Charakterisierung gepulster Korona-Entladungen (Plasmen) zur Eliminierung organischer Spurenstoffe in Wasser
Final Report Abstract
Die Reaktion organischer Stoffe in Wasser mit Oxidantien wie Ozon, Ozon/H2O2, UV/H2O2 ist seit vielen Jahren Gegenstand intensiver Forschung. Dies gilt sowohl im Bereich der grundlagenorientierten Untersuchungen der relevanten Prozesse als auch der Anwendungsoptimierung für die Wasserreinigung. Eine neue Technik mit möglicherweise erheblichem Potential beruht auf der Anwendung von Plasmen in der wässrigen Phase. Zu deren Untersuchung wurde ein Plasmareaktor mit einem System zur Quantifizierung reaktiver Spezies etabliert. Der im Projektantrag vorgesehene Hochspannungspulsgenerator konnte nur mit einer festen Spannung betrieben werden. Aus diesem Grund war nur eine leichte Variation der Leitfähigkeit der Lösung (200-700 µS/cm) möglich und stellte eine starke Einschränkung dar. Deshalb wurde von einem weiteren Lieferanten ein neuer HV-Generator entwickelt und gefertigt. Die angelegten Spannungen sind in einem Bereich von 0-50kV frei wählbar mit einer Pulsanstiegszeit von ca. 250 ns. Für das Verständnis der in den Koronaentladungen ablaufenden Prozesse waren eingehende Studien zu unterschiedlichen Elektrodenbeschichtungsmaterialien notwendig. Die Art der Herstellung der Elektrodenbeschichtung hat nicht nur einen starken Einfluss auf die mechanische und chemische Beständigkeit des Materials sondern auch auf die Abbaurate der organischen Spurenstoffe. Es konnte gezeigt werden, dass mit abnehmender Porosität die Anzahl und Stabilität der Koronaentladungen deutlich zunehmen, was derzeit verbreiteten Vorstellungen zur Rolle der Porosität eindeutig widerlegt. Am Beispiel des Abbaus des ozonrefraktären Iopamidols konnte dieser Effekt gezeigt werden. Zur spektroskopischen Charakterisierung der Koronaentladungen wurde eine modifizierte Reaktorzelle aus Quarz angefertigt. In diesen Messungen konnten die im Plasma durch homolytische Wasserspaltung generierten reaktiven Spezies nachgewiesen werden. Die Kinetik des Abbaus von Probeverbindungen (Carbamazepin, Diclofenac, Bisphenol A, Metoprolol) wurde untersucht. Erste Studien zu Einflüssen der Matrixbestandteile auf die Nebenproduktbildung bezüglich AOX, Bromat, Chlorat und Perchlorat sind durchgeführt worden. Unter den eingestellten Reaktorbedingungen konnte keine signifikante Nebenproduktbildung beobachtet werden. Die energetische Bilanzierung stellt eine mögliche Anwendung der dielektrischen Entladung unter Wasser zum oxidativen Abbau von organischen Spurenstoffen in Frage. Gelingt jedoch der Abbau von chemisch inerten Verbindungen wie z. B. PFTs kann ggf. auch ein hoher Energieaufwand gerechtfertigt sein.
Publications
- Nicht-thermische Plasmaverfahren für die Membran- Konzentrat- und Abwasserbehandlung, Jahrestagung 2010 des Clusters Umwelttechnologien NRW, Essen, 2010
Telgheder, U.; Schmidt, T. C.
- Non-thermal plasma created by corona-like discharge for eliminating organic contaminants Wassertag Brüssel, Innovationsallianz NRW, Brüssel, Belgien, 2011
Schmidt, T. C.
- Non-thermal plasma created by corona-like discharge for eliminating recalcitrant organic contaminants in water, Marie-Curie Researchers Symposium, Warschau, Polen, 2011
Gasanova, S.
- Degradation of diclofenac and iopamidol by underwater corona plasma generated between two parallel plate electrodes, ACS 243rd National Meeting & Exposition, San Diego, USA, 2012
Sein, M. M.
- Non-thermal plasmas created by corona-like discharges for eliminating recalcitrant organic contaminants, Mediterranean 2012 Conference for Academic Disciplines, Gozo, Malta, 2012
Gasanova, S.
- Optical studies of dielectric barrier discharge generated in water, ANALYTICA Conference, München, 2012
Telgheder, U.
- Optical study of dielectric barrier discharge generated in water, IWA-WCE Congress, Dublin, Irland, 2012
Gasanova, S.; Kerpen, K.; Kuklya, A.; Telgheder, U.; Schmidt, T. C.
- Studies on a non-thermal pulsed corona plasma between two parallel-plate electrodes in water. J. Phys. D: Appl. Phys. 2012, 45, 225203
Sein, M.M; Bin Nasir, Z.; Telgheder U.; Schmidt, T.C.
(See online at https://doi.org/10.1088/0022-3727/45/22/225203)
