Modeling of dielectric barrier discharge (DBD) plasma reactor for soil remediation

Abstract

Contaminated sites due to expanding industrialization are known to be potential sources of severe hazards to human health. Recent progress in soil remediation processes includes a promising plasma technology that uses a Dielectric Barrier Discharge (DBD) reactor to produce highly reactive oxidized species. The present work models plasma inside the DBD reactor and evaluates the production of oxidized species used for pollutant degradation and, eventually, for soil remediation. This investigation covers the plasma phenomena that take place inside the plasma reactor, and extends to the underlying transport and reaction phenomena, over a wide range of characteristic times, namely, from nanoseconds up to minutes. More specifically, the plasma working conditions are examined inside several geometries. 1D and 2D axisymmetric models are developed to simulate the electrical discharge of DBD at atmospheric pressure. Numerous key parameters were examined for the electrical conditions inside the reactor, such as the dielectric permittivities, the thickness of the dielectric parts, the distances between electrodes, and the applied voltages. These test case scenarios are investigated with sophisticated numerical models. Initially, a novel dual-time hierarchical model is developed to link the plasma process to the energy transport phenomena in the interior of an energetic DBD reactor. The generation of active species by the plasma reactions is simulated at the microseconds (µs) timescale, whereas convection and thermal conduction are simulated at macroscopic (minutes) timescales. The Effective Medium Theory is employed to provide estimates of the effective temporally-evolving and three-phasic transport properties of the soil sample. Model predictions considering the temporal evolution of the plasma remediation process are presented and compared with corresponding experimental data. The hierarchical model is modified for low temperature DBD plasma, addressing key mechanisms of soil remediation with characteristic time scales ranging from nanoseconds to minutes. Using appropriate modification, the simulated microscopic DBD plasma processes are linked to the macroscopic remediation modeling through the local species concentrations. A complex, 100-reaction set is implemented in the plasma simulator for the calculation of the concentrations of highly reactive species produced in pertinent operational conditions. These species concentrations are used as source terms for the solution of the macroscopic problem. In addition, an effective mobility term was used to capture the structural effect of the porous soil medium on the plasma process. A wide range of flow rate scenarios is examined, showing that the air velocity influences the remediation process significantly. Another case study involves the application of several sandy soil materials with varying porosity and permeability values, and assesses their impact on the pollutant degradation rate. Improved operational conditions for the DBD reactor are suggested for the particular case of atrazine degradation.

