Method Article

Implementação de um Reator de Plasma de Vórtice Hiperbólico para a Remoção de Micropoluentes na Água

DOI:

10.3791/68572

⸱

July 25th, 2025

 ,  ,  ,  , 
1Wetsus - Centre of Excellence for Sustainable Water Technology, 2Department of Electrical Engineering, Electrical Energy Systems group, Eindhoven University of Technology, 3Optical Sciences Group, Faculty of Science and Technology (TNW), University of Twente, 4Institute for Thermal Turbomachinery and Machine Dynamics, Graz University of Technology, 5Water Technology Research Group, NHL Stenden University of Applied Sciences

In This Article

Summary

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

Este estudo apresenta a metodologia para a geração de seis tipos diferentes de descargas de plasma dentro de um Reator de Plasma de Vórtice Hiperbólico para a degradação de micropoluentes na água, incluindo produtos farmacêuticos e substâncias per e polifluoroalquil (PFAS).

Abstract

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

A presença de micropoluentes na água é uma preocupação ambiental cada vez mais premente. Enquanto alguns micropoluentes são facilmente biodegradáveis, outros, como substâncias per e polifluoroalquil (PFAS), são extremamente persistentes e resistentes às tecnologias convencionais de tratamento de água. O tratamento à base de plasma tem sido investigado para descontaminação de água e efluentes há décadas, com estudos recentes demonstrando sua alta eficácia na degradação de PFAS de cadeia curta e longa. Aqui, o tratamento de resíduos à base de plasma é combinado com um vórtice de água hiperbólica de superfície livre, que possui um coeficiente de transferência de massa volumétrica de oxigênio superior ao de sistemas semelhantes. Vários tipos de descargas de plasma podem ser empregados para tais aplicações, cada um exigindo configurações específicas de fonte de alimentação e estratégias operacionais. O uso de sinais pulsados, em particular, apresenta desafios de engenharia únicos. Este estudo explora a geração e caracterização de seis tipos diferentes de descarga de plasma dentro de um Reator de Plasma de Vórtice Hiperbólico: monopolar pulsado (negativo e positivo), "flashover" bipolar pulsado, arco CA e CC e descarga luminescente. As características de pulso de descargas pulsadas monopolares e bipolares foram analisadas e sua eficiência na degradação de PFAS foi avaliada. Dentre as configurações testadas, a descarga de flashover bipolar exibiu a maior eficiência de degradação em um Reator de Plasma de Vórtice Hiperbólico. No entanto, sua implementação prática apresenta desafios significativos de engenharia, tornando sua utilização desafiadora em maior escala.

Introduction

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As estruturas espirais são fundamentais para a natureza, influenciando fenômenos que vão desde o arranjo microscópico do DNA até as vastas formações das galáxias 1,2. Na dinâmica de fluidos, os escoamentos helicoidais exibem propriedades únicas de mistura, transferência de energia e estabilidade, que podem ser aproveitadas para aplicações inovadorasde engenharia 3. Inspirados por esses padrões de fluxo natural, os vórtices de água hiperbólicos foram investigados por seu potencial em melhorar a aeração e permitir tecnologias avançadas de tratamento de água 4,5,6,7. Este estudo explora a integração da dinâmica de vórtices hiperbólicos com a descarga de plasma para a degradação de micropoluentes persistentes, em particular substâncias per e polifluoroalquil (PFAS).

A pesquisa inicial sobre funis hiperbólicos foi motivada por sua eficiência na aeração, um processo crucial no tratamento de água. Esses vórtices geometricamente confinados aumentam significativamente as interações gás-líquido, aumentando assim as taxas de transferência de oxigênio e minimizando o consumo de energia7. Uma explicação detalhada da formação e operação de vórtices de água hiperbólicos é fornecida em outro lugar6. Logo ficou claro que o alto grau de mistura e aumento da área de superfície que resultou em uma capacidade de aeração tão alta poderia ser utilizado para a degradação de poluentes. Com base nessa ideia, a descarga de plasma foi introduzida no sistema de vórtice, criando uma nova abordagem híbrida para a remoção de micropoluentes8.

Os micropoluentes, incluindo produtos farmacêuticos, pesticidas e PFAS, representam desafios ambientais e de saúde pública significativos devido à sua persistência e resistência aos métodos convencionais de tratamento de água9. Entre estes, os PFAS - comumente chamados de "produtos químicos para sempre" - são particularmente problemáticos devido às suas fortes ligações carbono-flúor, que conferem extrema estabilidade e potencial bioacumulativo10,11.

Uma ampla gama de tecnologias foi desenvolvida para lidar com a contaminação por PFAS, incluindo adsorção usando carvão ativado12,13 e separação por membrana14. Embora eficazes na captura de PFAS, esses métodos não são destrutivos e geram fluxos secundários de resíduos. O carvão ativado torna-se caro devido às necessidades frequentes de regeneração - especialmente em altas cargas de PFAS - e compete com co-contaminantes, enquanto os sistemas de membrana concentram PFAS em salmouras residuais que requerem tratamento adicional.

Processos de oxidação avançados (AOPs), como oxidação eletroquímica, ozonização, sistemas baseados em UV e oxidação supercrítica da água, visam degradar os PFAS em vez de separá-los15,16. No entanto, muitas vezes sofrem de altas demandas de energia, baixa seletividade (especialmente para PFAS de cadeia curta) e geração de subprodutos nocivos ou degradação incompleta.

As tecnologias baseadas em plasma ganharam recentemente atenção como um método destrutivo promissor, oferecendo rápida degradação do PFAS em comprimentos de cadeia 17,18,19,20. No entanto, a maioria dos estudos relata desempenho reduzido em PFAS de cadeia curta, que são frequentemente gerados como subprodutos intermediários durante o processo de tratamento. Além disso, o tratamento com plasma sozinho pode consumir muita energia e ser difícil de escalar.

Vários tipos de descarga de plasma foram explorados para aplicações de tratamento de água. Isso inclui descargas de brilho e arco de corrente contínua (CC), descargas de corrente alternada (CA), descarga corona pulsada, descarga de barreira dielétrica (DBD) e descarga de arco deslizante 8,21,22,23,24. Cada tipo de descarga de plasma exibe características distintas na geração de espécies reativas, distribuição de energia e vias de degradação de poluentes. Enquanto a descarga incandescente opera em temperaturas mais baixas e fornece ionização uniforme, a descarga de arco fornece aquecimento localizado intenso, tornando-a eficaz para quebrar poluentes orgânicos persistentes 25,26,27. As descargas pulsadas, como o plasma pulsado monopolar e bipolar, são caracterizadas por sua alta densidade de energia e pela geração de espécies reativas transitórias, que contribuem para aumentar a eficiência da degradação de micropoluentes em necessidades moderadasde energia 8.

