescu, V. I. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Plasma+processes+for+the+treatment+of+water+contaminated+with+harmful+organic+compounds%5BTitle%5D)+AND+%22J+Phys+D+Appl+Phys%22%5BJournal%5D)">Plasma processes for the treatment of water contaminated with harmful organic compounds.</a> J Phys D Appl Phys. 51, 313002(2018).</li>
<li>Kumar, A., Škoro, N., Gernjak, W., Puač, N. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Cold+atmospheric+plasma+technology+for+removal+of+organic+micropollutants+from+wastewater-a+review%5BTitle%5D)+AND+%22Eur+Phys+J+D%22%5BJournal%5D)">Cold atmospheric plasma technology for removal of organic micropollutants from wastewater-a review.</a> Eur Phys J D. 75, 283(2021).</li>
<li>Sakudo, A., Yagyu, Y., Onodera, T. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Disinfection+and+sterilization+using+plasma+technology%3A+fundamentals+and+future+perspectives+for+biological+applications%5BTitle%5D)+AND+%22Int+J+Mol+Sci%22%5BJournal%5D)">Disinfection and sterilization using plasma technology: fundamentals and future perspectives for biological applications.</a> Int J Mol Sci. 20 (20), 5216(2019).</li>
<li>Mouele, E. S. M., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Removal+of+pharmaceutical+residues+from+water+and+wastewater+using+dielectric+barrier+discharge+methods-A+review%5BTitle%5D)+AND+%22Int+J+Environ+Res+Public+Health%22%5BJournal%5D)">Removal of pharmaceutical residues from water and wastewater using dielectric barrier discharge methods-A review.</a> Int J Environ Res Public Health. 18 (4), 1683(2021).</li>
<li>Choi, S., Watanabe, T., Liu, T. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Discharge+characteristics+of+DC+arc+water+plasma+for+environmental+applications%5BTitle%5D)+AND+%22Plasma+Sci+Technol%22%5BJournal%5D)">Discharge characteristics of DC arc water plasma for environmental applications.</a> Plasma Sci Technol. 14, 1097-1101 (2012).</li>
<li>Gharagozalian, M., Dorranian, D., Ghoranneviss, M. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Water+treatment+by+the+AC+gliding+arc+air+plasma%5BTitle%5D)+AND+%22J+Theor+Appl+Phys%22%5BJournal%5D)">Water treatment by the AC gliding arc air plasma.</a> J Theor Appl Phys. 11, 171-180 (2017).</li>
<li>Zeghioud, H., Nguyen-Tri, P., Khezami, L., Amrane, A., Assadi, A. A. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Review+on+discharge+plasma+for+water+treatment%3A+mechanism%2C+reactor+geometries%2C+active+species+and+combined+processes%5BTitle%5D)+AND+%22J+Water+Process+Eng%22%5BJournal%5D)">Review on discharge plasma for water treatment: mechanism, reactor geometries, active species and combined processes.</a> J Water Process Eng. 38, 101664(2020).</li>
<li>Quarles, C. D., Castro, J., Marcus, R. K. Glow Discharge Mass Spectrometry. <a target="_blank" href="http://scholar.google.com/scholar?hl=en&safe=off&q=author%3aQuarles%2C+CD+%22Encyclopedia+of+Spectroscopy+and+Spectrometry%22">Encyclopedia of Spectroscopy and Spectrometry</a>. , Academic Press, Elsevier. (2010).</li>
<li>Lu, P., Boehm, D., Bourke, P., Cullen, P. J. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Achieving+reactive+species+specificity+within+plasma-activated+water+through+selective+generation+using+air+spark+and+glow+discharges%5BTitle%5D)+AND+%22Plasma+Process+Polym%22%5BJournal%5D)">Achieving reactive species specificity within plasma-activated water through selective generation using air spark and glow discharges.</a> Plasma Process Polym. 14 (8), e1600207(2017).</li>
<li>Shrestha, R., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Treatment+of+water+using+Arc+discharge+plasma+in+Patan+area%5BTitle%5D)+AND+%22Patan+Prospect+J%22%5BJournal%5D)">Treatment of water using Arc discharge plasma in Patan area.</a> Patan Prospect J. 2 (2), 150-163 (2022).</li>
<li>Singh, R. K., Brown, E., Mededovic, T. S., Holsen, T. M. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Treatment+of+PFAS-containing+landfill+leachate+using+an+enhanced+contact+plasma+reactor%5BTitle%5D)+AND+%22J+Hazard+Mater%22%5BJournal%5D)">Treatment of PFAS-containing landfill leachate using an enhanced contact plasma reactor.</a> J Hazard Mater. 408, 124452(2021).</li>
<li>Singh, R. K., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Removal+of+poly-+and+per-fluorinated+compounds+from+ion+exchange+regenerant+still+bottom+samples+in+a+plasma+reactor%5BTitle%5D)+AND+%22Environ+Sci+Technol%22%5BJournal%5D)">Removal of poly- and per-fluorinated compounds from ion exchange regenerant still bottom samples in a plasma reactor.</a> Environ Sci Technol. 54 (21), 13973-13980 (2020).</li>
<li>Windisch, M., Klymenko, R., Grießler, H., Kittinger, C. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Assessment+of+cytotoxicity+and+genotoxicity+of+plasma-treated+perfluorooctanesulfonate+containing+water+using+in+vitro+bioassays%5BTitle%5D)+AND+%22Toxics%22%5BJournal%5D)">Assessment of cytotoxicity and genotoxicity of plasma-treated perfluorooctanesulfonate containing water using in vitro bioassays.</a> Toxics. 12 (12), 889(2024).</li>
<li>Klymenko, R., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((PFAS+degradation+using+a+hyperbolic+vortex+plasma+reactor%5BTitle%5D)+AND+%22J+Phys+D+Appl+Phys%22%5BJournal%5D)">PFAS degradation using a hyperbolic vortex plasma reactor.</a> J Phys D Appl Phys. 58, 175204(2025).</li>
