- NGHIÊN CỨU KHẢ NĂNG TẠO GỐC TỰ DO TRONG NƯỚC BẰNG CÔNG NGHỆ PLASMA LẠNH. - Công nghệ plasma;gốc tự do;. - xử lý nước. - Nghiên cứu này tiến hành khảo sát các yếu tố ảnh hưởng đến nồng độ gốc tự do sinh ra trong dung dịch nước bằng công nghệ plasma lạnh. - Các yếu tố như lưu lượng dung dịch chảy qua điện cực, điện áp, thời gian chiếu xạ plasma, các chất hữu cơ và loại nước được khảo sát. - Lưu lượng nước chảy qua hai điện cực được thay đổi từ 1 Lít/Phút (L/P) đến 5 L/P, điện áp thay đổi từ 12 kV đến 16 kV, thời gian xử lý từ 10 phút đến 60 phút. - Ngoài ra, nghiên cứu còn tiến hành xem xét sự ảnh hưởng của buồng plasma gián tiếp và lưu lượng không khí bơm vào buồng plasma trực tiếp đến nồng độ gốc tự do. - Kết quả nghiên cứu cho thấy nồng độ gốc tự do giảm từ xuống mM khi tăng lưu lượng nước từ 1 đến 5 L/P. - Nồng độ gốc tự do tăng từ đến mM khi tăng điện áp từ 12-16 kV. - Nồng độ gốc tự do chiếm từ đến mM khi tăng thời gian chiếu xạ từ 10 đến 60 phút. - Từ các kết quả trên, nghiên cứu đã xác định được các thông số vận hành để có hàm lượng gốc tự do lớn nhất cho quá trình xử lý là lưu lượng 1 đến 2 L/P, điện áp 16 kV và thời gian chiếu xạ là 60 phút. - Hơn nữa, nghiên cứu còn cho thấy sự hiện diện các chất hữu cơ hay loại nước thải cũng ảnh hưởng mạnh đến nồng độ gốc tự do.. - Nghiên cứu khả năng tạo gốc tự do trong nước bằng công nghệ plasma lạnh. - Trong đó, plasma phi nhiệt hay còn gọi là plasma lạnh chứa các điện tử có nhiệt độ rất lớn Te trong khi nhiệt độ của ion Ti và của các phần tử còn lại xấp xỉ nhiệt độ môi trường. - Những năm gần đây plasma lạnh đã được nghiên cứu để xử lý nước.. - Plasma lạnh xử lý hơn 90% nồng độ các hợp chất hữu cơ độc hại như chloroform (Krugly et al., 2015;. - Liu et al naphthol (Krugly et al., 2015), hexachlorobenzene, pentachlorobenzene (Zhang et al., 2007), phenol, toluene (Marotta et al chlorophenol (Dojčinović et al., 2008) và một số hợp chất thuốc trừ sâu như dichlorvos, malathion và endosulfan (Sarangapani et al., 2016).. - Bên cạnh khả năng xử lý các hợp chất hữu cơ bền và độc hại thì plasma lạnh còn có khả năng xử lý nhiều hợp chất màu chủ yếu trong ngành nhuộm như atrazon, realan, lanaset và optilan (Tichonovas et al., 2013). - Ngoài ra, plasma lạnh còn cho thấy rất hiệu quả trong xử lý các hợp chất màu phổ biến như phenol red (PR), methyl orange (MO), diamine green B (DGB), pyrogallol red (PYR), bromocresol green (BCG), bromochlorophenol blue (BCB), naphtol green B (NGB) và crystal violet (CV) (Mohammadi &. - Plasma lạnh còn được ứng dụng trong bảo quản nông sản như xử lý các vi khuẩn hiếu khí mesophilic, nấm men và nấm mốc trên dâu tây (Misra et al., 2014), vi khuẩn có. - hại trên bắp cải, rau diếp (Lee