Design, development and characterization of atmospheric plasma system for wastewater treatment: International dual doctorate

Abstract

Water pollution is currently considered one of the most important environmental concerns on a global scale. Organic micropollutants (OMPs) are a type of emerging pollutant that is identified in a variety of water bodies and has the potential to impact aquatic life, agriculture, and human health. Some OMPs are frequently insufficiently eliminated by conventional convectional wastewater treatment plants, resulting in OMPs ending up in the environment. In this regard, several advanced oxidation processes (AOPs) have been investigated as efficient supplemental wastewater treatment techniques. Cold atmospheric plasma is a chemical-free AOP that has recently been recognized as an efficient and promising technology for the removal of OMPs from wastewater. Cold atmospheric plasma is an abundant source of diverse reactive species at ambient conditions that are attracting attention due to its potential applications in commercial and scientific exploration, such as water treatment, agriculture, biomedical surface decontamination, and much more. In the case of water treatment, plasma and liquid interaction can generate chemically rich reactive species such as hydroxyl radical (HO.), atomic oxygen (O.), hydrogen peroxide (H2O2), ozone (O3), and so on. These are the most important and strong oxidants that can cause OMPs to be oxidized and destroyed in water. In this thesis, two separate cold atmospheric plasma sources known as 1-pin electrode and 3-pin electrode (also known as multi-electrode system) atmospheric pressure plasma jet (APPJ) were utilized to explore the degradation of OMPs in water. A multi-electrode-APPJ with a recirculation system was also investigated in order to optimize the plasma-liquid contact area and the degradation of OMPs. In both cases, plasma was ignited using a high voltage RF power supply, and argon was chosen as a working gas. During the treatment, argon plasma was produced at the liquid surface in contact with the surrounding air. The plasma system was tested electrically and optically. Using voltage and current probes, the operating electrical discharge parameters (voltage and current) were investigated. The power deposition in two different circuits (at the source and in contact with the sample) was estimated using captured voltage and current waveforms. Optical emission spectroscopy (OES) and an intensified charge- coupled device (ICCD) camera were used to characterize plasma optically. OES techniques were used at various parameters to find evidence of numerous short-lived reactive species formed in the gas phase of a plasma system. OES spectra confirmed the presence of different reactive oxygen and nitrogen species (RONS) in a plasma discharge. The ICCD camera with a UV lens was utilized to obtain spectrally and temporally resolved images of the plasma discharge. The ICCD was utilized in combination with different band pass filters to capture the emission distribution of distinct RONS and excited argon in the plasma. In this investigation, four different OMPs were chosen as target pollutants and treated with plasma, including two organic dyes (acid blue 25 dye and disperse red 1 dye) and one pharmaceutical (diclofenac) and one industrial chemical (para-chlorobenzoic acid). The treatments were carried out while taking into account many experimental parameters such as pollutant concentration, plasma treatment time, solution volume, input plasma power, and discharge gap. Characterization of plasma-treated samples was accomplished using a UV/Vis spectrophotometer, HPLC, and an Orbitrap-LC-MS. A pH and conductivity analyzer was used to evaluate the pH and conductivity of the plasma-treated solution. Several kinetic models were assessed in order to investigate the various types of order of degradation and compute the oxidation rate of chosen OMPs. According to the study findings, plasma removed all of the mentioned pollutants through a distinct decomposition pattern. When compared to the other three OMPs, diclofenac showed the highest degradation. The energy yield was also calculated, which is an important measure for determining the energy efficiency of the plasma system. For comparison, the energy yield for 50 % pollutant removal was calculated; the highest energy yield was 6465 mg/kWh for diclofenac degradation. In the present study, a pollutant, such as acid blue 25 dye, was treated indirectly (plasma was not in touch with dye solution) by using plasma-activated water (PAW). PAW was produced using pin-APPJ, then mixed with a dye-containing solution and studied for many days to identify the role of long-lived reactive species in dye degradation. PAW is a mixture of many stable RONS that can contribute to dye degradation in water. Overall, the experimental results indicate that cold atmospheric plasma-based AOPs can be used to efficiently remove various OMPs from water. Cold atmospheric plasma-based treatment has significant potential as a unique, chemical-free approach to water purification that might be regarded as an alternative to traditional procedures. The findings of this study could be used to further research the development of plasma water treatment systems for the treatment of different types of polluted waters