Este estudo demonstra um método para gerar e operar seis tipos diferentes de descargas de plasma dentro de um Reator de Plasma de Vórtice Hiperbólico: (i) pulsado monopolar negativo, (ii) pulsado monopolar positivo, (iii) pulsado bipolar "flashover", (iv) arco AC, (v) arco DC e (vi) descarga luminescente. Cada um desses modos de descarga tem interações únicas com o vórtice hiperbólico, influenciando a geração de espécies reativas de oxigênio e nitrogênio (RONS), radiação ultravioleta, ondas de choque, elétrons energéticos e elétrons solvatados, todos os quais contribuem para a degradação de poluentes. As configurações dos eletrodos para cada tipo de descarga de plasma utilizado nos experimentos são representadas na Figura 1. A integração de tais modos de descarga de plasma com mistura induzida por vórtice permite maior transferência de massa e melhor contato entre contaminantes e espécies reativas, resultando em degradação mais eficaz de micropoluentes.

Conforme demonstrado em 28,29, a adição de um surfactante catiônico aumenta ainda mais a eficiência da degradação, promovendo o transporte de moléculas de PFAS para a interface plasma-água, onde ocorrem os processos reativos mais intensos. Os resultados indicam que este sistema atinge a degradação quase completa do PFAS, mantendo a viabilidade operacional.

Além disso, como demonstrado em outro lugar30, amostras contaminadas com PFAS tratadas em um reator de plasma de vórtice hiperbólico sob uma atmosfera de ar não exibiram aumento de citotoxicidade ou genotoxicidade. Essas descobertas apóiam ainda mais o potencial dessa tecnologia como uma abordagem promissora para a remoção de PFAS.

As implicações desta pesquisa vão além da degradação do PFAS. A combinação de mistura induzida por vórtice hiperbólico e tratamento de plasma oferece uma solução escalável e adaptável para vários desafios de tratamento de água, desde a remoção de contaminantes orgânicos até a oxigenação aprimorada. Estudos futuros se concentrarão na otimização das configurações do reator, investigando o destino dos subprodutos da degradação e avaliando o desempenho do sistema a longo prazo em aplicações do mundo real.

Ao combinar a dinâmica de fluidos inspirada na natureza com a química avançada do plasma, este estudo abre caminho para tecnologias de tratamento de água mais sustentáveis e eficazes que abordam questões ambientais críticas, reduzindo o consumo de energia e recursos.

Protocol

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1. Recomendações gerais

  1. Antes de manusear a configuração experimental, descarregue qualquer carga estática acumulada tocando nas partes condutoras com um bastão de aterramento.
  2. Inspecione todas as conexões hidráulicas e elétricas da configuração quanto à integridade e funcionalidade adequada.
  3. Inicie as bombas a uma baixa vazão (80 L·h-1) usando água limpa e verifique a ausência de vazamentos.
  4. Certifique-se de que o reator esteja livre de vazamentos de gás, purgando-o com ar comprimido a 1 atm e aplicando uma solução de água e sabão em todas as conexões.
    NOTA: Se aparecerem bolhas após a execução da etapa 1.4, isso indica um vazamento de gás que deve ser identificado e selado antes do tratamento.

2. Configuração experimental

  1. Configuração do plasma de vórtice hiperbólico (Figura 2)
    1. Descarregue todos os componentes metálicos tocando-os com uma vara de aterramento.
      NOTA: Se uma carga residual estiver presente após trabalhar com alta tensão, ocorrerá uma faísca visível e audível entre o bastão de aterramento e o componente carregado.
    2. Ative o sensor Dräger (12 na Figura 2), pressionando e segurando o botão OK por três segundos para permitir a detecção de ozônio, nitrito e oxigênio gerados pelo plasma. Coloque o sensor dentro do gabinete direito para verificar possíveis vazamentos de gás.
    3. Conecte o reservatório de água (14 na Figura 2) contendo água deionizada à configuração por meio da mangueira designada.
    4. Inicie a bomba primária pressionando o botão play , para introduzir água no funil hiperbólico, garantindo uma vazão de 85 L·h-1, que excede ligeiramente o limite necessário para a formação do vórtice6 desejável.
      NOTA: Em taxas de fluxo mais altas, o nível de água no reator pode subir ligeiramente acima do nível ideal necessário para uma operação estável.
    5. Ligue a bomba secundária pressionando o botão play , garantindo uma vazão de 10 L·h-1 para extrair água da seção superior do funil hiperbólico, estabilizando assim o nível da água e mantendo uma distância constante entre os eletrodos e a superfície da água.
      NOTA: O uso das bombas primária e secundária garante um nível de água estável no reator. Operar apenas a bomba primária pode levar a flutuações no nível da água.
    6. Uma vez alcançado um vórtice estável e não sendo detectadas fugas, substituir a água limpa pela amostra experimental e repetir os passos 2.1.3 e 2.1.4.
    7. Se necessário, ajuste a distância entre o eletrodo e a água para otimizar a formação de plasma.
    8. Purgue o reator com um baixo fluxo de ar comprimido (0,1 atm) para estabilizar a atmosfera interna e garantir condições ideais de descarga de plasma31.
    9. Se estiver usando um surfactante catiônico, conecte um reservatório auxiliar contendo a solução de surfactante e introduza-o por meio de uma bomba dosadora na concentração desejada antes da entrada do reator.

