Premio extraordinario de Trabajo Fin de Máster curso 2015-2016. Plasma, Láser y Tecnologías de SuperficieEn este trabajo hemos estudiado el uso de un plasma no térmico mantenido por
microondas (MW) a 2.45 GHz para el tratamiento de agua coloreada. Este estudio
comenzó con la caracterización del plasma. De este modo, utilizando técnicas de
Espectroscopía de Emisión Óptica (OES), se midieron los parámetros característicos de
dicho plasma de MW para diferentes condiciones experimentales de flujo de gas.
A partir del ensanchamiento de líneas atómicas y de la simulación de espectros
vibro-rotacionales de especies diatómicas, pudo obtenerse la temperatura del gas en el
plasma. Por otra parte, suponiendo la existencia de un Equilibrio Termodinámico Local
parcial (ETLp) en el plasma y aplicando la técnica del diagrama de Boltzmann, se
estimó su temperatura electrónica, muy superior a la del gas. De este modo, pudo
comprobarse que era un plasma de dos temperaturas. A partir del ensanchamiento Stark
de la línea atómica H de la serie Balmer del Hidrógeno se determinó asimismo la
densidad electrónica de este plasma, que varió entre 0.5·1013 y 3·1014 cm-3. Finalmente,
los espectros de emisión permitieron conocer las distintas especies excitadas del plasma
y la dependencia de sus poblaciones relativas con las condiciones experimentales. Entre
estas especies se incluyen los átomos excitados de argón, de oxígeno, de hidrógeno,
moléculas de nitrógeno y especies OH.
Por otra parte, se estudió el efecto de este plasma en el proceso de
descomposición del colorante azul de metileno en una disolución acuosa. La aplicación
de este plasma sobre la superficie del agua, dio lugar a la generación de peróxidos en el
agua (presumiblemente debida a la formación previa de radicales hidroxilo) y a cambios
en las propiedades del líquido como pH, temperatura y conductividad, lo que a su vez
favoreció la descomposición del colorante. Se comprobó que el grado de
descomposición dependió del tiempo de tratamiento, volumen de disolución tratado,
concentración inicial de colorante y flujo de gas argón empleado. Estos cambios en las
propiedades del agua escalaban con la densidad de especies de argón excitadas en el
plasma, evidenciando así que estas especies juegan un papel importante en el proceso de
degradación.In this work we have studied the use of a non-thermal plasma sustained by microwaves
(MW) at 2.45 GHz for the treatment of colored water. Characterization of this plasma
was the first step in this study. In this way, the characteristic parameters of this MW
plasma sustained under different flow rate conditions were measured using Optical
Emission Spectroscopy techniques.
From both the broadening of some atomic lines and the simulation of vibrorotational
spectra of diatomic species, the gas temperature of the plasma was
determined. On the other hand, assuming the plasma was in partial Local
Thermodynamic Equilibrium (pLTE), and applying the Boltzmann-plot technique, its
electron temperature was estimated, being much higher than the gas one. Thus, it was
found that this one was a two-temperatures plasma. Also, the electron density of this
plasma was determined from the Stark broadening of the H Hydrogen Balmer series
line, and having values ranging from 0.5·1013and 3·1014cm-3. Finally, emission spectra
enabled us to identify different excited species in the plasma and the dependency of
their relative population densities on the experimental conditions. These species include
argon, hydrogen and oxygen excited atoms, nitrogen molecules and OH diatomic
species.
On the other hand, the effect of this plasma on the degradation progress of dye
methylene blue in aqueous solution was studied. Application of this plasma on the water
surface triggered hydrogen peroxide formation in liquid and changes on its pH,
temperature and conductivity, thus enhancing dye degradation. It was shown that the
degree of degradation depended on the time of treatment, sample volume, initial dye
concentration and argon flow rate in the plasma. These changes scaled to the density of
argon excited species in the plasma, revealing the outstanding role of these species in
the degradation process