<li>Ltspice, Analog Devices. , 
 <a target="_blank" href="https://www.analog.com/en/resources/design-tools-and-calculators/ltspice-simulator.html">https://www.analog.com/en/resources/design-tools-and-calculators/ltspice-simulator.html</a> (2025).</li>
<li>Leung, S. C. E., Wanninayake, D., Chen, D., Nguyen, N. -T., Li, Q. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Physicochemical+properties+and+interactions+of+perfluoroalkyl+substances+%28PFAS%29+-+Challenges+and+opportunities+in+sensing+and+remediation%5BTitle%5D)+AND+%22Sci+Total+Environ%22%5BJournal%5D)">Physicochemical properties and interactions of perfluoroalkyl substances (PFAS) - Challenges and opportunities in sensing and remediation.</a> Sci Total Environ. 905, 166764(2023).</li>
<li>Lee, Y. -S., Chow, M. H. L. Diode Rectifiers. <a target="_blank" href="http://scholar.google.com/scholar?hl=en&safe=off&q=author%3aLee%2C+Y-S+%22Power+Electronics+Handbook%22">Power Electronics Handbook</a>. , Elsevier. Burlington. (2007).</li>
<li>NIST Atomic Spectra Database (ASD). , National Institute of Standards and Technology. At 
 <a target="_blank" href="AtÂ https://physics.nist.gov/PhysRefData/ASD/ionEnergy.html">AtÂ https://physics.nist.gov/PhysRefData/ASD/ionEnergy.html</a> (2024).</li>
<li>Yu, L. Z., Lan, N. L., Liu, D. W., Pei, L. X. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((An+atmospheric+pressure+glow+discharge+in+air+stabilized+by+a+magnetic+field+and+its+application+on+nitrogen+fixation%5BTitle%5D)+AND+%22Plasma+ProcessPolym%22%5BJournal%5D)">An atmospheric pressure glow discharge in air stabilized by a magnetic field and its application on nitrogen fixation.</a> Plasma ProcessPolym. 19 (12), 2200071(2022).</li>
<li>Tamanga, S. G., Umlaufb, G., Barzb, J., Ghomi, M. R. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Degradation+of+PFOA+solutions+and+PFAS-contaminated+groundwater+using+atmospheric+non-thermal+plasma+treatment%5BTitle%5D)+AND+%22Water+Pract+Technol%22%5BJournal%5D)">Degradation of PFOA solutions and PFAS-contaminated groundwater using atmospheric non-thermal plasma treatment.</a> Water Pract Technol. 19 (7), 2645-2654 (2024).</li>
<li>Alam, D., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Experimental+investigations+of+Per-+and+Poly-fluoroalkyl+substances+%28PFAS%29+degradation+by+non-thermal+plasma+in+aqueous+solutions%5BTitle%5D)+AND+%22J+Environ+Chem+Eng%22%5BJournal%5D)">Experimental investigations of Per- and Poly-fluoroalkyl substances (PFAS) degradation by non-thermal plasma in aqueous solutions.</a> J Environ Chem Eng. 11 (6), 111588(2023).</li>
<li>Zhang, H., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Removal+of+per-+and+polyfluoroalkyl+substances+from+water+by+plasma+treatment%3A+Insights+into+structural+effects+and+underlying+mechanisms%5BTitle%5D)+AND+%22Water+Res%22%5BJournal%5D)">Removal of per- and polyfluoroalkyl substances from water by plasma treatment: Insights into structural effects and underlying mechanisms.</a> Water Res. 253, 121316(2024).</li>
<li>Chen, C., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Degradation+of+perfluoroalkyl+and+polyfluoroalkyl+substances+%28PFAS%29+in+water+by+use+of+a+nonthermal+plasma-ozonation+cascade+reactor%3A+Role+of+different+processes+and+reactive+species%5BTitle%5D)+AND+%22Chem+Eng+J%22%5BJournal%5D)">Degradation of perfluoroalkyl and polyfluoroalkyl substances (PFAS) in water by use of a nonthermal plasma-ozonation cascade reactor: Role of different processes and reactive species.</a> Chem Eng J. 486, 150218(2024).</li>
<li>Lewis, A. J., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Rapid+degradation+of+PFAS+in+aqueous+solutions+by+reverse+vortex+flow+gliding+arc+plasma%5BTitle%5D)+AND+%22Environ+Sci+Water+Res.+Technol%22%5BJournal%5D)">Rapid degradation of PFAS in aqueous solutions by reverse vortex flow gliding arc plasma.</a> Environ Sci Water Res. Technol. 6 (4), 1044-1057 (2020).</li>
<li>McIntosh, G. J., Agbenyegah, G. E. K., Hyland, M. M., Metson, J. B. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((The+pivotal+role+of+alumina+pore+structure+in+HF+capture+and+fluoride+return+in+aluminum+reduction%5BTitle%5D)+AND+%22JOM%22%5BJournal%5D)">The pivotal role of alumina pore structure in HF capture and fluoride return in aluminum reduction.</a> JOM. 68, 2463-2471 (2016).</li>
<li>Mukherjee, S., Siddiqi, H., Maiti, P., Parmar, P., Meikap, B. C. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((A+comprehensive+analysis+of+removal+of+hazardous+dust+particulates+from+chemical+and+process+industries+off+gases+by+advanced+wet+scrubbing+techniques+-+A+review%5BTitle%5D)+AND+%22J+Loss+Prev+Process+Ind%22%5BJournal%5D)">A comprehensive analysis of removal of hazardous dust particulates from chemical and process industries off gases by advanced wet scrubbing techniques - A review.</a> J Loss Prev Process Ind. 91, 105406(2024).</li>
<li>Comparison of sodium and calcium based sorbents for the dry treatment of flue gas from waste-to-energy plants. Zach, B., et al. 2nd International Conference on Energy Production and Management (EQ 2016), , Ancona. (2016).</li>
</ol>

