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

O foco de nossa pesquisa é otimizar a descarga de plasma para a degradação de micropoluentes na água, que é uma preocupação ambiental crescente nos dias de hoje. Descobrimos que, otimizando a descarga de plasma e dosando cuidadosamente os surfactantes catiônicos, podemos atingir quase 100% de degradação de PFAS usando apenas uma entrada moderada de energia. O tratamento com plasma é tipicamente um processo intensivo em energia.

No entanto, ao aplicar pulsos de plasma, o consumo de energia pode ser significativamente reduzido e melhorar o desempenho. E neste estudo, demonstramos como alcançar essa otimização. Depois de configurar o plasma de vórtice hiperbólico, use o circuito elétrico projetado para a configuração de descarga de arco de corrente contínua.

Conecte as saídas de alta tensão positiva e negativa do retificador de ponte aos eletrodos posicionados acima da superfície do vórtice de água. Conecte o variac a uma tomada de corrente alternada de 230 volts e desligue o interruptor de segurança vermelho para habilitar o alto voltage. Usando o variac, aumente gradualmente a tensão de zero a 250 volts para acender a descarga de plasma.

Em seguida, use o circuito elétrico configurado para descarga de arco de corrente alternada. Em seguida, conecte ambas as saídas de alta tensão aos eletrodos localizados acima da superfície do vórtice de água. Depois de conectar o variac e desengatar as chaves de segurança mostradas anteriormente, aumente gradualmente a tensão de zero volts para 250 volts para acender a descarga de plasma.

Em seguida, para realizar uma descarga de brilho em uma atmosfera de hélio, use o circuito elétrico mostrado aqui. Conecte o alto voltage saídas do circuito elétrico aos eletrodos posicionados acima da superfície do vórtice de água. Uma vez que o variac esteja conectado e a chave de segurança seja desengatada, abra a válvula de gás para introduzir hélio na vazão desejada.

Em seguida, usando o variac, aumente lentamente a tensão para inflamar a descarga de plasma até que ocorra uma ruptura elétrica entre os eletrodos e o plasma mude da descarga incandescente para a descarga do arco. Em seguida, para iniciar a descarga de pulso de flashover bipolar, use o circuito elétrico conforme mostrado no esquema, conecte as saídas de alta tensão aos eletrodos, variac a uma tomada de corrente alternada de 230 volts e desengate o interruptor de segurança. Em seguida, aumente gradualmente a tensão de zero a 250 volts para inflamar a descarga de plasma.

Para descargas de serpentina pulsada monopolar, use o circuito mostrado no esquema para descarga positiva ou negativa conforme necessário. Conecte o terminal oposto a um centelhador visível e eletrodo de aterramento. Conecte o restante do alto voltage saídas aos eletrodos situados acima da superfície do vórtice de água.

Em seguida, abra a válvula de gás e ajuste o fluxo de ar comprimido para 0.5 a uma atmosfera para purgar o centelhador. Depois de conectar o variac e engatar a chave de segurança, acenda a descarga de plasma conforme mostrado anteriormente. Para encerrar o experimento, reduza a tensão variável, desligue a fonte de alimentação e acione a chave de segurança.

Em seguida, feche todas as válvulas de gás para hélio e ar comprimido, se tiverem sido usadas durante o experimento. Usando um bastão de aterramento, toque em todos os componentes metálicos para verificar se eles estão devidamente aterrados. Entre as três descargas, o flashover gerou as maiores concentrações de peróxido de hidrogênio em aproximadamente 450 miligramas por litro, nitrito em cerca de 90 miligramas por litro e nitrato em cerca de 340 miligramas por litro.

A descarga de flashover causou a queda mais pronunciada no pH, reduzindo-o de aproximadamente 5,5 para 2,3. A condutividade elétrica foi maior nas amostras tratadas com flashover, atingindo cerca de 2.300 microsiemens por centímetro. O potencial de oxidação-redução aumentou mais significativamente na descarga de flashover, atingindo aproximadamente 600 milivolts.

A descarga Flashover alcançou a degradação mais rápida e completa do PFOS para ambas as concentrações iniciais, atingindo quase 100% de conversão em 60 minutos, superando as descargas positivas e negativas. Na matriz PFAS, sem surfactante, compostos de cadeia longa como PFDA, PFNA, PFOS e PFOA exibiram degradação acima de 90% após 75 minutos. Em contraste, espécies de cadeia curta, como PFBS e PFBA, permaneceram em grande parte não classificadas ou aumentaram em concentração devido à formação de subprodutos.

Com a adição de surfactante, todos os compostos PFAS de cadeia longa foram degradados acima de 95% e a degradação de compostos de cadeia curta, como PFBA, melhorou de menos 19% para aproximadamente 53% e PFBS de 22% para cerca de 95% A concentração de PFHxA começou a diminuir após 20 minutos e PFPeA caiu após 30 minutos de tratamento com dosagem de surfactante, indicando quebra progressiva dos subprodutos PFAS.