3. Diferentes tipos de descargas de plasma

  1. Descarga de arco CC
    1. Utilize o circuito elétrico representado na Figura 3A.
    2. Conecte o alto volume positivo e negativotage saídas do retificador de ponte aos eletrodos posicionados acima da superfície do vórtice de água.
      NOTA: Se estiver trabalhando com uma única polaridade (positiva ou negativa), aterre o respectivo terminal e opere exclusivamente com a polaridade preferida.
    3. Conecte o variac à tomada de alimentação de 230 V CA e desengate o interruptor de segurança vermelho para habilitar o alto voltage.
    4. Acenda a descarga de plasma aumentando gradualmente a tensão (0 V a 250 V) usando o variac.
  2. Descarga de arco CA
    1. Utilize o circuito elétrico representado na Figura 3B.
    2. Conecte ambas as saídas de alta tensão aos eletrodos posicionados acima da superfície do vórtice de água.
      NOTA: Se estiver operando com uma única saída, aterre o respectivo terminal.
    3. Conecte o variac à tomada de alimentação de 230 V CA e desengate o interruptor de segurança vermelho para habilitar o alto voltage.
    4. Acenda a descarga de plasma aumentando gradualmente a tensão (0 V a 250 V) usando o variac.
  3. Descarga luminescente na atmosfera de hélio
    1. Utilize o circuito elétrico representado na Figura 4.
      NOTA: Diferentes circuitos elétricos podem ser empregados dependendo dos requisitos específicos de descarga luminescente (Figura 3, Figura 4, Figura 5 e Figura 6).
    2. Conecte o alto voltage saídas aos eletrodos posicionados acima da superfície do vórtice de água.
      NOTA: A descarga luminescente se forma entre eletrodos de polaridade oposta. Ajustar o número e a colocação dos eletrodos modifica a topologia de descarga.
    3. Conecte o variac à tomada de alimentação de 230 V CA e desengate o interruptor de segurança vermelho para habilitar o alto voltage.
    4. Introduza hélio na vazão preferida abrindo uma válvula de gás.
      NOTA: Aguarde tempo suficiente para que o hélio substitua o ar ambiente. A cor da descarga luminescente muda de roxo para branco à medida que a concentração de hélio aumenta. Taxas de fluxo mais altas de gás hélio aumentam o brilho da descarga.
    5. Acenda a descarga de plasma aumentando gradualmente a tensão de 0 V usando o variac até que ocorra uma ruptura elétrica entre os eletrodos e as transições de plasma da descarga incandescente para a descarga de arco.
      NOTA: Volume excessivotage pode transformar a descarga de brilho em uma descarga de arco pulsado devido aos efeitos do capacitor no circuito.
  4. Descarga pulsada bipolar "flashover"
    1. Utilize o circuito elétrico representado na Figura 4.
    2. Conecte o alto voltage saídas aos eletrodos posicionados acima da superfície do vórtice de água.
      NOTA: O circuito na Figura 4 permite uma configuração flexível do eletrodo. Neste estudo, foram utilizados 16 eletrodos.
    3. Conecte o variac à tomada de alimentação de 230 V CA e desengate o interruptor de segurança vermelho para habilitar o alto voltage.
    4. Acenda a descarga de plasma aumentando gradualmente a tensão (0 V a 250 V) usando o variac.
  5. Descargas de serpentina pulsada monopolar positiva e negativa
    1. Utilize o circuito elétrico representado na Figura 5 ou Figura 6 para descarga positiva ou negativa, respectivamente.
    2. Conecte o respectivo alto volumetage saída (positiva ou negativa) aos eletrodos posicionados acima da superfície do vórtice de água.
    3. Conecte o terminal oposto a um centelhador e aterre a outra extremidade.
      NOTA: Alternativamente, o centelhador pode ser aterrado por meio de um eletrodo submerso na água aterrada do reator.
    4. Purgue o centelhador com ar comprimido (0.5-1 atm) abrindo a válvula de gás e ajustando o fluxo para garantir uma atmosfera interna estável e manter a temperatura consistente.
      NOTA: Variações na composição do gás, temperatura, pressão e espaçamento do eletrodo dentro do centelhador influenciam as características do plasma.
    5. Conecte o variac à tomada de alimentação de 230 V CA e desengate o interruptor de segurança vermelho para habilitar o alto voltage.
    6. Acenda a descarga de plasma aumentando gradualmente a tensão (0 V a 250 V) usando o variac.
  6. Encerramento do experimento
    1. Interrompa a operação de alta tensão reduzindo a tensão variável, desligando a fonte de alimentação e acionando a chave de segurança.
    2. Se aplicável, pare a bomba de dosagem do surfactante catiônico.
    3. Feche todas as válvulas de gás para hélio e ar comprimido, se forem usadas.
    4. Verifique o aterramento de todos os componentes metálicos tocando-os com uma vara de aterramento.
    5. Inverta a direção do fluxo da bomba para transferir as amostras tratadas de volta ao reservatório de água.
    6. Enxágue a instalação circulando água limpa e/ou um solvente orgânico através do sistema.
    7. Colete e descarte adequadamente os resíduos, garantindo a conformidade com os regulamentos de segurança para substâncias perigosas.
    8. Realize uma inspeção final para confirmar se todos os componentes estão desligados, se não há vazamentos e se a configuração está segura para uso posterior.

Results

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Os circuitos elétricos ilustrados na Figura 3, Figura 4, Figura 5 e Figura 6 operam da seguinte forma: Um variac (V), conectado à rede de 230 V CA, regula a tensão de entrada e a fornece a um transformador de néon (T), que aumenta a tensão para CA de alta tensão. Este CA de alta tensão é então convertido em CC de alta tensão por um retificador de ponte composto de diodos (D1-D 4). O sinal DC resultante carrega os capacitores (Cx) e a corrente é distribuída em várias ramificações por meio de diodos adicionais (Dx). Resistores de sangria (Rx) estão incluídos para garantir uma descarga gradual dos capacitores após o desligamento do sistema. Na configuração de descarga monopolar, um centelhador (SG) é usado para interconectar os terminais aterrados dos capacitores no lado da polaridade inativa.

A Figura 7 ilustra uma análise comparativa dos perfis de pulso de corrente e tensão para descargas de plasma de flashover monopolar positivo, monopolar negativo e bipolar. A duração do pulso da descarga de flashover foi aproximadamente duas ordens de magnitude menor do que a dos pulsos monopolares (0,6 μs vs. 60 μs, respectivamente). Além disso, a corrente de pico da descarga de flashover (3,4 A) foi significativamente maior em comparação com os pulsos monopolar positivo (60 mA) e negativo (30 mA). No caso de pulsos monopolares, os filamentos de plasma se propagam ao longo da superfície da água. Por outro lado, para a descarga de flashover, um canal de plasma é estabelecido através da interface gás-água entre o cátodo e o ânodo. Quando filamentos de plasma de polaridades opostas convergem na superfície da água, eles criam um canal de plasma condutor de baixa impedância, aumentando a mobilidade das partículas carregadas. Essa redução na impedância está associada à menor duração do pulso observada no regime de descarga de flashover.

A Figura 8 apresenta a simulação LTspice32 da diferença de potencial durante o carregamento do capacitor e a descarga rápida, correspondendo aos circuitos elétricos mostrados na Figura 4, Figura 5 e Figura 6. A simulação ilustra o carregamento do capacitor por meio da conversão CA para CC por meio de um retificador de ponte de alta tensão. Como a descarga de plasma não pode ser simulada diretamente no LTspice, uma chave controlada por tensão foi implementada para emular a quebra. Ao disparar, ocorre uma rápida queda de tensão. Embora a forma detalhada do pulso de descarga não possa ser modelada - devido à sua dependência de fatores como pressão, temperatura, umidade, folga do eletrodo e condutividade da água - a simulação demonstra claramente a funcionalidade dos circuitos propostos e sua capacidade de gerar sinais pulsados com várias configurações de polaridade.

A Figura 9 representa graficamente a energia por pulso e o consumo de energia para os três tipos de descargas. A entrada de energia para a descarga monopolar positiva foi medida em 1,8 W, a descarga monopolar negativa em 1,6 W e a descarga de flashover em 1,2 W. Portanto, em uma determinada potência de plasma, a duração do tratamento com plasma corresponde diretamente à entrada total de energia. Uma descrição detalhada da metodologia de medição de energia pode ser encontrada em8.

A Figura 10 mostra as mudanças na química da água após 75 minutos de tratamento com plasma em uma atmosfera de ar usando os três tipos de descarga. Os principais parâmetros analisados incluem pH, potencial de oxidação-redução (ORP), condutividade elétrica (CE) e as concentrações de oxigênio reativo (peróxido de hidrogênio H2O2) e espécies de nitrogênio (nitrito NO2- e nitrato NO3-). Entre as três descargas, a descarga de flashover induziu as mudanças químicas mais pronunciadas e a maior produção de RONS. Apesar de exigir a menor entrada de energia (1,2 W, Figura 9), a descarga de flashover exibiu a maior eficiência de tratamento. Isso pode ser atribuído à sua curta duração de pulso, que impede que as serpentinas façam a transição para arcos quentes com dissipação ôhmica significativa, aumentando assim a probabilidade de ionização e a geração de espécies reativas.

