Anales AFA - XVI Meeting on Recent Advances of Physics of Fluids and its Applications 11-15

TRATAMIENTO DE AGUA CON UNA DESCARGA CORONA PULSADA

WATER TREATMENT WITH A PULSED CORONA DISCHARGE

M. Ferreyra*1, B. Fina1,2, N. Milardovich1, J. C. Chamorro1, B. Santamaría1y L. Prevosto1,2

1Grupo de Descargas Eléctricas, Departamento Ing. Electromecánica, Facultad Regional Venado Tuerto,

Universidad Tecnológica Nacional. Laprida 651, Venado Tuerto 2600, Santa Fe, Argentina.

2Miembro del CONICET.

Recibido: 30/09/21; Aceptado: 09/12/21

Una de las aplicaciones tecnológicas de mayor crecimiento en los últimos años en el área de los plasmas no– térmicos

es el tratamiento de agua con descargas en (y en contacto con) líquidos. Las especies químicas reactivas se generan en

el plasma en fase gaseosa e ingresan en el líquido por difusión, o se generan en la interfase gas– líquido; cambiando en

consecuencia sus propiedades ﬁsicoquímicas, sin el agregado de compuestos químicos externos. En función de la forma

de aplicación del plasma, pueden lograrse efectos bien diferenciados: por un lado, la potabilización del agua a través

de la degradación de contaminantes orgánicos, y por el otro, su activación, a través de especies reactivas de vida media

larga, para su utilización posterior en el tratamiento de semillas y alimentos. En este trabajo se reportan los primeros

resultados obtenidos en el agua tratada con una descarga corona pulsada bajo diferentes tiempos de exposición. En

particular, se muestran los resultados de las mediciones de la degradación del índigo carmín; conductividad eléctrica;

pH; y concentraciones en fase acuosa de las especies reactivas: nitrato, nitrito, peróxido de hidrógeno y ozono. Los

resultados son discutidos y comparados con datos publicados.

Palabras Clave: descarga corona pulsada, agua activada, potabilización de agua.

One of the fastest growing technological applications in recent years in the area of non-thermal plasmas is the treatment

of water with discharges in (and in contact with) liquids. Reactive chemical species are generated in the plasma in the gas

phase and enter the liquid by diffusion, or are generated at the gas-liquid interface, thus changing its physicochemical

properties, without the addition of external chemical compounds. Depending on the form of application of the plasma,

well differentiated effects can be achieved: on the one hand, the puriﬁcation of water through the degradation of organic

pollutants, and on the other, its activation, through long–lived reactive species, for later use in seeds and food treatments.

In this work, the ﬁrst results obtained in the water treated with a pulsed corona discharge under different exposure

times are reported. In particular, measurement results of indigo carmine degradation; electric conductivity; pH; aqueous

concentrations of reactive species, such as nitrate, nitrite, hydrogen peroxide and ozone, are reported. The results are

discussed and compared with published data.

Keywords: pulsed corona discharge, activated water, water puriﬁcation.

https://doi.org/10.31527/analesafa.2022.ﬂuidos.11 ISSN 1850-1168 (online)

I. INTRODUCCIÓN

La generación de descargas en (y en contacto con) líqui-

dos se ha vuelto un tema muy activo en las últimas décadas

dentro del área de los plasmas no-térmicos. En particular,

las interacciones plasma-líquido tomaron enorme importan-

cia en el contexto de aplicaciones de desinfección, reme-

diación ambiental y, recientemente, aplicaciones médicas y

agrícolas [1].

La aplicación de plasmas no-térmicos en la agricultura

es amplia, y va desde mejoras en la germinación de semi-

llas y crecimiento de las plantas, hasta descontaminación e

inactivación de microorganismos. Un tratamiento indirecto

de fácil aplicabilidad para semillas y plantas es el procesa-

miento de estos con líquidos que han sido previamente ‘ac-

tivados’ por su exposición al plasma, como, por ejemplo, el

agua tratada con descargas no-térmicas [1].

El plasma es una fuente de campos eléctricos intensos,

partículas energéticas cargadas, radiación UV, que producen

* matiasg.ferreyra@hotmail.com

en la fase gaseosa grandes cantidades de especies reactivas

de oxígeno y nitrógeno (RONS), además de radicales OH·

y ozono; que ingresan al líquido por difusión. El plasma

también interactúa con la interfaz gas-líquido, generando

especies reactivas en fase acuosa [2].

