Method Article

Sudaki mikro kirleticilerin giderilmesi için hiperbolik bir vorteks plazma reaktörünün uygulanması

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

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

Bu çalışma, farmasötikler ve per- ve polifloroalkil maddeler (PFAS) dahil olmak üzere sudaki mikro kirleticilerin bozunması için bir Hiperbolik Vorteks Plazma Reaktörü içinde altı farklı tipte plazma deşarjının üretilmesi için metodolojiyi sunmaktadır.

Abstract

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

Sudaki mikro kirleticilerin varlığı, giderek daha acil bir çevresel sorundur. Bazı mikro kirleticiler biyolojik olarak kolayca parçalanabilirken, per- ve polifloroalkil maddeler (PFAS) gibi diğerleri son derece kalıcıdır ve geleneksel su arıtma teknolojilerine dirençlidir. Plazma bazlı arıtma, onlarca yıldır su ve atık su dekontaminasyonu için araştırılmıştır ve son çalışmalar, hem kısa hem de uzun zincirli PFAS'ı parçalamadaki yüksek etkinliğini göstermiştir. Burada, plazma bazlı atık arıtma, benzer sistemlerinkinden daha fazla bir oksijen hacimsel kütle transfer katsayısına sahip olan serbest yüzeyli bir hiperbolik su girdabı ile birleştirilir. Bu tür uygulamalar için, her biri özel güç kaynağı konfigürasyonları ve operasyonel stratejiler gerektiren çeşitli plazma deşarjları kullanılabilir. Özellikle darbeli sinyallerin kullanımı, benzersiz mühendislik zorlukları sunar. Bu çalışma, bir Hiperbolik Vorteks Plazma Reaktörü içinde altı farklı plazma deşarj tipinin üretilmesini ve karakterizasyonunu araştırmaktadır: darbeli monopolar (negatif ve pozitif), darbeli bipolar "flashover", AC ve DC ark ve kızdırma deşarjı. Monopolar ve bipolar darbeli deşarjların nabız özellikleri analiz edildi ve PFAS bozunmasındaki etkinlikleri değerlendirildi. Test edilen konfigürasyonlar arasında, bipolar flashover deşarjı, bir Hiperbolik Vorteks Plazma Reaktöründe en yüksek bozunma verimliliğini sergiledi. Bununla birlikte, pratik uygulaması, kullanımını daha büyük ölçekte zorlaştıran önemli mühendislik zorlukları ortaya çıkarmaktadır.

Introduction

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

Sarmal yapılar doğa için temeldir ve DNA'nın mikroskobik düzenlemesinden galaksilerin geniş oluşumlarına kadar değişen olayları etkiler 1,2. Akışkanlar dinamiğinde, sarmal akışlar, yenilikçi mühendislik uygulamaları için kullanılabilecek benzersiz karıştırma, enerji transferi ve kararlılık özellikleri sergiler3. Bu doğal akış modellerinden ilham alan hiperbolik su girdapları, havalandırmayı artırma ve gelişmiş su arıtma teknolojilerini mümkün kılma potansiyelleri açısından araştırılmıştır 4,5,6,7. Bu çalışma, kalıcı mikro kirleticilerin, özellikle per- ve polifloroalkil maddelerin (PFAS) bozunması için hiperbolik girdap dinamiklerinin plazma deşarjı ile entegrasyonunu araştırmaktadır.

Hiperbolik hunilerle ilgili ilk araştırma, su arıtımında çok önemli bir süreç olan havalandırmadaki verimlilikleri tarafından motive edildi. Bu geometrik olarak sınırlı girdaplar, gaz-sıvı etkileşimlerini önemli ölçüde artırır, böylece enerji tüketimini en aza indirirken oksijen transfer hızlarını artırır7. Hiperbolik su girdaplarının oluşumu ve işleyişinin ayrıntılı bir açıklaması başka bir yerde verilmiştir6. Kısa süre sonra, bu kadar yüksek havalandırma kapasitesiyle sonuçlanan yüksek derecede karıştırma ve yüzey alanı artışının, kirletici bozunması için daha fazla kullanılabileceği anlaşıldı. Bu fikir üzerine inşa edilerek, plazma deşarjı vorteks sistemine dahil edildi ve mikro kirleticilerin giderilmesi için yeni bir hibrit yaklaşım oluşturuldu8.

İlaçlar, pestisitler ve PFAS dahil olmak üzere mikro kirleticiler, kalıcılıkları ve geleneksel su arıtma yöntemlerine karşı dirençleri nedeniyle önemli çevre ve halk sağlığı sorunları oluşturmaktadır9. Bunlar arasında, yaygın olarak "sonsuza kadar kimyasallar" olarak adlandırılan PFAS, aşırı stabilite ve biyobirikim potansiyeli sağlayan güçlü karbon-flor bağları nedeniyle özellikle sorunludur10,11.

PFAS kontaminasyonunu ele almak için aktif karbon12,13 kullanılarak adsorpsiyon ve membran ayırma14 dahil olmak üzere çok çeşitli teknolojiler geliştirilmiştir. PFAS'ı yakalamada etkili olsa da, bu yöntemler tahribatsızdır ve ikincil atık akışları oluşturur. Aktif karbon, özellikle yüksek PFAS yüklerinde sık rejenerasyon ihtiyaçları nedeniyle maliyetli hale gelir ve yardımcı kirleticilerle rekabet ederken, membran sistemleri PFAS'ı daha fazla arıtma gerektiren atık tuzlu sulara yoğunlaştırır.

Elektrokimyasal oksidasyon, ozonlama, UV bazlı sistemler ve süperkritik su oksidasyonu gibi gelişmiş oksidasyon işlemleri (AOP'ler), PFAS'ları ayırmak yerine parçalamayı amaçlar15,16. Bununla birlikte, genellikle yüksek enerji taleplerinden, zayıf seçicilikten (özellikle kısa zincirli PFAS için) ve zararlı yan ürünlerin oluşmasından veya eksik bozulmadan muzdariptirler.

Plazma bazlı teknolojiler, 17,18,19,20 zincir uzunlukları boyunca hızlı PFAS bozunması sunan umut verici bir yıkıcı yöntem olarak son zamanlarda dikkat çekmiştir. Bununla birlikte, çoğu çalışma, tedavi süreci sırasında sıklıkla ara yan ürünler olarak üretilen kısa zincirli PFAS'ta performansın düşük olduğunu bildirmektedir. Ek olarak, plazma tedavisi tek başına enerji yoğun olabilir ve ölçeklendirilmesi zor olabilir.