Além disso, a descarga de flashover estabelece um canal de plasma entre dois eletrodos de carga oposta posicionados na interface plasma-água, estendendo-se por aproximadamente 5 cm de comprimento. Essa configuração aumenta significativamente a área de interação plasma-água em comparação com os pulsos monopolares, aumentando assim a produção de espécies reativas e facilitando o tratamento mais eficaz da fase líquida.

Todas as amostras de PFAS foram analisadas por cromatografia líquida-espectrometria de massa. Uma coluna (1,8 μm, 50 × 2,1 mm) foi usada para a análise. Para garantir a estabilidade da amostra, eles foram diluídos 1:1 com metanol e 1 mL da amostra diluída foi transferido para um frasco plástico catiônico. A desfluoração foi avaliada medindo a concentração de íons de flúor livres nas amostras de água usando um eletrodo de flúor combinado.

A Figura 11 discute a degradação do ácido perfluorooctanossulfônico (PFOS) ao longo do tempo para concentrações iniciais de 14 μg· L−1 ± 5% e 240 μg· L−1 ± 5%. A descarga de flashover demonstrou a maior eficiência de degradação de PFOS, exigindo a menor entrada de energia. Consequentemente, experimentos subsequentes foram conduzidos exclusivamente com a descarga de flashover para otimizar o desempenho do tratamento.

A Figura 12 demonstra a degradação de uma matriz PFAS, consistindo em moléculas de diferentes comprimentos de cadeia, juntamente com subprodutos de degradação detectados. Enquanto o PFAS de cadeia longa exibiu eficiências de degradação superiores a 92% após 75 min de tratamento, o PFAS de cadeia curta apresentou taxas de degradação significativamente mais baixas. Além disso, os compostos PFAS de cadeia curta (ácido perfluorohexanóico (PFHxA), ácido perfluoropentanóico (PFPeA) e ácido perfluorobutanóico (PFBA)) surgiram como subprodutos de degradação de moléculas de cadeia mais longa, sem degradação observável dessas espécies mais curtas. Isso pode ser explicado pelas propriedades físico-químicas distintas do PFAS. Os PFAS de cadeia longa, possuindo fortes propriedades surfactantes, tendem a se acumular na interface gás-líquido ou aderir a superfícies, facilitando a interação com espécies energéticas geradas por plasma. Em contraste, os PFAS de cadeia curta exibem maior hidrofilicidade e tendem a permanecer dispersos na solução a granel, limitando sua exposição direta ao plasma33. Conforme relatado anteriormente31, a principal via de degradação do PFAS em sistemas de plasma envolve interações com espécies reativas geradas por plasma, como elétrons, íons, radicais hidroxila e elétrons solvatados. Devido ao seu curto tempo de vida, essas espécies estão confinadas principalmente à interface ar-água. Consequentemente, os PFAS de cadeia longa, que se acumulam preferencialmente na superfície, sofrem uma degradação mais eficiente, enquanto os PFAS de cadeia curta, que permanecem dissolvidos na solução a granel, são menos afetados. No mesmo estudo, a degradação do PFAS foi avaliada com e sem purga de ar. A concentração de espécies reativas foi significativamente maior no sistema não purgado, o que aumentou ligeiramente a degradação do PFAS de cadeia curta. No entanto, isso também levou ao aumento da dissipação de energia dentro da zona de plasma, resultando em eficiência de degradação reduzida para PFAS de cadeia longa.

A maioria das moléculas de PFAS funciona como surfactantes aniônicos devido aos seus grupos funcionais terminais carregados negativamente (como, por exemplo, RCOO-, RSO3-)33. Para aumentar a eficiência de degradação dos PFAS de cadeia curta, que exibem propriedades surfactantes mais fracas, um surfactante catiônico, Hyamine 1622, foi adicionado a uma taxa de fluxo de 4 μM·min−1. Este surfactante interage com os grupos principais de PFAS carregados negativamente, formando pares de íons que facilitam o transporte para a interface plasma-água, melhorando significativamente a eficiência da degradação. Propõe-se que a via de degradação primária envolva interações entre complexos PFAS-hiamina e elétrons e íons gerados por plasma31.

A Figura 13 mostra a degradação da mesma matriz PFAS da Figura 12, mas com a adição do surfactante. Uma comparação das Figuras 12 e 13 demonstra claramente que a dosagem de surfactante melhora substancialmente a eficiência de degradação para moléculas de PFAS de cadeia longa e curta. Após 10 min de tratamento, a degradação do PFAS de cadeia longa excedeu 90%, atingindo mais de 97% após 75 min. Semelhante aos resultados observados na ausência de surfactante, os PFAS de cadeia curta requerem um tempo de degradação mais longo, em parte devido à sua formação como subprodutos de degradação de compostos de cadeia mais longa. No entanto, a introdução da hiamina 1622 aumenta significativamente a degradação do PFAS de cadeia curta. Especificamente, os resultados do tratamento com PFBA melhoraram de 19% de recuperação para 53% de degradação, enquanto a degradação do PFBS aumentou de 22% para 95% após 75 minutos de tratamento. As concentrações de PFAS antes e após o tratamento, com e sem dosagem de surfactante, são apresentadas na Tabela 1.

Além disso, subprodutos de degradação, incluindo PFHxA e PFPeA, foram detectados. No entanto, ao contrário dos experimentos anteriores, suas concentrações diminuíram após 20 min para PFHxA e 30 min para PFPeA. Após 75 min de tratamento, suas concentrações se aproximaram do limite de detecção, indicando encurtamento progressivo da cadeia dos intermediários de degradação do PFAS. Além disso, a eficiência de desfluoração melhorou de 48% para 82% (Figura 14), apoiando ainda mais as tendências de degradação observadas e sugerindo um alto grau de mineralização de PFAS.

Além disso, amostras de água subterrânea contaminadas com PFAS foram tratadas com e sem adição de surfactante por 75 min (Figura 15). As concentrações iniciais de PFAS são apresentadas na Tabela 2. Essas amostras foram coletadas em aquíferos rasos na Holanda, no entanto, devido a acordos de confidencialidade, os locais exatos não podem ser divulgados. Em comparação com os resultados mostrados nas Figuras 12 e 13, a eficiência geral de degradação foi menor em ambos os casos - com e sem dosagem de surfactante. Notavelmente, a degradação de PFAS de cadeia curta contendo grupos funcionais carboxílicos, como PFPeA e PFBA, permaneceu limitada mesmo com a dosagem de surfactante, atingindo apenas 40% e 2% de remoção, respectivamente. Essa eficiência reduzida provavelmente se deve às altas concentrações de íons concorrentes presentes nas águas subterrâneas (Tabela 3), que podem dificultar a formação de complexos PFAS-hiamina e, assim, limitar sua degradação. Esses achados sugerem que amostras altamente contaminadas podem se beneficiar do pré-tratamento para reduzir as concentrações de íons ou podem exigir durações prolongadas de tratamento. Notavelmente, uma diminuição substancial no carbono orgânico e inorgânico total foi observada em todos os casos (Tabela 3), indicando que o tratamento com plasma é capaz de degradar não apenas o PFAS, mas também uma ampla gama de outras substâncias em solução - destacando seu potencial como uma tecnologia versátil de tratamento de água.