En general, la aplicación de un voltaje apropiado a tra-

vés del gap interelectródico resulta en la ruptura dieléctrica

del gas a través de una avalancha, que puede eventualmen-

te degenerar en un streamer; y si las condiciones externas

lo permiten su transición ﬁnal a una chispa. Esta transición

es consecuencia de una inestabilidad térmica. Una de las

maneras de evitar la transición a la chispa es la aplicación

de pulsos de voltaje de corta duración (∼100 ns) y tiem-

po de crecimiento rápido [2]. En este sentido, un tipo de

descarga no-térmica en contacto con líquidos ampliamen-

te utilizada es la corona pulsada. La descarga tipo corona

ocurre en la vecindad de electrodos de pequeño radio de

curvatura donde los campos eléctricos son suﬁcientemente

intensos. Si bien las potencias de estas descargas en régimen

cuasi–estacionario son típicamente muy pequeñas, pueden

crecer fuertemente si se las excita con fuentes pulsadas [3].

En el presente trabajo se reportan resultados de deter-

minaciones ﬁsicoquímicas sobre agua destilada tratada con

diferentes tiempos de exposición con una descarga corona

pulsada en aire ambiente. Por un lado, en relación a la de-

gradación de contaminantes orgánicos, se muestran resul-

tados de la degradación del índigo carmín. Por otro lado,

en relación a la activación del agua, se reportan resultados

de: conductividad eléctrica, pH, y concentraciones en fase

acuosa de las especies reactivas NO−

3, NO−

2, H2O2,yO3.

II. MÉTODOS

Reactor de plasma

Se usó una descarga corona pulsada con geometría alam-

bre–plano con el cátodo sumergido en agua. Ambos elec-

trodos fueron construidos en acero inoxidable AISI 304. El

ánodo consistió en un arreglo de 10 alambres de 0.27 mm

de diámetro y 10 cm de longitud dispuestos paralelamen-

te a una bandeja plana (cátodo) con una superﬁcie de 196

cm2que contuvo el agua a tratar. Las pruebas se realizaron

empleando agua destilada, y se utilizó una distancia entre

electrodos de 8 mm (Fig. 1). La descarga fue alimentada

con una fuente pulsada capacitiva, capaz de proveer pulsos

de voltaje de ∼15 kV y una duración de ∼100 ns; con una

frecuencia de repetición de ∼40 Hz. La energía entregada

en cada pulso fue ∼10 mJ.

FIG. 1: Arreglo experimental

Tratamientos

Se estudiaron 100 ml de agua destilada sometida a dife-

rentes tiempos de exposición al plasma: 0 (control), 10, 20

y 30 minutos. Cada uno de estos experimentos se realizó

por duplicado. Las determinaciones sobre el agua tratada se

realizaron inmediatamente luego de completar el tiempo de

exposición al plasma.

Determinaciones ﬁsicoquímicas

Degradación del índigo carmín (IC): el espectro de ab-

sorción del colorante tiene dos bandas importantes en 285

y 610 nm, que corresponden al enlace cromogénico e insa-

turado en IC, respectivamente [4]. Se trataron con plasma

100 ml de una solución de 20 mg/l de colorante y se midió

la absorbancia a 285 y 610 nm al ﬁnalizar el tratamiento

y a las 24 h. Además, a las 24 h se realizó un espectro de

absorción del IC entre 200 y 700 nm.

Conductividad eléctrica y pH: se determinaron utilizan-

do un conductímetro CYBERSCAN COND 610 (Eutech

Instruments) y un pH-metro HI 8314 (Hanna).

Medición de nitrato: Se utilizó el método UV [5]. Bre-

vemente, se agregó ácido clorhídrico en una proporción

agua:HCl = 100:2 y se midió la absorbancia a 220 nm

(A220) y 275 nm (A275). Con dichos valores se obtuvo la

absorbancia corregida (A = A220–2 A275).

Medición de nitrito: se realizó utilizando los reactivos de

Griess (I y II) [5]. Esta técnica consiste en detectar un cam-

bio de color de la solución a un rosado cuando los nitritos

reaccionan secuencialmente con el ácido sulfanílico y α-

naftilamina. Luego del agregado de los reactivos la muestra

se deja reaccionar por 20 minutos y se mide la absorbancia

a 520 nm.

Medición de peróxido de hidrógeno: Se utilizó el mé-

todo de la peroxidasa [5]. El método se basa en la reac-

ción del H2O2con una mezcla de 4-aminofenazona y fe-

nol para dar como producto una quinoneimina roja (4-(p-

benzoquinonamonoimino)-fenazona) que presenta un má-

ximo de absorción a 505 nm.