Загађење воде се тренутно сматра једним од најважнијих еколошких проблема на глобалном плану. Органски микрозагађивачи (OMP) су нова врста загађивача који се налазе у различитим водама и имају потенцијал да утичу на живот у води, пољопривреду и здравље људи. Неки OMP немогу бити елиминисани применом конвенционалних конвекцијских постројења за пречишћавање отпадних вода, што доводи до тога да загађивачи заврше у животној средини. С тим у вези, актуелна су истраживања где се неколико напредних процеса оксидације (AOP) користе као ефикасне додатне технике третмана отпадних вода. Хладна атмосферска плазма је AOP без хемикалија који је недавно препознат као ефикасна и обећавајућа технологија за уклањање OMP из отпадних вода. Хладна атмосферска плазма је извор различитих реактивних врста у амбијенталним условима који имају потенцијалне примене у комерцијалним и научним истраживањима, као што су третмани воде, пољопривреда, биомедицинска деконтаминација површина и још много тога. У случају третмана воде, интеракција плазме и течности може да генерише хемијски богате реактивне врсте као што су хидроксилни радикал (HO.), атомски кисеоник (O.), водоник пероксид (H2O2), озон (O3) и тако даље. Ово су најважнији и најјачи оксиданти који могу изазвати оксидацију и уништавање OMP-а у води. У овој тези, два одвојена извора хладне атмосферске плазме познати као плазма млаз на атмосферском притиску (APPJ) са једном шиљастом електродом и 3 шиљасте електроде (такође назван као мултиелектродни систем) су коришћени за истраживање деградације OMP у води. APPJ са више електрода са рециркулацијским системом је такође испитиван у тези у циљу оптимизације контактне површине плазме и течности и деградације OMP-а. У оба случаја, плазма је реализована уз помоћ високонапонског радиофреквентног (РФ) напајања, а као радни гас је изабран аргон. Користећи ивор плазме на површини течности која је у контакту са околним ваздухом настала је аргонска плазма. Плазма систем је карактерисан из помоћ електричних и оптичких техника. Помоћу напонских и струјних сонди испитани су радни параметри електричног пражњења (напон и струја). Депоновање снаге у два различита дела кола (на извору и у контакту са узорком) је добијено коришћењем симљених сигнала напона и струје. Оптичка емисиона спектроскопија (OES) и камера са интензивираним детектором коришћене су за оптичку карактеризацију плазме. OES технике су коришћене за различите радне параметре да би се испитала производња различитих реактивних врста формираних у гасној фази тј. у пражњењу. Оптички емисиони спектри су потврдили присуство различитих реактивних врста кисеоника и азота (RONS) у пражњењу. За добијање спектрално и временски разложених слика плазме коришћена је камера са сочивом транспарентним у делу УВ спектра. Камера је коришћена у комбинацији са различитим филтерима из УВ и видљивог опсега да би се снимила просторна дистрибуција емисије различитих RONS и побуђеног аргона у плазми. У овом истраживању, четири различита OMP су изабрана као циљни загађивачи који су третирани плазмом: две органске боје (AB25 боја и DR1 боја), фармацеутски производ (диклофенак) и индустријска хемикалија (пара-хлоробензична киселина). Третмани су спроведени узимајући у обзир различите експерименталне параметре као што су почетна концентрација загађивача, време третмана плазмом, запремина третираног раствора, улазна снага плазме и растојање између извора плазме и узорка. Карактеризација узорака третираних плазмом је обављена коришћењем спектрофотометра, HPLC и LC-MS технике. Такође је мерен pH и проводљивости раствора третираних плазмом. Резултати су упоређени са неколико кинетичких модела да би се истражили различити типови редоследа деградације и израчунала брзина оксидације одабраних OMP. Према налазима студије, плазма је уклонила све поменуте загађиваче, сваки кроз специфичан образац разлагања. У поређењу са остала три OMP-а диклофенак је показао највећи степен деградације. Израчунат је и енергетски принос, што је важна мера за одређивање енергетске ефикасности плазма система. Израчунат је енергетски принос за уклањање 50 % загађивача, а највећи енергетски принос био је 6465 mg/kWh за разградњу диклофенака. Поред тога у овој студији је загађивач AB25 боја третиран индиректно при чему плазма није била у додиру са раствором боје већ је коришћена вода активиране плазмом (PAW). PAW је произведен у третману дестиловане воде плазмом, а затим помешан са воденим раствором који садржи боју и након тога праћен током неколико дана да би се идентификовала улога дугоживећих реактивних врста у деградацији боје. PAW је мешавина многих стабилних RONS који могу допринети разградњи боје у води. Све у свему, експериментални резултати показују да се AOP-и засновани на хладној атмосферској плазми могу користити за ефикасно уклањање различитих OMP-а из воде. Третман заснован на хладној атмосферској плазми има значајан потенцијал као јединствен приступ пречишћавању воде без хемикалија који се може сматрати алтернативом традиционалним процедурама. Налази ове студије могли би се користити за даље истраживање развоја система за третман плазма воде за третман многих врста загађених вода.