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Figura 1: Configurações de eletrodos para vários tipos de descarga de plasma. Os círculos vermelhos denotam eletrodos com polaridade positiva, os círculos azuis indicam eletrodos com polaridade negativa, os círculos roxos representam eletrodos conectados a CA de alta tensão e os círculos pretos correspondem a eletrodos aterrados devido à sua conexão com água aterrada no reator. (A) descarga positiva monopolar, (B) descarga negativa monopolar, (C) descarga de flashover bipolar, (D) descarga de arco CA, (E) descarga de arco CC e (F) descarga de brilho. Clique aqui para ver uma versão maior desta figura.

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Figura 2: Foto da configuração do plasma de vórtice hiperbólico: 1. Bombas peristálticas; 2. sondas de pH, potencial de redução de oxidação (ORP) e condutividade elétrica (CE); 3. Transmissor; 4. Conectores BNC para medição de sinal de tensão e corrente; 5. Funil hiperbólico; 6. Eletrodos de aço inoxidável; 7. Sonda de alta tensão; 8. Transformador de corrente; 9. Circuito elétrico feito-à-medida; 10. Transformador de néon; 11. Tampa do funil com eletrodos instalados, ventilação e conexões de linha de gás; 12. Detector de gás; 13. Entradas e saídas de água aterrada para o gabinete; 14. Reservatório de água. Clique aqui para ver uma versão maior desta figura.

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Figura 3: Diagrama do circuito elétrico da fonte de alimentação de alta tensão usada para experimentos. (A) Descarga de plasma de arco CC, (B) Descarga de plasma de arco CA. Clique aqui para ver uma versão maior desta figura.

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Figura 4: Diagrama do circuito elétrico da fonte de alimentação de alta tensão usada para os experimentos com flashover bipolar e descargas luminescentes. (A) Circuito elétrico, (B) fotografia da descarga de plasma de flashover bipolar em operação. Clique aqui para ver uma versão maior desta figura.

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Figura 5: Diagrama do circuito elétrico da fonte de alimentação de alta tensão usada para experimentos com descarga positiva monopolar. (A) Circuito elétrico, (B) fotografia da descarga de plasma positiva monopolar em operação. Clique aqui para ver uma versão maior desta figura.

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Figura 6: Diagrama do circuito elétrico da fonte de alimentação de alta tensão usada para experimentos com descarga negativa monopolar. (A) Circuito elétrico, (B) fotografia da descarga de plasma negativa monopolar em operação. Clique aqui para ver uma versão maior desta figura.

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Figura 7: Características de pulso de corrente e tensão. (A, B) Para descargas monopolares positivas e negativas, (C,D) para descarga flash bipolar. Clique aqui para ver uma versão maior desta figura.

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Figura 8: Simulação da diferença de potencial durante o carregamento do capacitor e descarga rápida no LTspice. (A) Para descarga de flashover e (B) para descargas monopolares positivas e negativas. Clique aqui para ver uma versão maior desta figura.

figure-results-9
Figura 9: Características de energia para três tipos diferentes de descargas bipolares e monopolares: flashover bipolar, monopolar positivo e monopolar negativo. (A) Energia por pulso, (B) potência do plasma. Clique aqui para ver uma versão maior desta figura.

figure-results-10
Figura 10: Mudança nas propriedades químicas da água, pH, EC, ORP, produção de oxigênio reativo (H2O2) e espécies de nitrogênio (NO2− e NO3−), após 75 min de tratamento para três tipos diferentes de descargas bipolares e monopolares: flashover bipolar, monopolar positivo e monopolar negativo. Clique aqui para ver uma versão maior desta figura.

figure-results-11
Figura 11: Degradação do PFOS ao longo do tempo em diferentes concentrações. Os resultados comparam três modos de descarga: flashover bipolar, monopolar positivo e descargas monopolares negativas. (A) 14 μg· L−1 ± 5%, (B) 240 μg· L−1 ± 5%. Clique aqui para ver uma versão maior desta figura.

figure-results-12
Figura 12: Conversão da matriz PFAS ao longo do tempo em efluentes artificiais. Valores negativos indicam recuperação de PFAS. (A) conversão da matriz PFAS, (B) subprodutos de degradação identificados. Clique aqui para ver uma versão maior desta figura.

figure-results-13
Figura 13: Conversão da matriz PFAS ao longo do tempo em efluente artificial sob dosagem constante de hiamina 1622. (A) Conversão da matriz PFAS, (B) subprodutos de degradação identificados. Clique aqui para ver uma versão maior desta figura.

figure-results-14
Figura 14: Desfluoração da matriz PFAS em efluente artificial ao longo do tempo sob descarga de plasma de ar com e sem dosagem constante de surfactante de hiamina 1622. Clique aqui para ver uma versão maior desta figura.

figure-results-15
Figura 15: Conversão de PFAS em águas subterrâneas contaminadas após 75 min de tratamento com entrada de energia de 1,2 kWh·m-3 com e sem dosagem de hiamina 1622. Um valor negativo indica recuperação de PFAS. Clique aqui para ver uma versão maior desta figura.

NomeFórmulaA concentração inicial (μg· L-1)Concentração final sem dosagem de surfactante (μg· L-1)Concentração final com dosagem de surfactante (μg· L-1)
PFDAC10HF19O26.20.120.12
PFNAC9HF17O211.80.410.47
PFOSC8HF17O3S8.70.650.22
PFOAC8HF15O216.31.200.52
PFHpAC7HF13O213.93.940.17
PFBSC4HF9O3S19.116.370.90
PFBAC4HF7O210.312.694.81

Tabela 1: Concentrações de compostos PFAS enriquecidos em efluentes artificiais antes e depois do tratamento, com e sem dosagem de hiamina 1622.

NomeFórmulaConcentração inicial / μg· L-1Concentração final sem dosagem de surfactante (μg· L-1)Concentração final com dosagem de surfactante (μg· L-1)
PFOSC8HF17O3S5.04.3<0.03
PFOAC8HF15O22.40.8<0.02
PFHpAC7HF13O20.90.4<0,05
PFHxSC6HF13O3S0.60.2<0,05
FósforoC6HF11O25.53.60.3
PFPeAC5HF9O22.32.21.4
PFBSC4HF9O3S23.817.91
PFBAC4HF7O22.732.6

Tabela 2: Concentrações de compostos PFAS nas águas subterrâneas antes e depois do tratamento, com e sem dosagem de hiamina 1622.

SubstânciaSem surfactanteCom surfactante
0 min75 min0 min75 min
Carbono Inorgânico562475641480
Carbono Orgânico Total252226257221
Sulfato396426420442
Cloreto2000216020002160
Sódio1692175616601788
Potássio552578532588
Magnésio133122128117

Quadro 3: Alterações do teor de água de algumas substâncias em mg· L-1 em água subterrânea antes e após o tratamento com e sem dosagem de surfactante.