Medición de ozono: Se utilizó el método del N, Ndietil-

p-fenilenediamina (DPD) [6]. El O3reacciona con yoduro

de potasio para formar yodo, que luego reacciona con DPD

para producir un compuesto color rosa, que tiene un pico

de absorción a 510 nm. Debido a que cualquier otra especie

oxidante en la muestra reacciona con el DPD, la concentra-

ción de ozono reportada con este método se expresa como

mg/l de ozono residual o de oxidantes residuales totales [6].

Paralelamente, para las determinaciones de las especies

reactivas se procesaron curvas de calibración y sus respecti-

vos controles de calidad. Utilizando dichas curvas se calcu-

laron las concentraciones en mg/l. Los controles de calidad

se prepararon con drogas de calidad analítica, con concen-

traciones conocidas y dentro del rango de las concentracio-

nes medidas. Para el caso del ozono, la curva de calibración

se generó con distintos testigos de concentración conocida

de yodo.

Análisis estadístico

Los análisis estadísticos se realizaron con el software R

4.1.1 [7]. Los datos se muestran como media con su error

cuadrático medio.

III. RESULTADOS Y DISCUSIÓN

Degradación del IC: la degradación del colorante aumen-

tó signiﬁcativamente con el tiempo de exposición al plasma,

tanto para 285 nm (Fig. 2) como para 610 nm (Fig. 3). Es-

to podría asociarse, por un lado, a la difusión de O3y OH·

desde la fase gaseosa al líquido, y por otro lado, a la genera-

ción de ONOOH en solución. Ambas especies reaccionan y

contribuyen signiﬁcativamente a la degradación del IC [4].

A su vez, se observó que el porcentaje de degradación del

IC continuó aumentando a las 24 h luego de ﬁnalizado el

tratamiento; efecto que estaría relacionado con las especies

de vida media larga, capaces de permanecer con la molécula

de IC por más tiempo [4].

Se determinó el rendimiento energético G50 como el co-

ciente entre la cantidad del IC convertido y la energía re-

Ferreyra et al. / Anales AFA - XVI Meeting on Recent Advances of Physics of Fluids and its Applications 11-15 12

FIG. 2: Porcentaje de degradación del IC a 285 nm. ∗diferencia

signiﬁcativa respecto al control (0 min), #diferencia signiﬁcativa

entre 0 y 24 h postratamiento de cada grupo. ANOVA a 2 criterios,

pos test LSD, p<0.05.

FIG. 3: Porcentaje de degradación del IC a 610 nm. ∗diferencia

signiﬁcativa respecto al control (0 min), #diferencia signiﬁcativa

entre 0 y 24 h postratamiento de cada grupo. ANOVA a 2 criterios,

pos test LSD, p<0.05.

querida para la conversión del 50% del IC: G50 = 1.8 ×106

C0V0M0/ (P t50) [g/kWh], donde C0es la concentración

molar del IC del control, M0es el peso molecular del IC,

V0es el volumen tratado en litros, P es la potencia media

del reactor de plasma en vatios, y t50 es el tiempo en segun-

dos requerido para el 50% de conversión [8]. Para el tiempo

de postratamiento 0 h a 285 nm se obtuvo un valor de G50

= 8.4 g/kWh, mientras que para 610 nm G50 = 9.5 g/kWh.

Valores de G50 para diferentes conﬁguraciones de descar-

ga corona pulsada en aire en contacto con agua son: 0.149

g/kWh para una descarga con electrodos coaxiales donde el

agua circula entre estos, 294 g/kWh para una descarga so-

bre una película de agua, y 622 g/kWh para un caso en que

el agua es inyectada en forma de spray en la descarga[8].

En la Fig. 4se muestran los espectros UV-vis de las so-

luciones de IC a las 24 h del tratamiento. Se identiﬁca una

disminución en la absorbancia en las bandas de 285 y 610

nm y un aumento por debajo de 250 nm a medida que el

tiempo de exposición al plasma aumenta. Este aumento por

debajo de 250 nm probablemente esté relacionado a la for-

mación de compuestos que absorben a esa longitud de onda

debido a la degradación del IC, como el ácido isatin-5- sul-

fónico que absorbe a 240 nm [4].

FIG. 4: Espectros UV-vis del IC para los distintos tiempos de tra-

tamiento.

Conductividad eléctrica y pH: La conductividad eléctrica

aumentó de manera signiﬁcativa para 20 y 30 min de expo-

sición al plasma, respecto del tratamiento control (Fig. 5).

Este incremento en la conductividad eléctrica del agua es

debido a la generación de iones en el volumen del líquido,

producto de la difusión en la fase líquida de las especies

reactivas generadas por el plasma en la fase gaseosa y en la

interfase [9].

