DBD discharge treatment of chlorinated hydrocarbons

De toekomst van waterzuivering: plasmaontlading!

Conventionele waterzuiveringsinstallaties zijn zelden uitgerust voor de verwijdering van micropolluenten. Als het gaat over micropolluenten, wordt er vaak gedacht aan de vervrouwelijking van het aquatisch leven door restanten van bijvoorbeeld de anticonceptiepil. Er zijn echter een tal van andere oorzaken waardoor micropolluenten in het afvalwater terecht komen. Denk maar aan pesticiden, oppervlakte-actieve stoffen en afvalstromen van de industrie. In dit onderzoek wordt gezocht naar een alternatieve manier om deze componenten uit het water te verwijderen.

Eerst en vooral micropolluenten zijn organische moleculen die in uiterst lage concentraties voorkomen (µg/l). De effecten van micropolluenten op mensen zijn nog grotendeels onbekend, maar dit sluit niet uit dat de verwijdering van deze componenten moet worden verwaarloosd. Technieken zoals ozonatie en UV-behandeling worden al jaren getest voor de bestrijding van micropolluenten. Het ver ontwikkelde ozonproces wordt zelfs al op grote schaal getest. Toch zijn deze technieken vrij duur in installatie en onderhoud. Het is daarom belangrijk om zoveel mogelijk alternatieven aan te spreken om tot de beste oplossing te komen. Dit onderzoek zal zich richten op het gebruik van plasmaontlading voor de verwijdering van organische componenten.

Waarom plasma?
Plasma is een elektrische ontlading, eenvoudig te produceren en brengt een tal van reactieve componenten met zich mee die zorgen voor de afbraak van schadelijke moleculen. Door de diversiteit van de reactieve stoffen is het mogelijk een gamma aan verbindingen af te breken. Voorbeelden van deze reactieve componenten zijn ozon, waterstof peroxide, hydroxyl radicalen, UV licht, … Deze componenten worden meestal in aparte verwijderingstechnieken gebruikt. Het grote voordeel van plasma is dat het kan worden gecreëerd door slechts 2 elektrodes en een hoogspanningsbron.

De opstelling
Plasmaontlading over een wateroppervlak (Figuur 1) kan vrij eenvoudig verkregen worden. De enige vereisten zijn: een hoogspanningsbron en twee elektrodes. Dit maakt het optimaliseren en veranderen van de opstelling kinderspel. De volledige reactor (Figuur 2) bestaat uit een plasmakamer (P) en een ozonisatiekamer (O3). De plasmakamer bestaat uit 2 elektrodes met daartussen een water- en een luchtlaag. Wanneer spanning aan een van de elektroden gebracht wordt, wordt een plasmaontlading verkregen over het wateroppervlak. De luchtlaag wordt verkregen door een continue toevoer van droge lucht. Wanneer deze lucht met het plasma in contact komt, zullen tal van reactieve bestanddelen in de luchtstroom terecht komen. Deze luchtstroom wordt vervolgens door de ozonisatiekamer geleid waar de opgenomen reactieve componenten kunnen reageren met de organische componenten in het water. Omdat de reactieve bestanddelen voornamelijk ozon en radicalen zijn, wordt er gesproken van een ozonisatiekamer. Deze kamer dient tevens als reservoir in de continue opstelling (zie figuur 2).

Deze opstelling is door zijn eenvoud ook veelzijdig. Er kan een continu proces verkregen worden, alsook een serieschakeling. Dit laatste betekent dat deze installatie in een bestaande waterzuiveringslijn kan worden gebracht.

De eerste testen

Om een overzicht te krijgen van hoe goed dit systeem de verwijdering van organische componenten kan teweegbrengen, wordt de modelcomponent methyleen blauw gebruikt. Deze component is een kleurstof die zonder voorbereiding kan worden opgemeten en dus een snel beeld geeft, voor verschillende vermogen-instellingen, hoe efficiënt de opstelling is. Met een beginconcentratie van 15 mg/l methyleen blauw kan nagegaan worden welke instelling het meest effectief is. Een minimale kost van  0,29 €/m³ werd verkregen bij de laagste vermogen-instelling van 10 Watt. In vergelijking met andere plasmasystemen was dit systeem minstens 10 keer efficiënter. Daarnaast werd ook het effect nagegaan van de opstelling in serie. Hierbij werd de invloed van de volgorde bekeken van plasma- en ozonisatiekamer. Het plaatsten van de ozonisatiekamer voor de plasmakamer zorgde voor een stijging van 20%  in verwijdering.

Voorgaande experimenten bewezen dat wanneer het water in contact komt met het plasma, de zuurtegraad (pH) met 2 eenheden daalt. Dit betekent dat de oplossing 100 keer zo zuur wordt in een periode van 5 minuten. Dit heeft als gevolg dat ozon stabieler wordt en dus minder gemakkelijk de kleurstof methyleen blauw kan afbreken. Dit effect kan dus eenvoudig worden vermeden door de plasmakamer achteraan de opstelling te plaatsen.

Micropolluenten
In deze studie werden de micropolluenten pentachlorobenzeen (PeCB) en alfa hexachlorocyclohexaan (α-HCH) onderzocht. Deze componenten vereisen een voorbehandeling alvorens ze kunnen worden opgemeten. Er wordt gebruik gemaakt van vloeistof-vloeistof extractie om de micropolluenten van een waterige fase naar een organische fase te brengen. Dit laat toe dat de componenten kunnen worden opgemeten met een GC-MS. Dit is een analytische methode die gaschromatografie met massaspectroscopie combineert, op deze manier kunnen lage concentraties tot 1 µg/l worden opgemeten.

Door de beperkte oplosbaarheid van de micropolluenten wordt een begin concentratie gebruikt van 150 µg/l en 300 µg/l voor respectievelijk pentachlorobenzeen en alfa hexachlorocyclohexaan. Net zoals bij de blauwe kleurstof werd gevonden dat de laagste vermogen instelling, 10 W, het meest efficiënt is in de verwijdering van de micropolluenten. Opnieuw werd het experiment uitgevoerd waar de 2 kamers in serie worden geplaatst. Er werd gevonden dat voor beide micropolluenten het plaatsten van de ozonisatiekamer voor de plasma kamer zorgde voor een grotere verwijdering.  

Conclusie
Dit onderzoek toonde aan dat plasmaontlading wel degelijk een toekomst heeft als waterzuiveringstechnologie. Omdat de techniek voorlopig nog in de kinderschoenen staat is het amper te vergelijken met huidige technologieën zoals ozonisatie. Maar de verwijdering van micropolluenten is wel degelijk een feit. Verder onderzoek zal de reactor moeten optimaliseren om zo tot de meest efficiënte parameters te komen die zowel voor een lage kost als voor een grote verwijdering zorgen.