Effects of electrical discharges on microbial inactivation in water
Vliv elektrických výbojů na mikrobiální inaktivaci ve vodě
Vedoucí/Supervisor
Prof. Ing. Václav Janda, CSc.
Jazyk/Language
Czech
Abstrakt
Na elektrické výboje je v současné době zaměřen širší výzkum pro vhodné použití ve vodě pitné nebo odpadní. Předchozí výzkum ukázal, že elektrický výboj má za následek generaci chemických a fyzikálních procesů ve vodě, jako například vznik reaktivních molekul (H2O2, H2, O2), volných radikálů (OH•, H•, O•, HO2•), UV záření a elektrické pole, které dokáží rozkládat organické molekuly rozpuštěné ve vodě. Vznikající procesy jsou schopné nejenom dekontaminovat organické znečištění ve vodě, ale i mikrobiální oživení. Současný výzkum je stále více zaměřen na použití elektrických výbojů jako bio dekontaminačního činidla vody, ale i povrchů.
Cílem této práce bylo prozkoumat cesty eliminace mikroorganismů pomocí elektrických výbojů aplikovaných do vodného prostředí. Výbojové plazma bylo generováno jednak přímo ve vodě nebo v plynné fázi v kontaktu s vodou a na rozhraní plyn/kapalina pomocí čtyř různých typů výbojových zdrojů: impulsní vysokonapěťový výboj ve vodě generovaný v reaktoru s konfigurací elektrod hrot-rovina; stejnosměrný diafragmový výboj generovaný v bublinách vodní páry ve vodě; impulsní výboj generovaný v plynné fázi v kontaktu s vodní hladinou; a vysokofrekvenční plazmová tužka kINPen v kontaktu s vodní hladinou. První tři výbojové zdroje byly vyvinuty na Ústavu fyziky plazmatu AV ČR, kINPen je komerčně dodávaný produkt firmy Neoplas tools, Německo.
Použitím všech plazmových zdrojů docházelo ke značné eliminaci mikroorganismů, avšak hlavním cílem této práce je popsat samotné procesy, které se na eliminaci podílejí. V práci je diskutován vliv výše zmíněných fyzikálních a chemických procesů na bio dekontaminaci, přičemž každý zdroj je diskutován z hlediska jednoho z procesů, který se pravděpodobně na inaktivaci podílí.
Práce se zabývá studií vlivu UV záření vznikajícího ve výboji podílejícího se na bakteriální inaktivaci, který byl zkoumán v případě plazmatu generovaného ve vodě pomocí systému elektrod v konfiguraci hrot-rovina. Výboj generovaný v plynné fázi v kontaktu s vodní hladinou umožnil rozbor chemických procesů přispívajících k bio dekontaminaci, jmenovitě příspěvek sloučenin kyslíku a dusíku, a pH. Použitím kINPenu bylo možné zmenšit objem bakteriální suspenze a studovat cesty inaktivace ve větších detailech. Byla provedena studie týkající se vlivu OH• radikálů na buněčnou stěnu a dalších pravděpodobných cest inaktivace. Diafragmový výboj byl zkonstruován tak, aby umožnil částečnou simulaci použití na reálných vodách, tzn. průtočných systém. Biologicky znečištěná voda byla vystavena výboji několikrát za sebou a prokázalo se, že průchodem jednotlivých výbojek za sebou by bylo možné dojít k eliminaci mikroorganismů.
V práci bylo ověřeno, že dekontaminační účinnost závisí na druhu bakterie a konduktivitě roztoku. Dále byly ověřovány možné cesty inaktivace, v případě výboje generovaného ve vodě se zjistilo, že vznikající UV záření emitované do bakteriální suspenze má významný podíl na bakteriální inaktivaci. Výboj generovaný v plynné fázi v kontaktu s vodní hladinou způsobil acidifikaci roztoku, čímž mohly dále probíhat reakce mezi kyslíkovými a dusíkovými částicemi, i když byl výboj vypnutý. Voda ošetřená výbojem vykazovala výborné dekontaminační vlastnosti. Plazma generované ve směsi argon/kyslík nemělo vliv na pH roztoku. V tomto případě byla dekontaminace pravděpodobně způsobená ozonem nebo produkty jeho rozkladu. Aplikací plazmové trysky bylo zjištěno, že lipidová peroxidace membrány je důležitou cestou inaktivace. S použitím diafragmového výboje byly studovány možnosti úpravy reálných biologicky znečištěných vod pomocí plazmatu a bylo zjištěno, že relativně dobré účinnosti eliminace mikroorganismů ve vodě lze dosáhnout průchodem upravované vody sérií několika výbojových reaktorů za sebou.
Abstract
Electrical discharge plasmas in gases and liquids are currently under investigation for potential applications in treatment of drinking water and in waste water plants. Previous research has demonstrated that high voltage electrical discharges initiate a variety of chemical and physical processes which are able to decompose organic molecules, and also decontaminate biological pollution in water. These processes include electric field, ultraviolet radiation, and formation of various highly reactive chemical species such as radicals, molecular radicals and ions. Recently, electrical discharges have been proposed for bio-decontamination of water and solid surfaces.
The aim of this thesis was to study bio-decontamination pathways induced by electrical discharge plasma in liquids. Plasma was generated directly in water or in contact with water surface using four different types of electrical discharge reactors: underwater pulsed discharge generated with needle-to-plate electrode geometry; DC diaphragm discharge excited in vapour bubbles in water; air pulsed discharge plasma generated at gas/liquid interface; and radio-frequency atmospheric pressure argon plasma jet (kINPen) generated in contact with water surface. Discharge apparatuses have been developed at the Institute of Plasma Physics Academy of Sciences of the Czech Republic except for commercial device kINPen which has been developed in company Neoplas Tools, Germany.
Microorganisms were evidently inactivated by all used plasma sources. Objective of this work was to analyse the main mechanisms of plasma induced bio-decontamination of water. Using each plasma source, bio-effects of one particular process were studied.
The contribution of UV radiation from plasma to overall bacterial inactivation was studied using underwater needle-to-plate discharge reactor. Contribution of plasma-chemical species produced by plasma such as reactive oxygen and nitrogen species and solution pH to bio-decontamination by plasma was studied using air pulsed discharge reactor generated at gas/liquid interface. Bacterial decontamination by DC diaphragm discharge was examined from point of view of potential use of electrical discharges in real water treatment applications. From obtained results specific contributions of physical and chemical processes in the microbial inactivation by plasma in water were proposed. Examination of inactivation pathways in bacteria such as oxidation of a cellular wall by OH• radicals was made using plasma jet kINPen.
Plasma induced decontamination effectiveness was found dependent on the bacterial strain and solution conductivity. Significant contribution of UV radiation from plasma to the inactivation induced by discharge in water was determined. Air discharge plasma in contact with water surface induced significant acidification and post-discharge chemistry of reactive nitrogen and oxygen species in plasma treated water. Plasma treated water was shown to have a great decontamination potential. Plasma generated in argon/oxygen mixture did not influence solution pH of plasma treated water. The main decontamination effect in this case was likely caused directly by ozone transferred from the gas phase plasma into water and by reactive species formed through its decomposition in water. On the cellular level, membrane lipoperoxidation was determined as an important reaction pathway contributing to the plasma induced inactivation of bacteria in water.