FIG. 5: Conductividad eléctrica. ∗diferencia signiﬁcativa respecto

al control (0 min). ANOVA a 1 criterio, pos test LSD, p<0.05.

En la Fig. 6se observa que el pH disminuyó de ≈4.8 a

4.2 al aumentar el tiempo de tratamiento. Esta disminución

podría deberse a la generación de iones hidronios y especies

del nitrógeno, las cuales podrían formar sus respectivos áci-

dos [4,9].

Medición de nitrato y nitrito: La Fig. 7y la Fig. 8mues-

tran un aumento signiﬁcativo en la concentración de ambos

iones a partir de 10 min de tratamiento.

La mayor relación NO−

2:NO−

3fue de 1:8 para 20 min de

tratamiento. Los resultados concuerdan con otros reporta-

dos por distintos autores [4,9]. La concentración de NO−

es baja debido a que es inestable en medio ácido, por lo que

es transformado a NO−

3o ONOOH [9].

Medición de peróxido de hidrógeno: El H2O2aumentó

signiﬁcativamente luego de 20 min de tratamiento con plas-

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FIG. 6: pH. ∗diferencia signiﬁcativa respecto al control (0 min).

ANOVA a 1 criterio, pos test LSD, p<0.05.

FIG. 7: Concentración de nitrato en función del tratamiento.

∗diferencia signiﬁcativa respecto al control (0 min). ANOVA a 1

criterio, pos test LSD, p<0.05.

ma (Fig. 9). Se observa un pico a los 20 min de tratamiento,

resultado reportado también en la literatura. La disminución

luego de 20 min podría deberse a la reacción del H2O2con

O3para formar radicales OH·4.

Medición de ozono: La concentración de O3aumentó sig-

niﬁcativamente hasta 1 mg/l a los 30 min de tratamiento

(Fig. 10). Esta concentración podría disminuir rápidamente

dentro de la primera hora de postratamiento debido a que

es muy inestable y se transforma en otras especies de larga

vida media en agua [9].

Es importante destacar los resultados signiﬁcativos obte-

nidos (degradación de IC, concentraciones de RONS, entre

otros) con una fuente de potencia media relativamente baja

(∼0.4 W) con respecto a las empleadas por otros autores

(10 W) [9].

IV. CONCLUSIONES

En el presente trabajo se reportaron resultados ﬁsicoquí-

micos sobre el agua tratada con una descarga corona pulsa-

da. En particular, se obtuvo que:

FIG. 8: Concentración de nitrito. ∗diferencia signiﬁcativa respec-

to al control (0 min). ANOVA a 1 criterio, pos test LSD, p<0.05.

FIG. 9: Concentración de peróxido de hidrógeno en función del

tratamiento. ∗diferencia signiﬁcativa respecto al control (0 min).

ANOVA a 1 criterio, pos test LSD, p<0.05.

1. Inmediatamente ﬁnalizados los tratamientos (0 h pos-

tratamiento), la degradación del IC aumentó signiﬁca-

tivamente con el tiempo de exposición al plasma en

ambas bandas donde se midió la absorbancia (285 y

610 nm). Además, se observó que a las 24 h de ﬁnali-

zados los tratamientos de 20 y 30 min el efecto de los

mismos es aún mayor que a 0 h, lo que estaría asocia-

do con las especies reactivas de vida media larga en el

agua.

2. Con esta conﬁguración experimental el rendimiento

energético G50 fue de ∼10 g/kWh, similar a valores

reportados por otros autores [8].

3. La conductividad eléctrica aumenta y el pH disminuye

para los tratamientos de 20 y 30 min de exposición al

plasma.

4. Las concentraciones de nitrato y nitrito aumentaron

signiﬁcativamente para todos los tratamientos respec-

to del control. A su vez, al ser el nitrito inestable en un

medio ácido, su concentración es mucho menor que la

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FIG. 10: Concentración de ozono en función del tratamiento.

∗diferencia signiﬁcativa respecto al control (0 min). ANOVA a 1

criterio, pos test LSD, p<0.05.

de nitrato.

5. La concentración de H2O2creció de manera importan-

te para los tratamientos de 20 y 30 min, con un pico de

1 mg/l para 20 min.

6. La concentración de O3aumentó con el tiempo de ex-

posición al plasma, alcanzando su valor máximo para

30 min de exposición.

AGRADECIMIENTOS

El presente trabajo fue parcialmente subsidiado con fon-

dos UTN (PID 5418 y 5447) y de Agencia (PICT 2018-

00702). M. F. agradece a CONICET por su beca doctoral.

J. C. C. agradece a CONICET por su beca posdoctoral.

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