用于去除水中微污染物的双曲涡旋等离子体反应器的实施

我们的研究重点是优化等离子体放电，以降解水中的微污染物，这是当前日益突出的环境问题。我们发现，通过优化等离子体放电并精确添加阳离子表面活性剂，仅需中等能量输入即可实现近100%的全氟和多氟烷基物质（PFAS）降解。通常情况下，等离子体处理是一种高能耗过程。

然而，通过施加等离子体脉冲，可以在提升性能的同时显著降低能耗。在本研究中，我们展示了如何实现这一优化。在建立双曲涡旋等离子体后，使用为直流电弧放电装置设计的电路。

将桥式整流器的正负高压输出端连接到位于水漩涡表面之上的电极。将自耦变压器插入230伏交流电源插座，并关闭红色安全开关以启用高压。通过调节自耦变压器，将电压从零逐渐升高至250伏，以点燃等离子体放电。

接下来，使用配置为交流电弧放电的电路。然后将两个高压输出端连接到位于水涡表面之上的电极。在连接调压器并断开之前所示的安全开关后，逐渐将电压从0伏特升高至250伏特，以点燃等离子体放电。

接下来，为了在氦气环境中进行辉光放电，请使用此处所示的电路。将电路的高压输出端连接到位于水涡表面之上的电极。一旦自耦变压器连接完毕且安全开关已解除，打开气体阀门，以引入所需流速的氦气。

然后使用调压器，缓慢升高电压以点燃等离子体放电，直至电极之间发生电击穿，等离子体由辉光放电转变为电弧放电。接下来，为启动双极性闪络脉冲放电，按照示意图所示连接电路，将高压输出端连接至电极，将调压器接入230伏交流电源插座，并断开安全开关。随后，将电压从零逐渐升高至250伏，以点燃等离子体放电。

对于单极脉冲流光放电，根据需要使用示意图中所示电路进行正放电或负放电。将相反端子连接至可见火花间隙和接地电极。将其余高压输出端连接至位于水涡表面之上的电极。

然后打开气体阀门，调节压缩气流至0.5到1个大气压，以吹扫火花间隙。连接自耦变压器并打开安全开关后，点燃等离子体放电，如前所示。实验结束时，降低自耦变压器电压，关闭电源，并打开安全开关。

然后关闭氦气和压缩空气的所有气体阀门（如果实验过程中使用了这些气体）。使用接地棒触碰所有金属部件，以确认其已正确接地。在三种放电方式中，闪络放电产生的过氧化氢浓度最高，约为 450 毫克/升，亚硝酸盐浓度约为 90 毫克/升，硝酸盐浓度约为 340 毫克/升。

闪络放电导致pH值下降最为显著，从约5.5降至2.3。经闪络处理的样品电导率最高，达到约2,300微西门子/厘米。氧化还原电位在闪络放电中升高最显著，达到约600毫伏。

对于两种初始浓度，闪络放电均实现了最快且最完全的PFOS降解，在60分钟时降解率接近100%，优于正放电和负放电。在不含表面活性剂的PFAS体系中，长链化合物如PFDA、PFNA、PFOS和PFOA在75分钟后的降解率均超过90%。相比之下，短链物质如PFBS和PFBA则基本未发生降解，或因副产物生成而导致浓度升高。

添加表面活性剂后，所有长链PFAS化合物的降解率均超过95%，短链化合物的降解率也显著提升，其中PFBA的降解率从-19%提高至约53%，PFBS从22%提高至约95%。在加入表面活性剂处理20分钟后，PFHxA的浓度开始下降，PFPeA则在30分钟后出现下降，表明PFAS的副产物正在逐步分解。