Tratamiento de aguas mediante descargas de microondas

Abstract

En este trabajo hemos estudiado el uso de un plasma no térmico mantenido por microondas (MW) a 2.45 GHz para el tratamiento de agua coloreada. Este estudio comenzó con la caracterización del plasma. De este modo, utilizando técnicas de Espectroscopía de Emisión Óptica (OES), se midieron los parámetros característicos de dicho plasma de MW para diferentes condiciones experimentales de flujo de gas. A partir del ensanchamiento de líneas atómicas y de la simulación de espectros vibro-rotacionales de especies diatómicas, pudo obtenerse la temperatura del gas en el plasma. Por otra parte, suponiendo la existencia de un Equilibrio Termodinámico Local parcial (ETLp) en el plasma y aplicando la técnica del diagrama de Boltzmann, se estimó su temperatura electrónica, muy superior a la del gas. De este modo, pudo comprobarse que era un plasma de dos temperaturas. A partir del ensanchamiento Stark de la línea atómica H de la serie Balmer del Hidrógeno se determinó asimismo la densidad electrónica de este plasma, que varió entre 0.5·1013 y 3·1014 cm-3. Finalmente, los espectros de emisión permitieron conocer las distintas especies excitadas del plasma y la dependencia de sus poblaciones relativas con las condiciones experimentales. Entre estas especies se incluyen los átomos excitados de argón, de oxígeno, de hidrógeno, moléculas de nitrógeno y especies OH. Por otra parte, se estudió el efecto de este plasma en el proceso de descomposición del colorante azul de metileno en una disolución acuosa. La aplicación de este plasma sobre la superficie del agua, dio lugar a la generación de peróxidos en el agua (presumiblemente debida a la formación previa de radicales hidroxilo) y a cambios en las propiedades del líquido como pH, temperatura y conductividad, lo que a su vez favoreció la descomposición del colorante. Se comprobó que el grado de descomposición dependió del tiempo de tratamiento, volumen de disolución tratado, concentración inicial de colorante y flujo de gas argón empleado. Estos cambios en las propiedades del agua escalaban con la densidad de especies de argón excitadas en el plasma, evidenciando así que estas especies juegan un papel importante en el proceso de degradación.

In this work we have studied the use of a non-thermal plasma sustained by microwaves (MW) at 2.45 GHz for the treatment of colored water. Characterization of this plasma was the first step in this study. In this way, the characteristic parameters of this MW plasma sustained under different flow rate conditions were measured using Optical Emission Spectroscopy techniques. From both the broadening of some atomic lines and the simulation of vibrorotational spectra of diatomic species, the gas temperature of the plasma was determined. On the other hand, assuming the plasma was in partial Local Thermodynamic Equilibrium (pLTE), and applying the Boltzmann-plot technique, its electron temperature was estimated, being much higher than the gas one. Thus, it was found that this one was a two-temperatures plasma. Also, the electron density of this plasma was determined from the Stark broadening of the H Hydrogen Balmer series line, and having values ranging from 0.5·1013and 3·1014cm-3. Finally, emission spectra enabled us to identify different excited species in the plasma and the dependency of their relative population densities on the experimental conditions. These species include argon, hydrogen and oxygen excited atoms, nitrogen molecules and OH diatomic species. On the other hand, the effect of this plasma on the degradation progress of dye methylene blue in aqueous solution was studied. Application of this plasma on the water surface triggered hydrogen peroxide formation in liquid and changes on its pH, temperature and conductivity, thus enhancing dye degradation. It was shown that the degree of degradation depended on the time of treatment, sample volume, initial dye concentration and argon flow rate in the plasma. These changes scaled to the density of argon excited species in the plasma, revealing the outstanding role of these species in the degradation process.