Análise da performance oxidativa de um reator de plasma frio e sua relação com os parâmetros químicos

Abstract

Neste trabalho, foi investigado o efeito dos parâmetros operacionais gap (distância entre a ponta do eletrodo e a superfície líquida) e temperatura da fase líquida sobre a eficiência oxidativa de um reator de plasma frio alimentado com ar atmosférico, com o intuito de degradar um alvo orgânico. Foram feitas medidas cinéticas de espécies produzidas pelo plasma em fase gasosa e em solução, da descoloração do alaranjado de metila, e foram determinadas as tendências dos parâmetros operacionais sobre os parâmetros cinéticos, relacionando a produção de espécies com a descoloração, e também foi realizada uma caracterização elétrica para medir o consumo energético. Os resultados indicam que a maior influência sobre o valor de potencial de oxirredução (ORP), que mede o quão oxidante é a água ativada por plasma (PAW), é do íon H+. Um aumento do gap na faixa testada aumenta a produção de espécies reativas em fase gasosa, como ·OH, ·O, ·H, ·NO, ·NO2 e HONO, aumenta a taxa de produção de H+, NO2- e NO3- em solução, o que acarreta em maior taxa de crescimento e valor do platô de ORP, e também aumentou a taxa de descoloração de alaranjado de metila. Esses resultados se encaixam numa tendência de que o aumento do gap faz com que ocorra um aumento da produção de espécies reativas, o que faz com que a degradação do alvo orgânico seja mais rápida. As medidas de FTIR indicam que temperatura da fase líquida não altera apreciavelmente a concentração de espécies reativas em fase gasosa, indicando que o plasma produz espécies reativas de maneira constante e relativamente independente da temperatura do meio, e estas espécies gasosas, ao serem solvatadas, afetam as propriedades da solução. Uma diminuição da temperatura acarreta em maior taxa de crescimento e valor do platô de ORP e também a taxa de produção de H+, NO2- e NO3- em solução. Uma temperatura maior favorece a degradação de um alvo orgânico, enquanto que uma menor temperatura favorece o acúmulo de nitrito e nitrato em solução. Finalmente, a caracterização elétrica indica que a potência do reator varia entre 1 W e 2 W, com valores menores para gaps maiores, o que indica que o aumento do gap faz com que aumente a eficiência energética de produção de espécies reativas.<br>

Abstract: In this work, the effect of the operating parameters gap (distance between the electrode tip and the liquid surface) and temperature of the liquid phase on the oxidative efficiency of an cold plasma reactor fed with atmospheric air was investigated in order to degrade an organic molecule target. Kinetic measurements of species produced by the plasma in the gas phase, in solution, and of methyl orange discolouration were made, and the trends of the operating parameters on the kinetic parameters were determined, relating species production to discoloration, and also a electrical characterization was performed to measure energy consumption. The results indicate that the greatest influence on the oxidative potential (ORP) value, which measures how oxidizing plasma-activated water (PAW) is, is from H+ ion. Increasing the gap in the tested range increases the production of reactive gas phase species such as ·OH, ·O, ·H, ·NO, ·NO2 and HONO, increasing the production rate of H+, NO2- and NO3- in solution, which leads to higher growth rate and value of the ORP plateau, and also increased the methyl orange discoloration rate. These results fit a tendency that an increase of the gap causes an increase in the production of reactive species, which causes the degradation of the organic target to be faster. FTIR measurements indicate that liquid phase temperature does not appreciably change the concentration of gaseous reactive species, indicating that plasma produces reactive species in a constant manner and relatively independent from the medium's temperature, and these gaseous species, when solvated, affect the properties of the solution. A decrease in temperature results in higher growth rate and ORP plateau value and also the production rate of H+, NO2- and NO3- in solution. A higher temperature favors the degradation of an organic target, while a lower temperature favors the accumulation of nitrite and nitrate in solution. Finally, the electrical characterization indicates that the reactor power varies between 1 W and 2 W, with smaller values for larger gaps, which indicates that increasing the gap increases the energy efficiency of reactive species production.