Su arıtma uygulamaları için çeşitli plazma deşarjı türleri araştırılmıştır. Bunlar arasında doğru akım (DC) kızdırma ve ark deşarjları, alternatif akım (AC) deşarjları, darbeli korona deşarjı, dielektrik bariyer deşarjı (DBD) ve kayma ark deşarjı 8,21,22,23,24 bulunur. Her plazma deşarjı türü, reaktif tür üretimi, enerji dağılımı ve kirletici bozunma yollarında farklı özellikler sergiler. Kızdırma deşarjı daha düşük sıcaklıklarda çalışır ve homojen iyonizasyon sağlarken, ark deşarjı yoğun lokalize ısıtma sağlayarak kalıcı organik kirleticileri parçalamada etkili hale getirir 25,26,27. Monopolar ve bipolar darbeli plazma gibi darbeli deşarjlar, yüksek enerji yoğunlukları ve orta düzeyde enerji gereksinimlerinde mikro kirletici bozunmasının verimliliğinin artmasına katkıda bulunan geçici reaktif türlerin oluşumu ile karakterize edilir8.

Bu çalışma, bir Hiperbolik Vorteks Plazma Reaktörü içinde altı farklı tipte plazma deşarjı üretmek ve çalıştırmak için bir yöntemi göstermektedir: (i) darbeli monopolar negatif, (ii) darbeli monopolar pozitif, (iii) darbeli bipolar "flashover", (iv) AC ark, (v) DC ark ve (vi) kızdırma deşarjı. Bu deşarj modlarının her biri, tümü kirletici bozulmasına katkıda bulunan reaktif oksijen ve nitrojen türlerinin (RONS), ultraviyole radyasyonun, şok dalgalarının, enerjik elektronların ve çözünmüş elektronların oluşumunu etkileyen hiperbolik girdap ile benzersiz etkileşimlere sahiptir. Deneylerde kullanılan her bir plazma deşarj tipi için elektrot konfigürasyonları Şekil 1'de gösterilmiştir. Bu tür plazma deşarj modlarının girdap kaynaklı karıştırma ile entegrasyonu, kirleticiler ve reaktif türler arasında gelişmiş kütle transferi ve daha iyi temas sağlayarak mikro kirleticilerin daha etkili bir şekilde bozunmasına neden olur.

28,29'da gösterildiği gibi, katyonik bir yüzey aktif maddenin eklenmesi, PFAS moleküllerinin en yoğun reaktif süreçlerin gerçekleştiği plazma-su arayüzüne taşınmasını teşvik ederek bozunma verimliliğini daha da artırır. Sonuçlar, bu sistemin operasyonel fizibiliteyi korurken PFAS'ın neredeyse tamamen bozulmasını sağladığını göstermektedir.

Ek olarak, başka bir yerde gösterildiği gibi,30, bir hava atmosferi altında bir Hiperbolik Vorteks Plazma Reaktöründe muamele edilen PFAS ile kontamine numuneler, sitotoksisite veya genotoksisite artışı göstermedi. Bu bulgular, PFAS'ın giderilmesine yönelik umut verici bir yaklaşım olarak bu teknolojinin potansiyelini daha da desteklemektedir.

Bu araştırmanın sonuçları, PFAS bozulmasının ötesine uzanır. Hiperbolik Girdap Kaynaklı Karıştırma ve plazma arıtmanın kombinasyonu, organik kirleticilerin giderilmesinden gelişmiş oksijenasyona kadar çeşitli su arıtma zorlukları için ölçeklenebilir ve uyarlanabilir bir çözüm sunar. Gelecekteki çalışmalar, reaktör konfigürasyonlarını optimize etmeye, bozunma yan ürünlerinin kaderini araştırmaya ve gerçek dünya uygulamalarında uzun vadeli sistem performansını değerlendirmeye odaklanacaktır.

Doğadan ilham alan akışkan dinamiklerini gelişmiş plazma kimyası ile birleştiren bu çalışma, enerji ve kaynak tüketimini azaltırken kritik çevre sorunlarını ele alan daha sürdürülebilir ve etkili su arıtma teknolojilerinin önünü açıyor.

Protocol

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

1. Genel öneriler

  1. Deney kurulumunu ele almadan önce, iletken parçalara bir topraklama çubuğu ile dokunarak biriken statik yükü boşaltın.
  2. Kurulumun tüm hidrolik ve elektrik bağlantılarını bütünlük ve uygun işlevsellik açısından inceleyin.
  3. Pompaları temiz su kullanarak düşük bir akış hızında (80 L·h-1) çalıştırın ve sızıntı olmadığını doğrulayın.
  4. 1 atm'de basınçlı hava ile temizleyerek ve tüm bağlantılara sabunlu su solüsyonu uygulayarak reaktörde gaz sızıntısı olmadığından emin olun.
    NOT: Adım 1.4'ü gerçekleştirdikten sonra kabarcıklar ortaya çıkarsa, bu, tedaviden önce tanımlanması ve kapatılması gereken bir gaz kaçağı olduğunu gösterir.