Discussion

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

Antes de iniciar os experimentos, todas as conexões elétricas devem ser inspecionadas minuciosamente. Antes de interagir com componentes de alta tensão, um bastão de aterramento deve ser usado para descarregar qualquer carga residual no circuito. Essas medidas de segurança abrangentes devem ser implementadas para mitigar o risco de choques elétricos acidentais, mesmo em casos de supervisão processual (interruptores de porta, resistor de sangria conectado aos capacitores, etc.), porque os capacitores de alta tensão podem recarregar devido ao efeito de memória, eletricidade estática atmosférica ou radiação cósmica. Sua ordem de magnitude de energia armazenada para esses experimentos normalmente é 10-1-10 1 J, sendo perigosa até mesmo letal. Portanto, as etapas 1.1 e 2.1.1 são críticas para garantir a operação segura do sistema. Antes de alimentar o sistema, a configuração deve ser verificada quanto a vazamentos nas fases gasosa e líquida do reator. Os gases gerados por plasma contêm espécies reativas que podem representar riscos de inalação, tornando as etapas 1.4 e 2.1.2 especialmente importantes. Todas as entradas e saídas da câmara operacional devem ser aterradas. O invólucro do reator deve ser construído em metal e devidamente aterrado para garantir uma operação segura. Além disso, verificar a ausência de vazamentos de água é essencial, pois os compostos PFAS são classificados como substâncias CMR e não devem contaminar o ambiente laboratorial. Portanto, atenção especial deve ser dada à etapa 1.3 antes de iniciar o experimento.

Neste estudo, o maior desempenho foi alcançado com descargas de flashover. Este modo de descarga resultou em maior produção de RONS (figura 10) e maior degradação do PFOS (figura 11), exigindo menos energia do que os outros tipos de descarga testados (figura 9). Embora as descargas de flashover tenham demonstrado desempenho superior, sua implementação apresenta desafios devido à necessidade de dois canais de carga oposta conectados ao mesmo capacitor. A ampliação dessa abordagem requer uma fonte de alimentação mais potente. Em nossa configuração atual, um transformador converte a tensão principal CA (até 220 V) em CA de alta tensão (até 10 kV), que é então retificada em CC usando diodos. Embora o sinal CC resultante se aproxime de uma forma de onda CC ideal, pequenas flutuações permanecem34. Nosso design de circuito oferece flexibilidade operacional em vários regimes. No entanto, aplicações em larga escala exigirão fontes de alimentação CC de alta tensão, que normalmente operam com uma única polaridade e uma única saída de alta tensão, restringindo a capacidade de trabalhar com várias polaridades simultaneamente.

As descargas de arco CA e CC não foram testadas quanto à degradação de micropoluentes devido ao seu consumo de energia significativamente maior, o que tornaria sua aplicação industrial economicamente inviável, particularmente no caso do plasma CC. Em um estudo anterior8 foi demonstrado que o aumento da área interfacial plasma-líquido aumenta a geração de RONS para a mesma entrada de energia, melhorando assim a eficiência da degradação de micropoluentes. Em nossos circuitos elétricos (Figura 3A, Figura 4, Figura 5 e Figura 6), os diodos convertem energia CA em CC para carregar os capacitores, sua energia armazenada é então distribuída pelas geometrias dos eletrodos para gerar múltiplas descargas de plasma de potência pulsada.

À pressão atmosférica e condições padrão, uma descarga de incandescência estável só pode ser sustentada usando gases nobres com altas energias de ionização, como hélio (primeira energia de ionização 24,6 eV) ou neônio (primeira energia de ionização 21,6 eV)35. O argônio, com uma primeira energia de ionização de 15,8 eV35, não suporta descarga de brilho estável nessas condições. No entanto, a descarga luminescente ainda pode ser gerada no ar por meio da aplicação de um campo magnético externo para estabilização do plasma36. O alto custo do uso de gases nobres tornou a descarga luminescente inadequada para a degradação de micropoluentes neste estudo.

Conforme discutido na introdução, os métodos convencionais de tratamento, como adsorção, filtração por membrana e processos avançados de oxidação, enfrentam limitações significativas no tratamento eficaz da contaminação por PFAS. A descarga de plasma apresenta uma alternativa promissora para a degradação de PFAS, com consumo de energia relatado variando de vários kWh·m-3 a mais de 1000 kWh·m-3, dependendo de fatores como concentração de micropoluentes, composição da amostra e parâmetros plasmáticos 29,37,38,39,40,41. No entanto, os PFAS de cadeia curta permanecem particularmente resistentes à degradação, e os subprodutos de cadeia mais curta, como o PFBA, foram identificados como intermediários na quebra de PFAS de cadeia mais longa.

A novidade do nosso trabalho está na combinação de um reator de plasma de vórtice hiperbólico com dosagem de surfactante catiônico de hiamina 1622, melhorando significativamente as taxas de degradação, inclusive para PFAS de cadeia curta (Figura 13). Este projeto de reator aumenta a área interfacial plasma-líquido e facilita a mistura aprimorada através do vórtice de água. Em 75 min de tratamento com uma entrada de energia moderada de 1,2 kWh·m-3, nosso sistema atinge 95-100% de degradação da maioria dos PFAS (exceto PFBA, que ainda mostra 53% de remoção). Esses resultados superam muitos estudos somente de plasma e demonstram que nossa abordagem pode alcançar mineralização profunda de PFAS sob entrada de energia relativamente baixa. No entanto, este estudo foi realizado em escala laboratorial. Para melhorar sua aplicação prática, é necessário aumentar a escala, incluindo modificações na geometria do reator - especificamente, expandindo a seção cilíndrica superior - para aumentar o volume de água tratada e acomodar eletrodos adicionais. Essas modificações aumentariam a interação plasma-água e melhorariam a eficiência do tratamento. Embora o projeto elétrico do reator permita um dimensionamento direto, o aumento da energia operacional exige fontes de alimentação mais robustas e medidas de segurança aprimoradas para garantir um desempenho estável e eficiente em maior escala. A ampliação do sistema exigirá um aumento na fonte de alimentação e no tamanho do banco de capacitores, o que apresenta preocupações de segurança significativas. Todos os componentes elétricos devem ser cuidadosamente dispostos e posicionados próximos ao reator, permanecendo inacessíveis durante a operação. Para garantir uma descarga segura, cada capacitor deve ser aterrado individualmente após o uso, exigindo chaves de aterramento dedicadas, pois não podem ser interconectadas e devem ser isoladas umas das outras com diodos para separação de corrente contínua. Além disso, níveis de potência mais altos gerarão campos eletromagnéticos mais fortes que podem interferir na instrumentação próxima. Portanto, tanto o reator quanto o equipamento ao redor devem ser devidamente protegidos, de preferência dentro de uma gaiola de Faraday. O controle preciso do vórtice de água é essencial, pois o desempenho da descarga de plasma é altamente sensível às condições de fluxo e à geometria do funil. Isso requer um sistema de controle hidráulico bem programado. Além disso, o reator deve ser adequadamente isolado, conectado a um sistema de ventilação e equipado com uma entrada de gás para purga. Se forem esperadas altas concentrações de subprodutos fluorados voláteis, como fluoreto de hidrogênio, devem ser implementadas etapas suplementares de tratamento de gás. Estes podem incluir sistemas de depuração a seco ou úmido42,43 ou a aplicação de adsorventes à base de cálcio44.

