Michigan Üniversitesi’nin yeni araştırması, plazma ve su etkileşime girdiğinde yüzey alanının arttırılmasının, içme suyundaki PFAS, deterjanlar ve mikrobiyal kirletici maddeler gibi kirletici maddeleri yok eden bir teknolojinin ölçeğinin artmasına yardımcı olabileceğini gösteriyor.
Belirli koşullar altında, plazma suyla temas ettiğinde kendi kendini organize edebilir ve yıldızlara, vagon tekerleklerine veya temas alanını genişleten dişlilere benzeyen karmaşık desenler oluşturabilir. Plazmanın kendi kendine organizasyonunun fiziği hala anlaşılması zor olsa da, daha iyi bir anlayış, suyun daha etkili bir şekilde arındırılması için kullanılmasına yardımcı olabilir.
UM araştırma ekibi, kendi kendini organize eden plazmanın altındaki su yüzeyinin ilk görüntülerini yakaladı ve plazmanın su üzerinde yüzeyi bozan ve aynı zamanda yüzey dalgaları üreten bir elektriksel kuvvet uyguladığını ortaya çıkardı.
Sonuçlar, dalgaların şekli ve boyutunun, gaz ısıtma oranından ve suyun elektriksel özelliklerinden etkilendiğini ve bunun, aynı anda daha fazla suyu arıtmak için daha geniş plazma yüzey alanlarını tercih edecek şekilde yönlendirilebileceğini göstermektedir. Çalışma şurada yayınlandı: Plazma Kaynakları Bilimi ve Teknolojisi.
Sonsuza dek kimyasalları yok etmek
Yaygın olarak sonsuz kimyasallar olarak bilinen PFAS, ısıya ve leke tutmazlık özellikleri nedeniyle ürünlere dahil edildi. Yangınla mücadele köpüklerinde ve tencere ve tavalardaki yapışmaz kaplamada önemli bir bileşendir. Bununla birlikte, güçlü karbon-flor bağlarının sağladığı bu aynı özellikler, bileşiğin atıldıktan sonra parçalanmaya karşı dirençli olmasını sağlar.
PFAS, yeraltı ve yüzey su kaynaklarına çevreye sızdıkça, bu su bitkiler ve hayvanlar tarafından alınır. İnsan dokusunda birikerek zamanla kanser oluşumu riskini ve endokrin bozulması gibi diğer olumsuz sağlık etkilerini artırır.
Son araştırmalar, plazmanın kirli suya enjekte edildiğinde PFAS’ı yok edebildiğini göstermiştir. Normal havada atmosferik basınçta yapılan aktifleştirilmiş bir gaz olan plazma, enerjik elektronlardan, iyonlardan ve uyarılmış türlerden oluşur. Enerji esas olarak düşük kütleli elektronlarda, iyonlarda ve fotonlarda bulunur. Bu durumda hızlı yüksek voltaj darbeleriyle termal olmayan plazmalar üretilir. Bu tür plazmalarla temas halinde olan su bu nedenle ısıtılmaz ve aslında bu plazmalar, plazma tıbbı adı verilen bir alanda biyolojik dokuyu tedavi edecek kadar yumuşaktır.
Soğuk plazma suyla temas ettiğinde flor-karbon bağını kırabilen iyonlar, solvatlı elektronlar, uyarılmış moleküller, ultrason dalgaları, şok dalgaları ve UV ışığı üretir. Karbon flor bağının organik kimyadaki en güçlü bağ olduğu göz önüne alındığında bu başarı etkileyicidir. Enerjik plazma süreçleri aynı zamanda PFAS bileşiklerini oluşturan karbon zincirlerinin omurgalarını da kırarak daha küçük moleküller oluşturur ve PFAS’ı zararsız kalıntılara mineralize eder. Geleneksel su arıtma yöntemleri bu toksini yok edemez, bu nedenle gelişmiş yöntemler kritik öneme sahiptir.
UM’de nükleer mühendislik, radyolojik bilimler ve havacılık ve uzay mühendisliği profesörü ve çalışmanın kıdemli yazarı John Foster, “Laboratuvar gösterileri, soğuk plazmanın sudaki birçok kirletici maddeyi neredeyse tamamen ortadan kaldırarak ortadan kaldırabildiğini gösteriyor. Bu, bu eski kimyasalların arıtılması için yeni bir fırsat açıyor” dedi.