2. Deney düzeneği

  1. Hiperbolik girdap plazma kurulumu (Şekil 2)
    1. Tüm metal bileşenleri bir topraklama çubuğu ile dokunarak boşaltın.
      NOT: Yüksek voltajla çalıştıktan sonra artık bir şarj varsa, topraklama çubuğu ile şarj edilen bileşen arasında görünür ve duyulabilir bir kıvılcım meydana gelecektir.
    2. Plazma tarafından üretilen ozon, nitrit ve oksijenin algılanmasını sağlamak için OK düğmesini üç saniye basılı tutarak Dräger sensörünü (Şekil 12'de 2) etkinleştirin. Olası gaz sızıntılarını kontrol etmek için sensörü doğru kabinin içine yerleştirin.
    3. Deiyonize su içeren su haznesini ( Şekil 14'de 2) belirtilen hortum hattı üzerinden kuruluma bağlayın.
    4. Hiperbolik huniye su vermek için oynat düğmesine basarak birincil pompayı çalıştırın ve istenen girdap6'nın oluşumu için gereken eşiği biraz aşan 85 L·h-1'lik bir akış hızı sağlayın.
      NOT: Daha yüksek akış hızlarında, reaktördeki su seviyesi, kararlı çalışma için gereken optimum seviyenin biraz üzerine çıkabilir.
    5. Hiperbolik huninin üst kısmından suyu çıkarmak için 10 L·h-1'lik bir akış hızı sağlayarak oynatma düğmesine basarak ikincil pompayı çalıştırın, böylece su seviyesini dengeleyin ve elektrotlar ile su yüzeyi arasında sabit bir mesafe bırakın.
      NOT: Hem birincil hem de ikincil pompaların kullanılması, reaktörde sabit bir su seviyesi sağlar. Yalnızca birincil pompanın çalıştırılması su seviyesinde dalgalanmalara neden olabilir.
    6. Kararlı bir girdap elde edildiğinde ve herhangi bir sızıntı tespit edilmediğinde, temiz suyu deney numunesi ile değiştirin ve 2.1.3 ve 2.1.4 adımlarını tekrarlayın.
    7. Gerekirse, plazma oluşumunu optimize etmek için elektrot-su mesafesine ince ayar yapın.
    8. İç atmosferi stabilize etmek ve optimum plazma deşarj koşullarını sağlamak için reaktörü düşük basınçlı hava akışıyla (0,1 atm) boşaltın31.
    9. Katyonik bir yüzey aktif madde kullanılıyorsa, yüzey aktif madde çözeltisini içeren yardımcı bir rezervuarı bağlayın ve reaktör girişinden önce istenen konsantrasyonda bir dozaj pompası aracılığıyla verin.

3. Farklı plazma deşarjı türleri

  1. DC ark deşarjı
    1. Şekil 3A'da gösterilen elektrik devresini kullanın.
    2. Köprü doğrultucudan gelen pozitif ve negatif yüksek voltaj çıkışlarını su girdabı yüzeyinin üzerine yerleştirilmiş elektrotlara bağlayın.
      NOT: Tek bir polarite (pozitif veya negatif) ile çalışıyorsanız, ilgili terminali topraklayın ve yalnızca tercih edilen polarite ile çalıştırın.
    3. Varyak'ı 230 V AC elektrik prizine bağlayın ve yüksek voltajı etkinleştirmek için kırmızı güvenlik anahtarını devre dışı bırakın.
    4. Varyak kullanarak voltajı kademeli olarak artırarak (0 V ila 250 V) plazma deşarjını ateşleyin.
  2. AC ark deşarjı
    1. Şekil 3B'de gösterilen elektrik devresini kullanın.
    2. Her iki yüksek voltaj çıkışını da su girdabı yüzeyinin üzerinde bulunan elektrotlara bağlayın.
      NOT: Tek bir çıkışla çalışıyorsanız, ilgili terminali topraklayın.
    3. Varyak'ı 230 V AC elektrik prizine bağlayın ve yüksek voltajı etkinleştirmek için kırmızı güvenlik anahtarını devre dışı bırakın.
    4. Varyak kullanarak voltajı kademeli olarak artırarak (0 V ila 250 V) plazma deşarjını ateşleyin.
  3. Helyum atmosferinde kızdırma deşarjı
    1. Şekil 4'te gösterilen elektrik devresini kullanın.
      NOT: Belirli kızdırma deşarj gereksinimlerine bağlı olarak farklı elektrik devreleri kullanılabilir (Şekil 3, Şekil 4, Şekil 5 ve Şekil 6).
    2. Yüksek voltaj çıkışlarını su girdabı yüzeyinin üzerinde bulunan elektrotlara bağlayın.
      NOT: Kızdırma deşarjı, zıt kutuplu elektrotlar arasında oluşur. Elektrotların sayısının ve yerleşiminin ayarlanması deşarj topolojisini değiştirir.
    3. Varyak'ı 230 V AC elektrik prizine bağlayın ve yüksek voltajı etkinleştirmek için kırmızı güvenlik anahtarını devre dışı bırakın.
    4. Bir gaz vanası açarak tercih edilen akış hızında helyum verin.
      NOT: Helyumun ortam havasını değiştirmesi için yeterli zaman tanıyın. Helyum konsantrasyonu arttıkça kızdırma deşarj rengi mordan beyaza geçer. Helyum gazının daha yüksek akış hızları, deşarj parlaklığını artırır.
    5. Elektrotlar arasında elektriksel arıza meydana gelene ve plazma kızdırma deşarjından ark deşarjına geçene kadar varyak kullanarak voltajı 0 V'tan kademeli olarak artırarak plazma deşarjını ateşleyin.
      NOT: Aşırı voltaj, devredeki kapasitör etkileri nedeniyle kızdırma deşarjını darbeli bir ark deşarjına dönüştürebilir.
  4. Bipolar "flashover" darbeli deşarj
    1. Şekil 4'te gösterilen elektrik devresini kullanın.
    2. Yüksek voltaj çıkışlarını su girdabı yüzeyinin üzerinde bulunan elektrotlara bağlayın.
      NOT: Şekil 4'teki devre esnek elektrot konfigürasyonuna izin verir. Bu çalışmada 16 elektrot kullanılmıştır.
    3. Varyak'ı 230 V AC elektrik prizine bağlayın ve yüksek voltajı etkinleştirmek için kırmızı güvenlik anahtarını devre dışı bırakın.
    4. Varyak kullanarak voltajı kademeli olarak artırarak (0 V ila 250 V) plazma deşarjını ateşleyin.
  5. Monopolar pozitif ve negatif darbeli flama deşarjları
    1. Pozitif veya negatif deşarj için sırasıyla Şekil 5 veya Şekil 6'da gösterilen elektrik devresini kullanın.
    2. İlgili yüksek voltaj çıkışını (pozitif veya negatif) su girdabı yüzeyinin üzerinde bulunan elektrotlara bağlayın.
    3. Karşı terminali bir kıvılcım aralığına bağlayın ve diğer ucunu topraklayın.
      NOT: Alternatif olarak, kıvılcım aralığı, reaktörün topraklanmış suyuna batırılmış bir elektrot aracılığıyla topraklanabilir.
    4. Sabit bir iç atmosfer sağlamak ve tutarlı sıcaklığı korumak için gaz vanasını açarak ve akışı ayarlayarak kıvılcım boşluğunu basınçlı hava (0,5-1 atm) ile boşaltın.
      NOT: Kıvılcım aralığı içindeki gaz bileşimi, sıcaklık, basınç ve elektrot aralığındaki değişiklikler plazma özelliklerini etkiler.
    5. Varyak'ı 230 V AC elektrik prizine bağlayın ve yüksek voltajı etkinleştirmek için kırmızı güvenlik anahtarını devre dışı bırakın.
    6. Varyak kullanarak voltajı kademeli olarak artırarak (0 V ila 250 V) plazma deşarjını ateşleyin.
  6. Deney sonlandırma
    1. Değişken voltajını azaltarak, güç kaynağını kapatarak ve güvenlik anahtarını devreye sokarak yüksek voltajlı çalışmayı durdurun.
    2. Varsa, katyonik yüzey aktif madde için dozaj pompasını durdurun.
    3. Kullanılmışlarsa helyum ve basınçlı hava için tüm gaz vanalarını kapatın.
    4. Tüm metal bileşenlerin topraklamasını bir topraklama çubuğuyla dokunarak doğrulayın.
    5. İşlem görmüş numuneleri su haznesine geri aktarmak için pompa akış yönünü tersine çevirin.
    6. Temiz su ve/veya organik bir çözücüyü sistemde dolaştırarak kurulumu durulayın.
    7. Tehlikeli maddeler için güvenlik düzenlemelerine uygunluğu sağlayarak atıkları uygun şekilde toplayın ve bertaraf edin.
    8. Tüm bileşenlerin kapalı olduğunu, herhangi bir sızıntı olmadığını ve kurulumun sonraki kullanım için güvenli olduğunu doğrulamak için son bir inceleme yapın.

