Study of the degradation of per- and polyfluoroalkyl substances (PFAS) and other organic contaminants in a radial plasma discharge reactor

Secondo l'OMS, oltre due miliardi di persone nel mondo non hanno accesso all'acqua potabile e, a partire dal 2025, metà della popolazione mondiale vivrà in aree con scarse riserve idriche. Pertanto, è necessario sia un utilizzo sostenibile delle risorse naturali sia lo sviluppo di metodi per il trattamento delle acque contaminate. La classe di contaminanti che suscita le maggiori preoccupazioni è quella degli Inquinanti Organici Persistenti (POPs), che include le sostanze perfluoroalchiliche (PFAS). Oltre a essere persistenti nell'ambiente, questi composti sono resistenti alla maggior parte dei metodi convenzionali di trattamento delle acque. È dunque necessario sviluppare metodi alternativi di degradazione, basati su processi di ossidazione e riduzione avanzate, che siano ecosostenibili ed efficaci. Tra le nuove tecnologie in fase di studio, il plasma atmosferico risulta particolarmente promettente. Esso consiste nell'applicazione di una scarica elettrica non termalizzante al fine di generare un plasma, ovvero un sistema gassoso contenente ioni, elettroni liberi, radicali e specie eccitate. L'obiettivo del mio progetto è stato quello di avanzare lo sviluppo di un reattore al plasma atmosferico per la rimozione dei POPs dalle acque, con particolare attenzione ai PFAS. Ho caratterizzato un reattore al plasma a scarica radiale, che è stato brevettato dal gruppo di ricerca per la degradazione di contaminanti organici ed è risultato particolarmente efficace nei confronti dei PFAS con carattere surfattante. Lo scopo della mia ricerca è stato quello di comprendere più approfonditamente i meccanismi alla base della degradazione dei contaminanti in questo reattore. Attraverso la spettroscopia di emissione ottica, ho caratterizzato le specie reattive generate nel plasma; in particolare, la densità elettronica e come essa viene influenzata dai parametri operativi. È risultato che la densità elettronica aumenta linearmente con il voltaggio applicato ed è maggiore nei canali di plasma distribuiti sulla superficie della soluzione, è influenzata negativamente dalla presenza di ossigeno nel gas di alimentazione, mentre non è affetta dalla conducibilità della soluzione e dalla presenza di contaminanti disciolti. L'efficienza di degradazione del reattore è stata valutata per diversi contaminanti, tra cui metolachlor, fenolo, triton X-100 e PFOA. I risultati hanno rivelato che il processo di degradazione avviene in superficie; quindi l’efficienza è influenzata dalla velocità di gorgogliamento del gas, dalla struttura e dalle proprietà tensioattive del contaminante. Il PFOA ha mostrato un comportamento unico, con una degradazione indipendente dal volume trattato alle velocità di gorgogliamento del gas ottimali. Indagando sul ruolo delle specie reattive nella degradazione dei contaminanti, si è dimostrato che i radicali ossidrile hanno un ruolo cruciale nella degradazione del metolachlor, mentre sono responsabili solo marginalmente della degradazione del fenolo. Una parte del progetto è stata dedicata all'ottimizzazione di un metodo analitico (SPE-LC-ESI/q-TOF) per identificare i prodotti di degradazione dei PFAS che si formano in bassa concentrazione nelle acque reali durante il trattamento attraverso processi di ossidazione e riduzione avanzate. L'applicazione di questo metodo su un’acqua sotterranea contaminata da PFAS mi ha permesso di dimostrare che il reattore al plasma a scarica radiale garantisce un'efficace rimozione dei PFAS tensioattivi, mentre è meno efficace nella rimozione dei PFAS non surfattanti. Ciò ha evidenziato la necessità di testare metodi alternativi. La combinazione del trattamento al plasma con la defluorurazione riduttiva per mezzo dell’aggiunta di solfito in soluzione è apparsa una strategia promettente, ma questo approccio richiede ulteriori sviluppi.