Οι περιοχές ρύπανσης αυξάνονται διαρκώς εξαιτίας των επεκτεινόμενων βιομηχανικών ζωνών, έχοντας σημαντικό αντίκτυπο στην ανθρώπινη υγεία. Πρόσφατες έρευνες για την αποκατάσταση των εδαφών αυτών έδειξαν ενθαρρυντικά αποτελέσματα για την αντιμετώπιση της ρύπανσης, μέσω της τεχνολογίας πλάσματος. Συγκεκριμένα, η χρήση αντιδραστήρα διηλεκτρικού φράγματος οδηγεί στη δημιουργία πολύ ενεργών οξειδωτικών μέσων, τα οποία επιτίθενται άμεσα στο ρύπο. Στην παρούσα διατριβή, η μοντελοποίηση της παραγωγής πλάσματος, των οξειδωτικών μέσων, καθώς και των διεργασιών που συντελούνται για την απορρύπανση και εν τέλει την αποκατάσταση του εδάφους, είναι στο επίκεντρο της μελέτης. Η μελέτη αυτή επεκτείνεται σε ένα σημαντικό χρονικό εύρος διεργασίας, από την κλίμακα νανοδευτερολέπτων έως την κλίμακα λεπτών, ερευνώντας τόσο τις διεργασίες πλάσματος που λαμβάνουν χώρα σε μικρούς χαρακτηριστικούς χρόνους, όσο τις αντιδράσεις απορρύπανσης και τα φαινόμενα μεταφοράς που συμβαίνουν σε κλίμακα λεπτών. Αρχικά αναπτύχθηκαν μοντέλα μελέτης των ηλεκτρικών εκκενώσεων του αντιδραστήρα διηλεκτρικού φράγματος σε συνθήκες ατμοσφαιρικής πίεσης (για την παραγωγή ψυχρού πλάσματος) σε μια κύρια διάσταση. Εξετάστηκαν σημαντικές παράμετροι της διεργασίας, όπως η συσχέτιση των διαφορετικών διηλεκτρικών μέσων, το πάχος αυτών, οι αποστάσεις μεταξύ τους, καθώς και η εφαρμοζόμενη υψηλή τάση για την παραγωγή πλάσματος. Οι περιπτώσεις αυτές μελετήθηκαν με εξειδικευμένα αριθμητικά μοντέλα. Δημιουργήθηκε ένα καινοτόμο μοντέλο ιεραρχικής προσέγγισης για να μελετήσει και να συνδέσει τα φαινόμενα μεταφοράς θερμότητας σε επίπεδο πλάσματος με το μακροσκοπικό επίπεδο. Η δημιουργία ενεργών μέσων από τις αντιδράσεις πλάσματος μοντελοποιήθηκε στη μικρο-χρονοκλίμακα (μs), ενώ οι μηχανισμοί συναγωγής και μεταφοράς θερμότητας στη μακρο-χρονοκλίμακα (min). Η θεωρία συνεχούς μέσου χρησιμοποιήθηκε για την εκτίμηση χρονικά μεταβαλλόμενων ιδιοτήτων μεταφοράς μέσα στο πορώδες έδαφος. Εν τέλει, δημιουργήθηκε ένα προγνωστικό μοντέλο, χρονικά εξελισσόμενο, για τη διεργασία της απορρύπανσης. Το μοντέλο αυτό συγκρίθηκε με αντίστοιχα πειραματικά δεδομένα. Aναπτύχθηκε, επίσης, ένα ιεραρχικό μοντέλο για χαμηλές θερμοκρασίες παραγωγής πλάσματος, λαμβάνοντας υπόψη μόνο τους σημαντικούς μηχανισμούς απορρύπανσης με χαρακτηριστικούς χρόνους από την νανο- έως τη μακρο-χρονοκλίμακα. Χρησιμοποιώντας κατάλληλες τεχνικές, οι διεργασίες σε επίπεδο ψυχρού πλάσματος συνδέθηκαν με αυτές στη μακρο-κλίμακα μέσω των τοπικών συγκεντρώσεων των χημικών στοιχείων. Μια σύνθετη αλληλουχία, αποτελούμενη από 100 αντιδράσεις, δημιουργήθηκε για τον προσομοιωτή του πλάσματος, με σκοπό την εκτίμηση των συγκεντρώσεων των πολύ ενεργών οξειδωτικών μέσων, υπό τις νέες συνθήκες λειτουργίας του αντιδραστήρα. Αυτές οι συγκεντρώσεις των χημικών στοιχείων χρησιμοποιήθηκαν στη συνέχεια σαν πηγές σωματιδίων για το μακροσκοπικό πρόβλημα. Επιπλέον, χρησιμοποιήθηκε ένας ισοδύναμος συντελεστής ευκινησίας (mobility) για να περιγράψει την κίνηση των φορτισμένων σωματιδίων μέσα στο πορώδες έδαφος κατά τη διάρκεια της διεργασίας πλάσματος. Μελετήθηκε ένα ευρύ φάσμα ειδικών παροχών αερίου για τον αντιδραστήρα, καταδεικνύοντας τη σημαντική επίδραση της ροής στο πρόβλημα της απορρύπανσης. Επιπλέον, μελετήθηκε η επίδραση του πορώδους του εδάφους και της διαπερατότητας αυτού στην απορρύπανση. Τέλος, μελετώνται περιπτώσεις βελτίωσης των συνθηκών λειτουργίας του αντιδραστήρα και προτείνονται τρόποι που θα ενίσχυαν το ρυθμό απορρύπανσης.