Results

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

Şekil 3, Şekil 4, Şekil 5 ve Şekil 6'da gösterilen elektrik devreleri aşağıdaki gibi çalışır: 230 V AC şebekeye bağlı bir varyak (V), giriş voltajını düzenler ve voltajı yüksek voltajlı AC'ye yükselten bir neon transformatöre (T) besler. Bu yüksek voltajlı AC daha sonra diyotlardan (D1-D 4) oluşan bir köprü doğrultucu tarafından yüksek voltajlı DC'ye dönüştürülür. Elde edilen DC sinyali kapasitörleri (Cx) yükler ve akım, ek diyotlar (Dx) aracılığıyla birden fazla dala dağıtılır. Sistem kapatıldıktan sonra kapasitörlerin kademeli olarak boşalmasını sağlamak için boşaltma dirençleri (Rx) dahil edilmiştir. Monopolar deşarj konfigürasyonunda, aktif olmayan polarite tarafındaki kapasitörlerin topraklı terminallerini birbirine bağlamak için bir kıvılcım aralığı (SG) kullanılır.

Şekil 7, monopolar pozitif, monopolar negatif ve bipolar flashover plazma deşarjları için akım ve voltaj darbe profillerinin karşılaştırmalı bir analizini göstermektedir. Flashover deşarjının darbe süresi, monopolar darbelerinkinden yaklaşık iki kat daha kısaydı (sırasıyla 0.6 μs'ye karşı 60 μs). Ayrıca, flaş deşarjının tepe akımı (3.4 A), monopolar pozitif (60 mA) ve negatif (30 mA) darbelere kıyasla önemli ölçüde daha yüksekti. Monopolar darbeler söz konusu olduğunda, plazma filamentleri su yüzeyi boyunca yayılır. Tersine, parlama deşarjı için, katot ve anot arasındaki gaz-su arayüzü yoluyla bir plazma kanalı kurulur. Zıt kutuplara sahip plazma filamentleri su yüzeyinde birleştiğinde, yüklü parçacıkların hareketliliğini artıran düşük empedanslı iletken bir plazma kanalı oluştururlar. Empedanstaki bu azalma, flashover deşarj rejiminde gözlemlenen daha kısa darbe süresi ile ilişkilidir.

Şekil 8, Şekil 32, Şekil 4 ve Şekil 5'da gösterilen elektrik devrelerine karşılık gelen, kapasitör şarjı ve hızlı deşarj sırasındaki potansiyel farkın LTspice 6 simülasyonunu sunar. Simülasyon, yüksek voltajlı bir köprü doğrultucu aracılığıyla AC'den DC'ye dönüştürme yoluyla kapasitör şarjını gösterir. LTspice'ta plazma deşarjı doğrudan simüle edilemediğinden, arızayı taklit etmek için voltaj kontrollü bir anahtar uygulandı. Tetikleme üzerine hızlı bir voltaj düşüşü meydana gelir. Basınç, sıcaklık, nem, elektrot boşluğu ve su iletkenliği gibi faktörlere bağlı olması nedeniyle deşarj darbesinin ayrıntılı şekli modellenemese de, simülasyon, önerilen devrelerin işlevselliğini ve çeşitli polarite konfigürasyonlarına sahip darbeli sinyaller üretme yeteneklerini açıkça göstermektedir.

Şekil 9, üç tür deşarj için darbe başına enerji ve güç tüketimini göstermektedir. Pozitif monopolar deşarj için güç girişi 1,8 W, negatif monopolar deşarj 1,6 W ve flashover deşarjı 1,2 W olarak ölçüldü. Bu nedenle, belirli bir plazma gücünde, plazma işlem süresi doğrudan toplam enerji girdisine karşılık gelir. Enerji ölçüm metodolojisinin ayrıntılı bir açıklaması8'de bulunabilir.

Şekil 10, üç deşarj tipi kullanılarak bir hava atmosferinde 75 dakikalık plazma işleminden sonra su kimyasındaki değişiklikleri göstermektedir. Analiz edilen temel parametreler arasında pH, oksidasyon-indirgeme potansiyeli (ORP), elektriksel iletkenlik (EC) ve reaktif oksijen (hidrojen peroksit H2O2) ve nitrojen türlerinin (nitrit NO2- ve nitrat NO3-) konsantrasyonları bulunur. Üç deşarj arasında, flashover deşarjı en belirgin kimyasal değişikliklere ve en yüksek RONS üretimine neden oldu. En düşük güç girişini (1,2 W, Şekil 9) gerektirmesine rağmen, flashover deşarjı en yüksek arıtma verimliliğini sergiledi. Bu, flamaların önemli omik dağılım ile sıcak arklara geçişini önleyen, böylece iyonlaşma olasılığını ve reaktif tür oluşumunu artıran kısa darbe süresine bağlanabilir.