O consumo de energia do reator em escala piloto poderia ser reduzido com a adição de surfactantes, que concentram PFAS na interface ar-água. Ao diminuir a relação superfície-volume, os compostos PFAS tornam-se mais localizados na interface, permitindo que o plasma interaja com uma concentração mais alta de compostos-alvo por unidade de área, aumentando assim a eficiência de degradação por descarga. No entanto, aumentar o volume total de água pode estender a duração necessária do tratamento, potencialmente compensando a economia de energia. A utilização de uma fonte de alimentação CC de alta tensão e alta potência para carregamento do capacitor permite o controle preciso da entrada de energia, permitindo a avaliação sistemática de diferentes regimes de energia para otimização.

Pesquisas futuras se concentrarão na ampliação da tecnologia com base nos princípios operacionais descritos para atingir uma capacidade de tratamento de 1 m3·h-1 para aplicações em escala piloto. Além disso, uma investigação detalhada dos produtos de degradação é essencial, com particular interesse na formação e quebra do PFAS de cadeia mais curta, ácido trifluoroacético, bem como outros produtos de transformação potenciais. Estudos adicionais também terão como objetivo identificar um surfactante catiônico eficaz, biodegradável e econômico, capaz de aumentar a degradação do PFAS por meio da formação aprimorada de complexos surfactante-PFAS.

Disclosures

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

Os autores declaram que não têm interesses financeiros concorrentes conhecidos ou relacionamentos pessoais que possam ter influenciado o trabalho relatado neste artigo. Durante a preparação deste trabalho, os autores utilizaram OpenAI (2023), ChatGPT (versão março de 2025) [Large language model] para estruturar o texto. Depois de usar essa ferramenta, os autores revisaram e editaram o conteúdo conforme necessário e assumem total responsabilidade pelo conteúdo da publicação.

Acknowledgements

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

Este trabalho foi realizado no âmbito da cooperação do Centro Europeu de Excelência para Tecnologia Sustentável da Água (www.wetsus.eu) da Wetsus no âmbito do tema Física da Água Aplicada no laboratório de alta tensão Gilbert-Armstrong. A Wetsus é cofundada pelo Ministério de Assuntos Econômicos e Ministério de Infraestrutura e Meio Ambiente da Holanda, pela Província da Frísia e pelas Províncias do Norte da Holanda. Esta pesquisa recebeu financiamento do programa de pesquisa e inovação Horizonte 2020 da União Europeia sob o Acordo de Subvenção Marie Sklodowska-Curie nº 665874.

Materials

List of materials used in this article
NameCompanyCatalog NumberComments
Resistores de sangriaTedssRCR42G206JS20 meses
Conectores BNCAliExpressN/AADAPTADOR BNC
CapacitorAnXonAXCT8GD202K40DB40 kV 2000 pF
Surfactante catiônicoSigma-Aldrich51126-1L-FSolução de hiamina 1622
ColunaA Agilent   Zorbax Eclipse Plus C18 RRHD1,8 μ m, 50 &vezes; 2,1 milímetros
Transformador de correnteMagnelabCT-F0.25-S
Registrador de dadosEndress+HauserCM442Liquilina
Interruptores de portaQWORKME-810410A 250VAC
Bomba dosadora KNF1.10 TT.18RC2FEM
Drä sensor ger Drä GerX-am 5000O2, O3, NO2
Sensor ECEndress e HauserCLS15EMemosens
EletrodosAliExpressN/AHaste de ignição de cerâmica
Eléctrodo de flúorMettler Toledoperfeição
Tampa de funilFeito sob medidaN/APVC matetial
Vara de aterramentoFeito sob medidaN/A
Gás hélioWestfalenONU 104699.999 Vol. % Ele
Diodo de alta tensãoEbayFHVP54461p 5A 40kV
Sonda de alta tensãoEstrela do Norte de Alta TensãoPVM-5
Funil hiperbólicoFeito sob medidaN/AMaterial de vidro
LC/MSTecnologias Agilent6420 Quad triplo LC/MSSanta Clara, Califórnia, EUA
Transformador NoenF/ARTESBD63HT2X10000V 18mA 
Sensor de ORPEndress e HauserCPS12DMemosint
Bomba peristálticaMasterflex L/S13-200-007MFLX7771236
PFBASigma-Aldrich375-22-4PFAS para experimentos
PFBSSigma-Aldrich375-73-5PFAS para experimentos
PFDASigma-Aldrich335-76-2PFAS para experimentos
PFHpASigma-Aldrich375-85-9PFAS para experimentos
PFNASigma-Aldrich375-95-1PFAS para experimentos
PFOASigma-Aldrich335-67-1PFAS para experimentos
PFOSSigma-Aldrich1763-23-1PFAS para experimentos
Sensor de pHEndress e HauserCPS11DMemosens Orbisint
Painel de controle de intertravamento de segurançaFeito sob medidaN/A
CentelhadorFeito sob medidaN/A
VariacWeltechniekTDGC2-1K4a
Reservatório de água Feito sob medidaN/AMaterial de vidro