Autorzy oświadczają, że nie są im znane żadne konkurencyjne interesy finansowe ani powiązania osobiste, które mogłyby mieć wpływ na pracę opisaną w tym artykule. Podczas przygotowywania tej pracy autorzy wykorzystali OpenAI (2023), ChatGPT (wersja z marca 2025 r.) [Duży model językowy] w celu uporządkowania tekstu. Po skorzystaniu z tego narzędzia autorzy przejrzeli i zredagowali treść zgodnie z potrzebami oraz biorą pełną odpowiedzialność za treść publikacji.

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 mokro42,43 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.

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 bioakumulacji10,11.
W celu rozwiązania problemu zanieczyszczenia PFAS opracowano szeroką gamę technologii, w tym adsorpcję przy użyciu węgla aktywnego12,13 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 rozdzielanie15,16. 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.

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

wdrożenie hiperbolicznego reaktora plazmowego wirowego do usuwania mikrozanieczyszczeń z wody

Implementation of a Hyperbolic Vortex Plasma Reactor for the Removal of Micropollutants in Water

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.

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).

Wdrożenie hiperbolicznego reaktora plazmowego wirowego do usuwania mikrozanieczyszczeń z wody

The presence of micropollutants in water is an increasingly pressing environmental concern. While some micropollutants are readily biodegradable, others, ...

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.

implementation-hyperbolic-vortex-plasma-reactor-for-removal

Research

JoVE Journal

Environment

Środowisko

Wykorzystaliśmy chemiczne osadzanie z fazy gazowej wspomagane plazmą do osadzania cienkich warstw o grubości od kilku nm do kilkuset nm na nanocząsteczkach wykonanych z różnych materiałów. Następnie trawimy materiał rdzenia, aby wytworzyć puste w środku nanopowłoki, których przepuszczalność jest kontrolowana przez grubość powłoki. Charakteryzujemy przepuszczalność tych powłok dla małych substancji rozpuszczonych i wykazujemy, że bariery te mogą zapewniać przedłużone uwalnianie materiału rdzenia...