Ek olarak, parlama deşarjı, plazma-su arayüzüne yerleştirilmiş iki zıt yüklü elektrot arasında, yaklaşık 5 cm uzunluğunda uzanan bir plazma kanalı oluşturur. Bu konfigürasyon, monopolar darbelere kıyasla plazma-su etkileşim alanını önemli ölçüde artırır, böylece reaktif tür üretimini arttırır ve sıvı fazın daha etkili bir şekilde işlenmesini kolaylaştırır.

Tüm PFAS numuneleri sıvı kromatografisi-kütle spektrometresi ile analiz edildi. Analiz için bir kolon (1.8 μm, 50 × 2.1 mm) kullanıldı. Numune stabilitesini sağlamak için, metanol ile 1:1 oranında seyreltildi ve seyreltilmiş numunenin 1 mL'si plastik bir katyon şişesine aktarıldı. Deflorinasyon, bir kombinasyon florür elektrodu kullanılarak su numunelerindeki serbest florür iyonlarının konsantrasyonunun ölçülmesiyle değerlendirildi.

Şekil 11, 14 μg· L-1 ± %5 ve 240 μg· L-1 ± %5. Flashover deşarjı, en düşük enerji girişini gerektirirken en yüksek PFOS bozunma verimliliğini gösterdi. Sonuç olarak, sonraki deneyler, tedavi performansını optimize etmek için yalnızca flashover deşarjı ile gerçekleştirildi.

Şekil 12

figure-results-1

figure-results-2

figure-results-3

figure-results-4

figure-results-5

figure-results-6

figure-results-7

figure-results-8

figure-results-9

figure-results-10

figure-results-11

figure-results-12

figure-results-13

figure-results-14

figure-results-15

Discussion

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

Deneylere başlamadan önce, tüm elektrik bağlantıları kapsamlı bir şekilde incelenmelidir. Yüksek voltajlı bileşenlerle etkileşime girmeden önce, devrede kalan yükü boşaltmak için bir topraklama çubuğu kullanılmalıdır. Bu kapsamlı güvenlik önlemleri, prosedürel gözetim durumlarında (kapı anahtarları, kapasitörlere bağlı hava alma direnci vb.) bile kazara elektrik çarpması riskini azaltmak için uygulanmalıdır, çünkü yüksek voltajlı kapasitörler hafıza etkisi, atmosferik statik elektrik veya kozmik radyasyon nedeniyle yeniden şarj olabilir. Bu deneyler için depolanan enerjinin büyüklük sırası tipik olarak 10-1-10 1 J'dir ve ölümcül bile tehlikelidir. Bu nedenle, 1.1 ve 2.1.1 adımları, sistemin güvenli bir şekilde çalışmasını sağlamak için kritik öneme sahiptir. Sisteme güç verilmeden önce, kurulumda reaktör gazı ve sıvı faz sızıntıları olup olmadığı kontrol edilmelidir. Plazma tarafından üretilen gazlar, soluma tehlikesi oluşturabilecek reaktif türler içerir ve bu da adım 1.4 ve 2.1.2'yi özellikle önemli hale getirir. Çalışma odasının tüm giriş ve çıkışları topraklanmalıdır. Reaktör muhafazası metalden yapılmalı ve güvenli çalışmayı sağlamak için uygun şekilde topraklanmalıdır. Ek olarak, PFAS bileşikleri CMR maddeleri olarak sınıflandırıldığından ve laboratuvar ortamını kirletmesine izin verilmemesi gerektiğinden, su sızıntılarının olmadığının doğrulanması çok önemlidir. Bu nedenle, deneyi başlatmadan önce adım 1.3'e özellikle dikkat edilmelidir.

Bu çalışmada en yüksek performans flashover deşarjları ile elde edilmiştir. Bu deşarj modu, test edilen diğer deşarj türlerinden (Şekil 10) daha az güç gerektirirken daha fazla RONS üretimi (Şekil 11) ve daha yüksek PFOS bozulması (Şekil 9) ile sonuçlandı. Flashover deşarjları üstün performans gösterse de, bunların uygulanması, aynı kapasitöre bağlı iki zıt yüklü kanalın gerekliliği nedeniyle zorluklar sunar. Bu yaklaşımın ölçeğini büyütmek, daha güçlü bir güç kaynağı gerektirir. Mevcut kurulumumuzda, bir transformatör ana voltaj AC'yi (220 V'a kadar) yüksek voltajlı AC'ye (10 kV'a kadar) dönüştürür ve daha sonra diyotlar kullanılarak DC'ye doğrultulur. Ortaya çıkan DC sinyali ideal bir DC dalga biçimine çok yaklaşırken, küçük dalgalanmalar34 olarak kalır. Devre tasarımımız, birden fazla rejimde operasyonel esneklik sağlar. Bununla birlikte, büyük ölçekli uygulamalar, tipik olarak tek bir polarite ve tek bir yüksek voltaj çıkışı ile çalışan ve aynı anda birden fazla polarite ile çalışma yeteneğini kısıtlayan yüksek voltajlı DC güç kaynakları gerektirecektir.

AC ve DC ark deşarjları, özellikle DC plazma söz konusu olduğunda, endüstriyel uygulamalarını ekonomik olarak olanaksız hale getirecek olan önemli ölçüde daha yüksek enerji tüketimleri nedeniyle mikro kirletici bozunması açısından test edilmemiştir. Önceki bir çalışmada8 plazma-sıvı arayüzey alanının arttırılmasının aynı enerji girdisi için RONS üretimini arttırdığı ve böylece mikrokirletici bozunma verimliliğini iyileştirdiği gösterilmiştir. Elektrik devrelerimizde (Şekil 3A, Şekil 4, Şekil 5 ve Şekil 6), diyotlar kapasitörleri şarj etmek için AC gücünü DC'ye dönüştürür, depolanan enerjileri daha sonra çoklu darbeli güç plazma deşarjları oluşturmak için elektrot geometrileri üzerine dağıtılır.

