Neues Design verbessert die Wasseraufbereitung durch Plasma-Jet.

24. Januar 2024

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von der Universität Córdoba

Plasma ist ein ionisiertes Gas - das heißt, ein Gas, das Elektronen, Ionen, Atome, Moleküle, Radikale und Photonen enthält. Es wird oft als der vierte Aggregatzustand bezeichnet und durchdringt überraschenderweise alles. Plasmen, die künstlich erzeugt werden, indem Energie an ein Gas übertragen wird, finden sich in den Leuchtstoffröhren, die Küchen beleuchten, aber sie haben auch dazu geführt, dass Mobiltelefone immer kleiner geworden sind.

Plasma hat eine regelrechte Revolution in der Technologiewelt entfacht. Früher mussten zur Gravur von Schaltkreisen auf den Siliziumplatten, die in elektronischen Geräten wie Mobiltelefonen verwendet werden, umweltschädliche Chemikalien verwendet werden. Dank Plasma ist es nun möglich, dies sauberer und präziser zu tun, sodass die Schlitze immer kleiner und damit auch die Geräte werden können.

Aber Plasma hat auch andere Anwendungen, wie zum Beispiel die Wasseraufbereitung. Die Forschungsgruppen FQM-136 "Physik der Plasmen" und FQM-346 "Organokatalyse und Nanostrukturierte Materialien" an der Universität Córdoba haben bei einer Forschungsstudie zusammengearbeitet, deren Ziel es war, Kontaminationen im Wasser durch die Anwendung von Plasma zur Förderung chemischer Prozesse zu beseitigen.

Ihre Studie wurde in der Zeitschrift Chemosphere veröffentlicht.

Mit dem Ziel, das Problem der zunehmenden Präsenz organischer Schadstoffe wie Farbstoffe und anderer Verbindungen aus landwirtschaftlicher und industrieller Aktivität in Gewässern, die Ökosysteme destabilisieren, anzugehen, entschieden sich diese Forscher für die Anwendung von Plasma.

Im Jahr 2017 haben sie erstmals gezeigt, dass die durch Mikrowellen erzeugten Argonplasmen, die der Luft ausgesetzt sind und auf Wasser einwirken, darin reaktive Sauerstoff- und Stickstoffverbindungen erzeugen (wie Hydroxylradikale, Wasserstoffperoxid, Stickstoffradikale), die es dekontaminieren können.

Jetzt ist es den Forschern Juan Amaro Gahete, Francisco J. Romero Salguero und María C. García gelungen, einen Reaktor dieses Plasmas zu entwerfen und die Mengen dieser aktiven Verbindungen im Wasser deutlich zu erhöhen. Dadurch ist es möglich, hohe Konzentrationen von Farbstoffen (in diesem Fall Methylenblau) in nur wenigen Minuten zu zerstören.

Das haben sie erreicht, indem sie das Design des Surfatrons, des metallischen Geräts, das die Energie eines Mikrowellengenerators mit dem Plasma mischt, verändert haben.

"Was wir gemacht haben, ist ein kleines Stück Silizium in das Quarz-Entladungsrohr einzufügen, um ein anderes Plasma zu erzeugen, das nicht fadenförmig ist und effizienter aktive Verbindungen bei der Interaktion mit Wasser erzeugt", erklärte Professorin María C. García.

Die genannten Plasmakomponenten erzeugen bei der Wechselwirkung mit Wasser oxidierende Verbindungen, die organische Verbindungen abbauen und Mikroorganismen abtöten, was es ermöglicht, diesen Plasma-Reaktor in Anwendungen im Zusammenhang mit der Wasseraufbereitung einzusetzen.

Diese neue Konfiguration erweitert daher die Anwendbarkeit dieser Art von Plasma.

"Das Design ändert die Konfiguration des elektromagnetischen Feldes, das durch den Surfatron erzeugt wird, um das Plasma zu erzeugen, mit unterschiedlichen und effizienteren Eigenschaften. Es beseitigt auch das Problem der Filamentbildung (die Aufteilung der Plasmasäule in viele Filamente), die es destabilisiert", erklärte Professor García.

Und dann... Dekontamination. "Die durch die Wirkung des Plasmas erzeugten oxidierenden Verbindungen sind sehr reaktiv und ermöglichen es, die organische Materie im Wasser zu zerstören", fuhr Professor Francisco J. Romero fort.

Damit dies geschieht, wird das Plasma nicht in das Wasser eingebracht. Stattdessen wird es ferngesteuert aktiviert, sodass zwischen dem Wasser und dem Plasma eine Luftzone liegt, in der zahlreiche Reaktionen aufgrund von Zusammenstößen zwischen den angeregten Spezies und den Molekülen von Sauerstoff, Stickstoff und Wasserdampf stattfinden und "reaktive Spezies, die in die Flüssigkeit diffundieren und die Kontaminanten beseitigen, erzeugt werden".

Das Dekontaminationspotenzial dieser Art von Plasma, das mit diesem neuen Design erzeugt wird, "wurde getestet, um hohe Konzentrationen von Methylenblau-Farbstoff im Wasser zu reduzieren, mit sehr effizienten Ergebnissen in Bezug auf Energie, wodurch der Farbstoff in kurzer Zeit vollständig eliminiert wurde", sagte Forscher Juan Amaro.

Thus with this work, progress is made on one of the applications of plasma, that 'fourth state of matter' created by providing a stable gas with energy and converting it into an ionized gas, with this being applicable to almost everything: manufacturing microchips, disinfecting surfaces, healing wounds, depositing anti-reflective coatings on glasses, improving seed germination, recovering waste, activating the surface of plastics to achieve better paint adhesion, and countless other applications.

Journal information: Chemosphere

Provided by University of Córdoba