Hình 1. Kết cấu hệ thống tạo plasma lạnh

Plasma, trạng thái thứ tư của vật chất bao gồm các ion, điện tử, nguyên tử/phân tử trung tính và các phần tử bị kích thích, UV. Kèm theo sự hình thành plasma là sự xuất hiện của UV và ozone trong môi trường khí. 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., 2016), 2-naphthol (Krugly et al., 2015), hexachlorobenzene, pentachlorobenzene (Zhang et al., 2007), phenol, toluene (Marotta et al., 2012), 4- 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 & Ashkarran, 2016). 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 (H₂O₂, O₃), 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…

Kết cấu hệ thống điện cực tạo plasma lạnh từ phóng điện màn chắn và phóng điện vầng quang được cho ở Hình 1. Tại buồng plasma trực tiếp, hệ thống điện cực trụ đồng trục có màn chắn cách điện được sử dụng để tạo ra plasm lạnh bên trong ống thủy tinh cách điện. Tại đây plasma lạnh tương tác trực tiếp với dung dịch cần xử lý thông qua điện tử năng lượng cao, O3, 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 O3 được dẫn xuống đáy thùng chứa dung dịch. Khi hoạt động xử lý thì dung dịch được bơm từ dưới lên trong ống điện cực và sẽ chảy tràn ra phía ngoài của thành ống điện cực, tiếp xúc với plasma khi đi xuống theo chiều mũi tên như trong Hình 1.

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.

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 7.57×10^-2 xuống 5.41×10^-2 mM khi tăng lưu lượng nước từ 1 đến 5 L/P. Nồng độ gốc tự do tăng từ 6.89×10^-2 đến 7.77×10^-2 mM khi tăng điện áp từ 12-16 kV. Nồng độ gốc tự do chiếm từ 7.52×10^-2 đến 8.89×10^-2 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.