Atmosferik basınç ve standart koşullarda, kararlı bir kızdırma deşarjı yalnızca helyum (ilk iyonlaşma enerjisi 24.6 eV) veya neon (ilk iyonlaşma enerjisi 21.6 eV)35 gibi yüksek iyonlaşma enerjilerine sahip soy gazlar kullanılarak sürdürülebilir. İlk iyonlaşma enerjisi 15.8 eV35 olan argon, bu koşullar altında kararlı kızdırma deşarjını desteklemez. Bununla birlikte, plazma stabilizasyonu için harici bir manyetik alanın uygulanması yoluyla havada kızdırma deşarjıhala üretilebilir 36. Soy gaz kullanımının yüksek maliyeti, bu çalışmada kızdırma deşarjını mikrokirletici bozunması için uygun hale getirmemiştir.

Giriş bölümünde tartışıldığı gibi, adsorpsiyon, membran filtrasyonu ve ileri oksidasyon süreçleri gibi geleneksel arıtma yöntemleri, PFAS kontaminasyonunun etkili bir şekilde ele alınmasında önemli sınırlamalarla karşı karşıyadır. Plazma deşarjı, mikro kirletici konsantrasyonu, numune bileşimi ve plazma parametreleri 29,37,38,39,40,41 gibi faktörlere bağlı olarak birkaç kWh·m-3 ile 1000 kWh·m-3 arasında değişen rapor edilen enerji tüketimi ile PFAS bozunması için umut verici bir alternatif sunar. Bununla birlikte, kısa zincirli PFAS, bozulmaya karşı özellikle dirençli kalır ve PFBA gibi daha kısa zincirli yan ürünler, daha uzun zincirli PFAS'ın parçalanmasında ara ürünler olarak tanımlanmıştır.

Çalışmamızın yeniliği, bir Hiperbolik Vorteks Plazma Reaktörünü katyonik yüzey aktif madde Hiyamin 1622 dozu ile birleştirerek, kısa zincirli PFAS da dahil olmak üzere bozunma oranlarını önemli ölçüde iyileştirmektir (Şekil 13). Bu reaktör tasarımı, plazma-sıvı arayüzey alanını arttırır ve su girdabı boyunca gelişmiş karıştırmayı kolaylaştırır. 1,2 kWh·m-3'lük orta düzeyde bir enerji girişinde 75 dakikalık arıtmada, sistemimiz çoğu PFAS'ta %95-100 bozulma sağlar (hala %53 uzaklaştırma gösteren PFBA hariç). Bu sonuçlar, yalnızca plazma ile yapılan birçok çalışmadan daha iyi performans gösteriyor ve yaklaşımımızın nispeten düşük enerji girdisi altında derin PFAS mineralizasyonu elde edebileceğini gösteriyor. Ancak bu çalışma laboratuvar ölçeğinde gerçekleştirilmiştir. Pratik uygulamasını geliştirmek için, arıtılmış su hacmini artırmak ve ek elektrotları barındırmak için reaktör geometrisinde yapılan değişiklikler de dahil olmak üzere - özellikle üst silindirik bölümün genişletilmesi - ölçek büyütme gereklidir. Bu modifikasyonlar plazma-su etkileşimini artıracak ve arıtma verimliliğini artıracaktır. Reaktörün elektrik tasarımı basit ölçeklendirmeye izin verirken, artan operasyonel güç, daha büyük ölçekte istikrarlı ve verimli performans sağlamak için daha sağlam güç kaynakları ve gelişmiş güvenlik önlemleri gerektirir. Sistemin büyütülmesi, güç kaynağı ve kapasitör bankası boyutunda bir artış gerektirecek ve bu da önemli güvenlik endişelerini beraberinde getirecektir. Tüm elektrikli bileşenler, çalışma sırasında erişilemez kalırken reaktöre yakın bir yere dikkatlice yerleştirilmeli ve yerleştirilmelidir. Güvenli deşarjı sağlamak için, her bir kondansatör kullanımdan sonra ayrı ayrı topraklanmalıdır, bu da birbirine bağlanamadıkları ve doğru akım ayrımı için diyotlarla birbirlerinden izole edilmeleri gerektiği için özel topraklama anahtarları gerektirir. Ek olarak, daha yüksek güç seviyeleri, yakındaki enstrümantasyona müdahale edebilecek daha güçlü elektromanyetik alanlar üretecektir. Bu nedenle, hem reaktör hem de çevresindeki ekipman, tercihen bir Faraday kafesi içinde uygun şekilde korunmalıdır. Plazma deşarj performansı akış koşullarına ve huni geometrisine karşı oldukça hassas olduğundan, su girdabının hassas kontrolü çok önemlidir. Bu, iyi programlanmış bir hidrolik kontrol sistemi gerektirir. Ayrıca, reaktör yeterince yalıtılmalı, bir havalandırma sistemine bağlanmalı ve boşaltma için bir gaz girişi ile donatılmalıdır. Hidrojen florür gibi yüksek konsantrasyonlarda uçucu florlu yan ürünler bekleniyorsa, ek gaz arıtma adımları uygulanmalıdır. Bunlar, kuru veya ıslak yıkama sistemlerini42,43 veya kalsiyum bazlı sorbentlerin44 uygulanmasını içerebilir.

Pilot ölçekli reaktörün enerji tüketimi, PFAS'ı hava-su arayüzünde yoğunlaştıran yüzey aktif maddelerin eklenmesiyle potansiyel olarak azaltılabilir. Yüzey-hacim oranını azaltarak, PFAS bileşikleri arayüzde daha lokalize hale gelir ve plazmanın birim alan başına daha yüksek bir hedef bileşik konsantrasyonu ile etkileşime girmesine izin verir, böylece deşarj başına bozunma verimliliğini artırır. Bununla birlikte, toplam su hacminin arttırılması, gerekli arıtma süresini uzatabilir ve potansiyel olarak enerji tasarrufunu dengeleyebilir. Kondansatör şarjı için yüksek voltajlı, yüksek güçlü bir DC güç kaynağı kullanmak, enerji girişinin hassas bir şekilde kontrol edilmesini sağlayarak optimizasyon için farklı enerji rejimlerinin sistematik olarak değerlendirilmesine olanak tanır.

Gelecekteki araştırmalar, pilot ölçekli uygulamalar için 1 m3·h-1'lik bir arıtma kapasitesi elde etmek için açıklanan operasyonel ilkelere dayalı olarak teknolojinin ölçeklendirilmesine odaklanacaktır. Ek olarak, en kısa zincirli PFAS, trifloroasetik asit ve diğer potansiyel dönüşüm ürünlerinin oluşumu ve parçalanmasına özellikle ilgi gösterilerek, bozunma ürünlerinin ayrıntılı bir araştırması önemlidir. Daha ileri çalışmalar ayrıca, yüzey aktif madde-PFAS komplekslerinin geliştirilmiş oluşumu yoluyla PFAS bozunmasını artırabilen etkili, biyolojik olarak parçalanabilen ve uygun maliyetli bir katyonik yüzey aktif madde tanımlamayı amaçlayacaktır.