Yaklaşım etkili olsa da, plazma enjeksiyonu enerji yoğun ve pahalıdır, bu da onu endüstriyel ölçekte uygulamaya koymayı zorlaştırır.
Entropiyi tersine çeviren modeller
Plazma desenleri, göletin yüzeyindeki yağmur damlasının dalgaları gibi dağılmak yerine, dışarıya doğru yayıldıkça daha karmaşık hale geliyor. Bu entropi tersine çevirme modellerinde, suyun yüzey alanının daha büyük bir kısmı plazma ile temasa geçer.
Foster, “Bu süreçler, denge dışı termodinamik tarafından yönetiliyor. Burada enerji ve reaktif türler, plazma tarafından yerel olarak açık bir sistemde biriktiriliyor, öyle ki, biriken türlerin konsantrasyonu, reaktantlar oluşamayacağından hiçbir zaman termodinamik dengeye yaklaşmıyor. Reaktan tükenmesi olmadan, bu açık sistemler kendi kendine organizasyona duyarlıdır. Bu model ayak izleri daha büyüktür ve bu nedenle plazma temas alanını arttırmak için kullanılabilir” dedi.
Eğer kalıpları değiştirmek mümkünse, daha büyük hacimli suyun daha verimli bir şekilde arıtılmasına yardımcı olabilirler.
Kendi kendine organize olan desenleri incelerken, bir tavan lambası araştırmacının dikkatini çekti ve plazmanın altındaki suyun dokulu olduğunu fark etmeye yardımcı oldu; tıpkı güneşin bir havuzun dalgaları üzerindeki parıltısının yüzeyin düz olmadığını göstermesine benzer şekilde.
UM’de nükleer mühendislik ve radyolojik bilimler alanında doktora mezunu ve çalışmanın ilk yazarı olan Zimu Yang, “Deforme olmuş sıvı yüzeyi her zaman oradaydı, ancak sıvı yüzeye belirli bir açıyla bakarken aniden şunu fark ettim. Bilim her yerdedir, saf ve tutarlıdır” dedi.
Aşağıdaki su desenlerini yakalama
Plazma-su etkileşimleri yaklaşık 10 mikrosaniye veya saniyenin 10 milyonda biri kadar bir sürede gerçekleştiğinden, araştırma ekibi yüzeydeki bozulma anını yakalamak için özel, yüksek hızlı bir kamera kurulumu geliştirdi.
Deney düzeneğinde, bir plazma jeti su yüzeyinin sadece birkaç milimetre yukarısına konumlandırılıyor. Benekli bir lazer belirli bir açıdan suya işaret ederek, kameranın ortaya çıkan dalga desenlerinin ışığı nasıl yansıttığını yakalamasını sağlar.
Araştırmacılar, plazma ve suyun etkileşime girdiği anı tam olarak yakalamak için yüksek hızlı kamerayı hızlı, yüksek voltajlı plazma jet darbeleriyle senkronize etti. Görüntüler, plazmanın suyu bir elektrik alanı aracılığıyla ittiğini ve üzerindeki plazma deseninden gelen elektrik kuvvetlerinin ayna görüntüsünü oluşturduğunu ortaya çıkardı.
Desenlerin nasıl geliştiğini anlamak için araştırmacılar, darbe ile kamera yakalama arasındaki süreyi artırırken deneyi birçok kez tekrarladılar. Kesin olarak zamanlanmış çekimler, plazma modelinin su deformasyonuna neden olduğunu doğruladı, tersi değil. Desen sınırında yüzey dalgaları oluşur. Ortaya çıkan dalgalar, plazma modeli tarafından yönlendirilir ve plazmanın gaz akış hızı ve ısıtma hızı ayarlanarak değiştirilebilir.
Yang, “Bu kontrol edilebilir ve belki de genişletilebilirse, plazma yöntemleri daha büyük hacimleri işlemek için ölçeklendirilebilir ve sonuçta PFAS dahil kirletici maddeleri gidermek için su arıtma tesislerine entegre edilebilir” dedi.
