用于气体相改性和选择性控制的大气压等离子体装置，在现场用水消毒应用中具有二次流动特性

《IEEE Transactions on Plasma Science》：Atmospheric Pressure Plasma Device With Secondary Flow for Gas-Phase Modification and Selectivity Control in Point-of-Use Water Disinfection Applications

等离子体消毒装置通过调节脉冲频率、电压及双空气流实现高效灭活，对大肠杆菌和MS2噬菌体达6 log级，并控制副产物在EPA安全限内，对比实验室直流脉冲器与商用交流电源性能。

　　

摘要：

世界卫生组织估计，全球有25%的人口（超过20亿人）依赖受污染的水源，每年有340万人因水处理基础设施不足导致的水传播病原体而患病。为了解决这一问题，我们正在开发一种等离子体消毒装置，该装置可在使用现场按需使用。通过调节脉冲频率、电压以及两种空气气体流量，可以控制等离子体反应的过程。本研究主要针对大肠杆菌（E. coli）和噬菌体MS2进行消毒。使用该装置，在200毫升的处理体积中，以相对较低的功率（16.8 ± 1.3瓦）处理4分钟后，大肠杆菌的数量减少了6个对数级；在100毫升的处理体积中，MS2的数量也减少了6个对数级。对于使用等离子体装置进行水净化而言，确保最终水质安全可饮用是一个重要考虑因素。为此，我们尝试探索能够最大化有效消毒成分的同时，将有害氮副产物的生成降至最低的等离子体参数组合，目标是使其低于美国环保署（EPA）规定的最大污染物浓度限值（MCLs）。我们通过测试多种电压、频率和气体流量组合，以确定最佳操作条件，从而最大化臭氧（O3）和过氧化氢（H2O2）的生成量，并减少亚硝酸盐（NO??）和硝酸盐（NO??）等有害物质的产生。等离子体是通过两种不同的电源产生的：一种是实验室用的直流纳秒脉冲发生器，另一种是市场上常见的低成本交流电源。为了比较这两种电源的性能，我们通过发射光谱法分析了气相成分，通过分光吸收光谱法分析了液相成分。

引言

根据世界卫生组织的数据，全球有超过20亿人无法获得清洁的饮用水[1]。水传播疾病是全球主要的死亡原因之一，每年导致约340万人死亡[2]。这些疾病通常由缺乏适当的饮用水和废水处理设施引起。来自人类和动物排泄物的病原体会污染水源，引发诸如伤寒、霍乱、痢疾和肝炎等腹泻性疾病。事实上，全球25%的人口所饮用的水中含有粪便污染物[3]。在发展中国家，化学污染物也是一个严重问题，因为制造废料往往未经处理直接排放到环境中。这些化学污染物可能导致严重的慢性疾病，如癌症、神经系统疾病和生殖系统疾病[4]。