Disclosures

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

Yazarlar, bu yazıda rapor edilen çalışmayı etkilemiş gibi görünebilecek bilinen hiçbir rakip mali çıkarları veya kişisel ilişkileri olmadığını beyan ederler. Bu çalışmanın hazırlanması sırasında yazarlar, metni yapılandırmak için OpenAI (2023), ChatGPT (sürüm, Mart 2025) [Büyük dil modeli] kullandılar. Bu aracı kullandıktan sonra, yazarlar içeriği gerektiği gibi gözden geçirip düzenler ve yayının içeriği için tüm sorumluluğu üstlenirler.

Acknowledgements

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

Bu çalışma, Wetsus Avrupa Sürdürülebilir Su Teknolojisi Mükemmeliyet Merkezi (www.wetsus.eu) işbirliği çerçevesinde, Gilbert-Armstrong yüksek gerilim laboratuvarında Uygulamalı Su Fiziği teması kapsamında gerçekleştirilmiştir. Wetsus, Hollanda Ekonomik İşler Bakanlığı ve Altyapı ve Çevre Bakanlığı, Friesland Eyaleti ve Kuzey Hollanda Eyaletleri tarafından ortaklaşa kurulmuştur. Bu araştırma, Marie Sklodowska-Curie Hibe Sözleşmesi No. 665874 kapsamında Avrupa Birliği'nin Horizon 2020 araştırma ve inovasyon programından fon almıştır.

Materials

List of materials used in this article
NameCompanyCatalog NumberComments
Boşaltma dirençleriTedssRCR42G206JS20 ay
BNC konektörleriAliExpress HakkındaYOKBNC ADAPTÖRÜ
KondansatörAnXon HakkındaAXCT8GD202K40DB40 kV 2000 pF
Katyonik yüzey aktif maddeSigma-Aldrich51126-1L-FHiyamin 1622 çözeltisi
SütunAgilent   Zorbax Eclipse Plus C18 RRHD1.8 μ m, 50 &kez; 2,1 mm
Akım trafosuMagnelabCT-F0.25-S
Veri KaydediciEndress+HauserCM442 SerisiLiquilin
Kapı anahtarlarıQWORKME-810410 A 250 VAC
Dozaj pompası KNF1.10 TT.18RC2FEM
Drä ger sensör Drä gerX-5000O2, O3, NO2
EC sensörüEndress ve HauserCLS15E SerisiNotlar
Elektrot -larAliExpress HakkındaYOKSeramik Ateşleme Çubuğu
Florür elektroduMettler Toledokusursuzluk
Huni kapağı Özel yapımYOKPVC malzeme
Topraklama çubuğuÖzel yapımYOK
Helyum gazıWestfalenBM 104699.999 Hacim % O
Yüksek gerilim diyotuEbayFHVP54461p 5A 40kV
Yüksek gerilim probuKuzey Yıldızı Yüksek GerilimPVM-5
Hiperbolik huniÖzel yapımYOKCam malzeme
LC/MSAgilent Teknolojileri6420 Üçlü Dörtlü LC/MSSanta Clara, Kaliforniya, Amerika Birleşik Devletleri
Noen transformatörüF/SANATSBD63HT2X10000V 18mA 
ORP sensörüEndress ve HauserCPS12DNot
Peristaltik pompaMasterflex L/S13-200-007MFLX7771236
PFBA BelediyesiSigma-Aldrich375-22-4Deneyler için PFAS
PFBS'ninSigma-Aldrich375-73-5Deneyler için PFAS
PFDA'nınSigma-Aldrich335-76-2Deneyler için PFAS
PFHpASigma-Aldrich375-85-9Deneyler için PFAS
PFNASigma-Aldrich375-95-1Deneyler için PFAS
PFOA EyaletiSigma-Aldrich335-67-1Deneyler için PFAS
PFOSSigma-Aldrich1763-23-1Deneyler için PFAS
pH sensörüEndress ve HauserCPS11DMemosens Orbisint
Güvenlik kilidi kontrol paneliÖzel yapımYOK
Kıvılcım BoşluğuÖzel yapımYOK
VaryakWeltechniekTDGC2-1K4a
Su deposu Özel yapımYOKCam malzeme