et al., 2015), khử trùng rau (Pasquali et al., 2016). - Plasma lạnh có khả năng xử lý được hầu hết chất hữu cơ, hợp chất màu cũng như diệt khuẩn hiệu quả là nhờ sự xuất hiện của UV, các chất oxy hóa mạnh (H 2 O 2 , O 3. - gốc tự do sinh ra trong quá trình tạo plasma lạnh cũng như tương tác giữa plasma lạnh và dung dịch cần xử lý.. - Trong đó, sự hình thành gốc tự do được giải thích dựa trên cơ chế như sau (Kuraica et al., 2006;. - Tendero et al., 2006. - Li et al., 2016):. - Hiện nay, plasma lạnh được tạo bằng các công nghệ như phóng điện cảm ứng ở tần số vô tuyến (RF, radio frequency) (Lee et al., 1997), phóng điện màn chắn (DBD, dielectric barrier discharge) (Liu et al., 2004), phóng điện vi sóng, phóng điện hồ quang, phóng điện DC, phóng điện ở áp suất thấp (Matsumoto et al., 2012) và phóng điện vầng quang (corona) (Scholtz et al., 2015). - Trong đó, công nghệ phóng điện màn chắn và công nghệ phóng điện vầng quang để tạo plasma lạnh ngày càng được quan tâm mạnh mẽ do có hiệu quả cao trong xử lý vi sinh vật, chất màu và thuốc bảo vệ thực vật…. - Hình 1: Kết cấu hệ thống tạo plasma lạnh Kết cấu hệ thống điện cực tạo plasma lạnh từ. - Tại đây plasma lạnh tương tác. - trực tiếp với dung dịch cần xử lý thông qua điện tử năng lượng cao, O 3 , UV và nhiệt độ cao của tia lửa điện. - Tại buồng plasma gián tiếp, plasma lạnh được tạo ra ở bên ngoài ống thủy tinh cách điện do phóng điện vầng quang và tương tác với dung dịch cần xử lý thông qua UV và O 3 được dẫn xuống đáy thùng chứa dung dịch. - Khi hoạt động xử lý thì dung dịch. - Như đã nêu trên, gốc tự do đóng vai trò rất quan trọng trong công nghệ plasma lạnh vì thế nghiên cứu tiến hành khảo sát những yếu tố ảnh hưởng đến nồng độ gốc tự do được tạo ra trong nước dưới tác động của plasma lạnh.. - Hợp chất 2,2-diphenyl-1-picrylhydrazyl (DPPH, Sigma, Mỹ) được sử dụng để xác định nồng độ gốc tự do. - Các hợp chất như glycerol, Tween 80 và nước giếng khoan được sử dụng để tạo môi trường ảnh hưởng đến nồng độ gốc tự do.. - 2.2 Mô hình xử lý nước bằng công nghệ plasma lạnh. - Nghiên cứu sử dụng mô hình xử lý nước bằng plasma lạnh được mô tả như trong Hình 2. - Sau thời gian xử lý nhất định, nước được lấy mẫu để xác định nồng độ gốc tự do. - Sau khi mô hình hoạt động ổn định (khoảng 1 phút) sẽ tiến hành khảo sát các yếu tố ảnh hưởng đến nồng độ gốc tự do như lưu lượng dòng chảy, điện áp, thời gian chiếu xạ, hợp chất hữu cơ, loại nước, cùng với sự ảnh hưởng của buồng plasma gián tiếp và lưu lượng không khí.. - Hình 2: Mô hình xử lý nước bằng plasma lạnh:. - 2.3 Phương pháp phân tích nồng độ gốc tự do. - Nồng độ gốc tự do được xác định bằng phương pháp phổ biến là sử dụng hợp chất bắt gốc tự do 2,2- diphenyl-1-picrylhydrazyl (DPPH) (Williams et al., 1995. - Kumaran et al., 2006. - Sharma et al., 2009;. - Hardy et al., 2015). - Trong đó, nồng độ gốc tự do được tính trên sự biến đổi nồng độ của DPPH khi phản ứng với dung dịch sau khi được xử lý bằng plasma lạnh. - Nồng độ gốc tự do được tính theo công thức C. - Giả sử phản ứng giữa DPPH và gốc tự do trong dung dịch xảy ra theo tỉ lệ mol 1:1 như sau: DPPH. - DPPH-R (với R là gốc tự do).. - 3.1 Ảnh hưởng của lưu lượng nước đến nồng độ gốc tự do. - Để đánh giá sự ảnh hưởng của lưu lượng nước đến đối với nồng độ gốc tự do trong nước, đồng thời xác định được mức lưu lượng thích hợp cho quá trình tạo gốc tự do. - Hình 3: Đồ thị biểu diễn sự ảnh hưởng của lưu lượng dòng chảy đến nồng độ gốc tự do (U=16. - Kết quả thí nghiệm trình bày ở Hình 3 cho thấy nồng độ gốc tự do giảm khi tăng lưu lượng của dòng chảy. - Ở tốc độ dòng chảy 1 L/P nồng độ gốc tự do sinh ra là lớn nhất đạt mM và giảm khoảng 30% về mM khi lưu lượng dòng chảy tăng đến 5 L/P. - Điều này cho thấy khi tăng lưu lượng thì thời gian tương tác giữa plasma lạnh và dung dịch giảm xuống dẫn đến giảm nồng độ gốc tự do.. - Lưu lượng (L/P) Nồng độ R•×10-2(mmol.L-1). - 3.2 Ảnh hưởng của điện áp đến nồng độ gốc tự do. - Điện áp tạo plasma được thay đổi từ 12 đến 16 kV để khảo sát ảnh hưởng của chúng đến nồng độ gốc tự do sinh ra. - Kết quả thí nghiệm được thể hiện ở Hình 4 và thấy rằng nồng độ gốc tự do tăng tuyến tính khi điện áp tăng từ 12 lên 16 kV. - ở mức điện áp 12 kV nồng độ gốc tự do đạt 6.89. - ×10 -2 mM và nồng độ này sẽ tăng khoảng 12% đến giá trị mM tại điện áp 16 kV. - Điều này phù hợp với các kết quả nghiên cứu trước đây (Krugly et al., 2015), sự gia tăng của nồng độ gốc tự do khi điện áp gia tăng có thể được giải thích bằng sự gia tăng mật độ cũng như năng lượng của điện tử tự do khi điện trường tăng và sự gia tăng nồng độ ozone trong khe hở điện cực.. - Hình 4: Đồ thị biểu diễn sự ảnh hưởng của điện áp đến nồng độ gốc tự do(Q= 2 L/P, t = 30 phút) 3.3 Ảnh hưởng của thời gian xử lý đến. - nồng độ gốc tự do. - Thí nghiệm được tiến hành với thời gian xử lý được thay đổi từ 10 đến 480 phút tại điện áp 16 kV và lưu lượng nước là 2 L/P. - Sự thay đổi giá trị nồng độ gốc tự do trong nước ứng với sự thay đổi thời gian xử lý được thể hiện ở đồ thị Hình 5. - cho thấy nồng độ gốc tự do tăng mạnh từ mM đến mM khi thời gian chiếu xạ plasma tăng từ 10 phút đến 60 phút. - Tuy nhiên, khi tiếp tục tăng thời gian chiếu xạ thì nồng độ gốc tự do có xu hướng bão hòa. - Điều này có thể được giải thích là do khi hàm lượng gốc tự do sinh ra tăng cao, chúng có thể kết hợp với nhau làm suy giảm ngược lại nồng độ gốc tự do.. - Hình 5: Đồ thị biểu diễn sự ảnh hưởng của thời