Charakterystyka enkapsulacji i przepuszczalności pustych cząstek polimeryzowanych w plazmie

Platforma elektroporacji wspomagana wirami mikroprzepływowymi została opracowana do sekwencyjnego dostarczania wielu cząsteczek do identycznych populacji komórek z precyzyjną i niezależną kontrolą dawkowania. Etap oczyszczania komórek docelowych w oparciu o rozmiar, poprzedzający elektroporację, przyczynił się do zwiększenia wydajności dostarczania molekularnego i żywotności komórek przetworzonych.

Mikroskalowy elektroporator wspomagany wirami do sekwencyjnego dostarczania molekularnego

Ten film pokazuje, jak atmosferyczna latarka plazmowa może być zapalana przez mikrofale bez dodatkowych zapalników i zapewnia stabilną i ciągłą pracę plazmy, odpowiednią do wielu zastosowań.

Jak zapalić palnik plazmowy mikrofalowy pod ciśnieniem atmosferycznym bez dodatkowych zapalników?

Stworzono eksperymentalną konfigurację dla napędzanego helem strumienia plazmy o częstotliwości kHz. Konfiguracja obejmuje klatkę do zasilania plazmą i dyszą oraz wbudowany reaktor do monitorowania indukowanych plazmą form reaktywnych bez ingerencji atmosfery otoczenia.

Układ plazmy pod ciśnieniem atmosferycznym do zbadania powstawania form reaktywnych

Ten artykuł opisuje przepływowy reaktor mikrofalowy, który jest używany do napędzania efektywnej chemii nierównowagi w celu zastosowania konwersji/aktywacji stabilnych cząsteczek, takich jak CO2, N2 i CH4. Celem opisanej tutaj procedury jest pomiar temperatury i konwersji gazu in situ.

Nierównowagowa plazma mikrofalowa do wydajnej chemii wysokotemperaturowej

Pokazany jest protokół obróbki płynów i komórek zimną plazmą fizyczną o wysokiej przepustowości. Polega ona na ustaleniu różnych składów gazów zasilających do zapłonu plazmy, pomiarze widm emisyjnych plazmy, a następnie analizie cieczy i aktywności komórkowej po obróbce plazmowej.

Badania podstawowe w medycynie osocza - podejście przepustowe od płynów do komórek

Tutaj prezentujemy protokół do testowania i optymalizacji systemów napędu kosmicznego opartych na zminiaturyzowanych silnikach typu Hall.

Optymalizacja, testowanie i diagnostyka zminiaturyzowanych sterów strumieniowych hali

Dla ciągłej i skalowalnej syntezy nanokompozytów na bazie metali szlachetnych, opracowywany jest nowy reaktor fotokatalityczny, w którym opisano jego strukturę, zasady działania i strategie optymalizacji jakości produktu.

Reaktor fotokatalityczny o przepływie ciągłym do precyzyjnie kontrolowanego osadzania nanocząstek metalicznych

Ten protokół jest przedstawiony w celu scharakteryzowania konfiguracji, obsługi i zastosowania COST-Jet do obróbki różnych powierzchni, takich jak ciała stałe i ciecze.

Obróbka powierzchni zimną plazmą pod ciśnieniem atmosferycznym za pomocą COST-Jet

Ten artykuł opisuje, jak można stworzyć trzy różne reżimy wirów wodnych w hiperbolicznym lejku Schaubergera, ich najważniejsze cechy oraz jak można obliczyć powiązane parametry, takie jak szybkość transferu tlenu.

Przygotowanie hiperbolicznych wirów wodnych o swobodnej powierzchni

Ten protokół przedstawia system mikrofluidyczny do badania mikrobiologiczne precipitacji minerałów tlenku manganu. Powstawanie biomineralu jest mierzone in situ za pomocą mikroskopii optycznej i analizy obrazu. To podejście może być dostosowane do badania precipitacji innych charakterystycznie zabarwionych biogenicznych minerałów w środowiskach porowatych.

Mikropłytka platforma do badania mikrobiologicznego wytrącania tlenków metali w mediach porowatych

Poznaj metodę usuwania mikrozanieczyszczeń z wody za pomocą hiperbolicznego reaktora plazmowego wirowego. Technologia plazmowa umożliwia niemal całkowitą degradację związków PFAS przy umiarkowanym zużyciu energii.

Wdrożenie hiperbolicznego reaktora plazmowego wirowego do usuwania mikrozanieczyszczeń z wody

Przeglądaj więcej filmów