References

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,
  1. Tsuji, K., Muller, S. C. Spirals and Vortices in Culture, Nature, and Science. , Springer. Cham. (2019).
  2. Uchiyama, Y., Zhang, X., Yanase, S. Generation mechanism of Tidally-driven whirlpools at a narrow strait in an estuary. IOP Conf Ser Earth Environ Sci. 945, 012028(2021).
  3. Johansson, L., Ovesen, M., Hallberg, C. Self-organizing Flow Technology - In Viktor Schauberger's Footsteps. , Institute of Ecological Technology Scientific and Technical Reports, Malmo. (2002).
  4. Agostinho, L. L. F., et al. Enhanced oxygen volumetric mass transfer in a geometrically constrained vortex. Water. 14 (5), 771(2022).
  5. Donepudi, T., et al. Numerical analysis of vortex dynamics in hyperbolic funnels using computational fluid dynamics. Phys Fluids. 36 (9), 095171(2024).
  6. Klymenko, R., et al. Preparation of free-surface hyperbolic water vortices. J Vis Exp. (197), e64516(2023).
  7. Klymenko, R., et al. Enhanced groundwater aeration with a geometrically constrained vortex. Water. 17 (4), 506(2025).
  8. Klymenko, R., et al. Characterization of a hyperbolic vortex plasma reactor for the removal of aqueous phase micropollutants. J Phys D Appl Phys. 57, 215204(2024).
  9. Richardson, S., Kimura, S. Emerging environmental contaminants: challenges facing our next generation and potential engineering solutions. Environ Technol Innov. 8, 40-56 (2017).
  10. Sharma, S., Shetti, N. P., Basu, S., Nadagouda, M. N., Aminabhavi, T. M. Remediation of per- and polyfluoroalkyls (PFAS) via electrochemical methods. Chem Eng J. 430, 132895(2022).
  11. Dhore, R., Murthy, G. S. Per/polyfluoroalkyl substances production, applications and environmental impacts. Bioresour Technol. 341, 125808(2021).
  12. Lobato-Peralta, D. R., et al. Advances in activated carbon modification, surface heteroatom configuration, reactor strategies, and regeneration methods for enhanced wastewater treatment. J Environ Chem Eng. 9 (4), 105626(2021).
  13. Baghirzade, B. S., et al. Thermal regeneration of spent granular activated carbon presents an opportunity to break the forever PFAS cycle. Environ Sci Technol. 55 (9), 5608-5619 (2021).
  14. Lee, T., Speth, T. F., Nadagouda, M. N. High-pressure membrane filtration processes for separation of per- and polyfluoroalkyl substances (PFAS). Chem Eng J. 431, 134023(2022).
  15. Meegoda, J. N., Bezerra de Souza, B., Casarini, M. M., Kewalramani, J. A. A review of PFAS destruction technologies. Int J Environ Res Public Health. 19 (24), 16397(2022).
  16. Olatunde, O. C., Kuvarega, A. T., Onwudiwe, D. C. Photo enhanced degradation of polyfluoroalkyl and perfluoroalkyl substances. Heliyon. 6 (12), e05614(2020).
  17. Ajo, P., Preis, S., Vornamo, T., Mänttäri, M., Kallioinen, M., Louhi-Kultanen, M. Hospital wastewater treatment with pilot-scale pulsed corona discharge for removal of pharmaceutical residues. J Environ Chem Eng. 6 (2), 1569-1577 (2018).
  18. Magureanu, M., Bradu, C., Parvulescu, V. I. Plasma processes for the treatment of water contaminated with harmful organic compounds. J Phys D Appl Phys. 51, 313002(2018).
  19. Kumar, A., Škoro, N., Gernjak, W., Puač, N. Cold atmospheric plasma technology for removal of organic micropollutants from wastewater-a review. Eur Phys J D. 75, 283(2021).
  20. Sakudo, A., Yagyu, Y., Onodera, T. Disinfection and sterilization using plasma technology: fundamentals and future perspectives for biological applications. Int J Mol Sci. 20 (20), 5216(2019).
  21. Mouele, E. S. M., et al. Removal of pharmaceutical residues from water and wastewater using dielectric barrier discharge methods-A review. Int J Environ Res Public Health. 18 (4), 1683(2021).
  22. Choi, S., Watanabe, T., Liu, T. Discharge characteristics of DC arc water plasma for environmental applications. Plasma Sci Technol. 14, 1097-1101 (2012).
  23. Gharagozalian, M., Dorranian, D., Ghoranneviss, M. Water treatment by the AC gliding arc air plasma. J Theor Appl Phys. 11, 171-180 (2017).
  24. Zeghioud, H., Nguyen-Tri, P., Khezami, L., Amrane, A., Assadi, A. A. Review on discharge plasma for water treatment: mechanism, reactor geometries, active species and combined processes. J Water Process Eng. 38, 101664(2020).
  25. Quarles, C. D., Castro, J., Marcus, R. K. Glow Discharge Mass Spectrometry. Encyclopedia of Spectroscopy and Spectrometry. , Academic Press, Elsevier. (2010).
  26. Lu, P., Boehm, D., Bourke, P., Cullen, P. J. Achieving reactive species specificity within plasma-activated water through selective generation using air spark and glow discharges. Plasma Process Polym. 14 (8), e1600207(2017).
  27. Shrestha, R., et al. Treatment of water using Arc discharge plasma in Patan area. Patan Prospect J. 2 (2), 150-163 (2022).
  28. Singh, R. K., Brown, E., Mededovic, T. S., Holsen, T. M. Treatment of PFAS-containing landfill leachate using an enhanced contact plasma reactor. J Hazard Mater. 408, 124452(2021).
  29. Singh, R. K., et al. Removal of poly- and per-fluorinated compounds from ion exchange regenerant still bottom samples in a plasma reactor. Environ Sci Technol. 54 (21), 13973-13980 (2020).
  30. Windisch, M., Klymenko, R., Grießler, H., Kittinger, C. Assessment of cytotoxicity and genotoxicity of plasma-treated perfluorooctanesulfonate containing water using in vitro bioassays. Toxics. 12 (12), 889(2024).
  31. Klymenko, R., et al. PFAS degradation using a hyperbolic vortex plasma reactor. J Phys D Appl Phys. 58, 175204(2025).
  32. Ltspice, Analog Devices. , https://www.analog.com/en/resources/design-tools-and-calculators/ltspice-simulator.html (2025).
  33. Leung, S. C. E., Wanninayake, D., Chen, D., Nguyen, N. -T., Li, Q. Physicochemical properties and interactions of perfluoroalkyl substances (PFAS) - Challenges and opportunities in sensing and remediation. Sci Total Environ. 905, 166764(2023).
  34. Lee, Y. -S., Chow, M. H. L. Diode Rectifiers. Power Electronics Handbook. , Elsevier. Burlington. (2007).
  35. NIST Atomic Spectra Database (ASD). , National Institute of Standards and Technology. At At https://physics.nist.gov/PhysRefData/ASD/ionEnergy.html (2024).
  36. Yu, L. Z., Lan, N. L., Liu, D. W., Pei, L. X. An atmospheric pressure glow discharge in air stabilized by a magnetic field and its application on nitrogen fixation. Plasma ProcessPolym. 19 (12), 2200071(2022).
  37. Tamanga, S. G., Umlaufb, G., Barzb, J., Ghomi, M. R. Degradation of PFOA solutions and PFAS-contaminated groundwater using atmospheric non-thermal plasma treatment. Water Pract Technol. 19 (7), 2645-2654 (2024).
  38. Alam, D., et al. Experimental investigations of Per- and Poly-fluoroalkyl substances (PFAS) degradation by non-thermal plasma in aqueous solutions. J Environ Chem Eng. 11 (6), 111588(2023).
  39. Zhang, H., et al. Removal of per- and polyfluoroalkyl substances from water by plasma treatment: Insights into structural effects and underlying mechanisms. Water Res. 253, 121316(2024).
  40. Chen, C., et al. 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. Chem Eng J. 486, 150218(2024).
  41. Lewis, A. J., et al. Rapid degradation of PFAS in aqueous solutions by reverse vortex flow gliding arc plasma. Environ Sci Water Res. Technol. 6 (4), 1044-1057 (2020).
  42. McIntosh, G. J., Agbenyegah, G. E. K., Hyland, M. M., Metson, J. B. The pivotal role of alumina pore structure in HF capture and fluoride return in aluminum reduction. JOM. 68, 2463-2471 (2016).
  43. Mukherjee, S., Siddiqi, H., Maiti, P., Parmar, P., Meikap, B. C. A comprehensive analysis of removal of hazardous dust particulates from chemical and process industries off gases by advanced wet scrubbing techniques - A review. J Loss Prev Process Ind. 91, 105406(2024).
  44. 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).

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