gian xử lý đến nồng độ gốc tự do (U = 16 kV, Q=. - Nồng độ R•×10-2(mmol/L). - Điện áp (kV). - Nồng độ R•×10-2(mM). - Thời gian (phút). - 3.4 Ảnh hưởng của lưu lượng đến nồng độ gốc tự do. - Ảnh hưởng của lưu lượng không khí đến nồng độ gốc tự do được khảo sát trong hai trường hợp có bơm không khí (7,5 L/P) và không bơm không khí (0 L/P). - Kết quả thí nghiệm cho thấy bơm không khí vào buồng plasma sẽ tăng nồng độ gốc tự do khoảng 10% (Hình 6). - Kết quả này được giải thích là do sự tăng lưu lượng không khí sẽ tăng nồng độ ozone. - trong khe hở điện cực cũng như hàm lượng ozone hòa tan trong nước dẫn đến nồng độ gốc tự do sẽ tăng theo (Kuraica et al., 2006. - Hình 6 cũng cho thấy buồng plasma gián tiếp sẽ tăng nồng độ gốc tự do khoảng 15-20%.. - Do buồng plasma gián tiếp tạo ra ozone từ hiện tượng phóng điện vầng quang nên nồng độ ozone trong nước sẽ tăng lên dẫn đến sự gia tăng hàm lượng gốc tự do.. - Hình 6: Đồ thị biểu diễn sự ảnh hưởng lưu lượng không khí và buồng plasma gián tiếp đến nồng độ gốc tự do(U = 16 kV, Q= 2L/P). - 3.5 Ảnh hưởng của lưu lượng đến nồng độ gốc tự do. - Ảnh hưởng của tween 80 và glycerol đến nồng độ gốc tự do được trình bày ở đồ thị Hình 7. - Kết quả thí nghiệm cho thấy nồng độ gốc tự do giảm mạnh từ 7.1×10 -2 xuống và khi có sự. - Điều này có thể được giải thích là gốc tự do sinh ra đã tiếp xúc và tác dụng với tween 80 và glycerol có trong dung dịch làm giảm nồng độ gốc tự do (Liang et al., 2015). - Điều đó cho thấy plasma lạnh có khả năng xử lý các hợp chất hoạt động bề mặt.. - Hình 7: Ảnh hưởng của chất hữu cơ đến nồng độ gốc tự do (U = 16 kV, Q= 2 L/P) 5,0. - Nồng độ R×10-2(mM). - 3.6 Ảnh hưởng của loại nước đến nồng độ gốc tự do. - Ảnh hưởng của nước giếng đến nồng độ gốc tự do cũng được tiến hành khảo sát và kết quả cho thấy nồng độ gốc tự do sinh ra trong môi trường nước. - giếng khoan thấp hơn khoảng 15-20% so với nồng độ gốc tự do sinh ra trong môi trường nước cất (Hình 8). - Điều này được dự đoán là do sự hiện diện của các ion trong nước giếng khoan đã phản ứng với gốc tự do (Scholtz et al., 2015).. - Hình 8: Đồ thị biểu diễn của nước giếng đến gốc tự do (U = 16 kV, Q= 2L/P) 4 KẾT LUẬN. - Kết quả thí nghiệm chứng minh rằng plasma lạnh có khả năng tạo gốc tự do trong nước xử lý.. - Nồng độ gốc tự do tăng khi giảm lưu lượng, tăng điện áp và thời gian xử lý. - Khi kết hợp với bơm không khí và buồng plasma gián tiếp, nồng độ gốc tự do sẽ cao hơn. - Nghiên cứu kế tiếp cần khảo sát ảnh hưởng của phản ứng fenton, xác định mối liên hệ giữa độ dẫn điện đến nồng độ gốc tự do sinh ra cũng như tính toán hiệu quả năng lượng tạo gốc tự do.. - Nghiên cứu ứng dụng công nghệ plasma lạnh trong xử lí nước. - Nồng độ R×10-2(mmol/L)