References

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,
  1. Spirals and Vortices in Culture, Nature, and Science. , Springer. Cham. (2019).">Tsuji, K., Muller, S. C. Spirals and Vortices in Culture, Nature, and Science. , Springer. Cham. (2019).
  2. Generation mechanism of Tidally-driven whirlpools at a narrow strait in an estuary. IOP Conf Ser Earth Environ Sci. 945, 012028(2021).">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. Self-organizing Flow Technology - In Viktor Schauberger's Footsteps. , Institute of Ecological Technology Scientific and Technical Reports, Malmo. (2002).">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. Enhanced oxygen volumetric mass transfer in a geometrically constrained vortex. Water. 14 (5), 771(2022).">Agostinho, L. L. F., et al. Enhanced oxygen volumetric mass transfer in a geometrically constrained vortex. Water. 14 (5), 771(2022).
  5. Numerical analysis of vortex dynamics in hyperbolic funnels using computational fluid dynamics. Phys Fluids. 36 (9), 095171(2024).">Donepudi, T., et al. Numerical analysis of vortex dynamics in hyperbolic funnels using computational fluid dynamics. Phys Fluids. 36 (9), 095171(2024).
  6. Preparation of free-surface hyperbolic water vortices. J Vis Exp. (197), e64516(2023).">Klymenko, R., et al. Preparation of free-surface hyperbolic water vortices. J Vis Exp. (197), e64516(2023).
  7. Enhanced groundwater aeration with a geometrically constrained vortex. Water. 17 (4), 506(2025).">Klymenko, R., et al. Enhanced groundwater aeration with a geometrically constrained vortex. Water. 17 (4), 506(2025).
  8. Characterization of a hyperbolic vortex plasma reactor for the removal of aqueous phase micropollutants. J Phys D Appl Phys. 57, 215204(2024).">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. Emerging environmental contaminants: challenges facing our next generation and potential engineering solutions. Environ Technol Innov. 8, 40-56 (2017).">Richardson, S., Kimura, S. Emerging environmental contaminants: challenges facing our next generation and potential engineering solutions. Environ Technol Innov. 8, 40-56 (2017).
  10. Remediation of per- and polyfluoroalkyls (PFAS) via electrochemical methods. Chem Eng J. 430, 132895(2022).">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. Per/polyfluoroalkyl substances production, applications and environmental impacts. Bioresour Technol. 341, 125808(2021).">Dhore, R., Murthy, G. S. Per/polyfluoroalkyl substances production, applications and environmental impacts. Bioresour Technol. 341, 125808(2021).
  12. 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).">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. Thermal regeneration of spent granular activated carbon presents an opportunity to break the forever PFAS cycle. Environ Sci Technol. 55 (9), 5608-5619 (2021).">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. High-pressure membrane filtration processes for separation of per- and polyfluoroalkyl substances (PFAS). Chem Eng J. 431, 134023(2022).">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. A review of PFAS destruction technologies. Int J Environ Res Public Health. 19 (24), 16397(2022).">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. Photo enhanced degradation of polyfluoroalkyl and perfluoroalkyl substances. Heliyon. 6 (12), e05614(2020).">Olatunde, O. C., Kuvarega, A. T., Onwudiwe, D. C. Photo enhanced degradation of polyfluoroalkyl and perfluoroalkyl substances. Heliyon. 6 (12), e05614(2020).
  17. Hospital wastewater treatment with pilot-scale pulsed corona discharge for removal of pharmaceutical residues. J Environ Chem Eng. 6 (2), 1569-1577 (2018).">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. Plasma processes for the treatment of water contaminated with harmful organic compounds. J Phys D Appl Phys. 51, 313002(2018).">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. Cold atmospheric plasma technology for removal of organic micropollutants from wastewater-a review. Eur Phys J D. 75, 283(2021).">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. Disinfection and sterilization using plasma technology: fundamentals and future perspectives for biological applications. Int J Mol Sci. 20 (20), 5216(2019).">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. 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).">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. Discharge characteristics of DC arc water plasma for environmental applications. Plasma Sci Technol. 14, 1097-1101 (2012).">Choi, S., Watanabe, T., Liu, T. Discharge characteristics of DC arc water plasma for environmental applications. Plasma Sci Technol. 14, 1097-1101 (2012).
  23. Water treatment by the AC gliding arc air plasma. J Theor Appl Phys. 11, 171-180 (2017).">Gharagozalian, M., Dorranian, D., Ghoranneviss, M. Water treatment by the AC gliding arc air plasma. J Theor Appl Phys. 11, 171-180 (2017).
  24. Review on discharge plasma for water treatment: mechanism, reactor geometries, active species and combined processes. J Water Process Eng. 38, 101664(2020).">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. Encyclopedia of Spectroscopy and Spectrometry. , Academic Press, Elsevier. (2010).">Quarles, C. D., Castro, J., Marcus, R. K. Glow Discharge Mass Spectrometry. Encyclopedia of Spectroscopy and Spectrometry. , Academic Press, Elsevier. (2010).
  26. Achieving reactive species specificity within plasma-activated water through selective generation using air spark and glow discharges. Plasma Process Polym. 14 (8), e1600207(2017).">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. Treatment of water using Arc discharge plasma in Patan area. Patan Prospect J. 2 (2), 150-163 (2022).">Shrestha, R., et al. Treatment of water using Arc discharge plasma in Patan area. Patan Prospect J. 2 (2), 150-163 (2022).
  28. Treatment of PFAS-containing landfill leachate using an enhanced contact plasma reactor. J Hazard Mater. 408, 124452(2021).">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. 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).">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. Assessment of cytotoxicity and genotoxicity of plasma-treated perfluorooctanesulfonate containing water using in vitro bioassays. Toxics. 12 (12), 889(2024).">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. PFAS degradation using a hyperbolic vortex plasma reactor. J Phys D Appl Phys. 58, 175204(2025).">Klymenko, R., et al. PFAS degradation using a hyperbolic vortex plasma reactor. J Phys D Appl Phys. 58, 175204(2025).
  32. https://www.analog.com/en/resources/design-tools-and-calculators/ltspice-simulator.html (2025).">Ltspice, Analog Devices. , https://www.analog.com/en/resources/design-tools-and-calculators/ltspice-simulator.html (2025).
  33. Physicochemical properties and interactions of perfluoroalkyl substances (PFAS) - Challenges and opportunities in sensing and remediation. Sci Total Environ. 905, 166764(2023).">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. Power Electronics Handbook. , Elsevier. Burlington. (2007).">Lee, Y. -S., Chow, M. H. L. Diode Rectifiers. Power Electronics Handbook. , Elsevier. Burlington. (2007).
  35. At https://physics.nist.gov/PhysRefData/ASD/ionEnergy.html (2024).">NIST Atomic Spectra Database (ASD). , National Institute of Standards and Technology. At At https://physics.nist.gov/PhysRefData/ASD/ionEnergy.html (2024).
  36. An atmospheric pressure glow discharge in air stabilized by a magnetic field and its application on nitrogen fixation. Plasma ProcessPolym. 19 (12), 2200071(2022).">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. Degradation of PFOA solutions and PFAS-contaminated groundwater using atmospheric non-thermal plasma treatment. Water Pract Technol. 19 (7), 2645-2654 (2024).">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. 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).">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. Removal of per- and polyfluoroalkyl substances from water by plasma treatment: Insights into structural effects and underlying mechanisms. Water Res. 253, 121316(2024).">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. 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).">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. Rapid degradation of PFAS in aqueous solutions by reverse vortex flow gliding arc plasma. Environ Sci Water Res. Technol. 6 (4), 1044-1057 (2020).">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. The pivotal role of alumina pore structure in HF capture and fluoride return in aluminum reduction. JOM. 68, 2463-2471 (2016).">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. 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).">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).

Reprints and Permissions

Request permission to reuse the text or figures of this JoVE article

Request Permission

Tags

Hyperbolic Vortex PlasmaPlasma Water TreatmentPFAS DegradationPlasma DischargeBipolar Flashover DischargeMonopolar Pulsed DischargeGlow DischargeWater Micropollutant RemovalCationic Surfactant DosingHydrogen Peroxide Generation

Related Articles