بهینهسازی کارایی فرآیند پلاسمای سرد در تجزیه میکروپلاستیک پلیاستایرن از محیطهای آبی با روش طراحی ترکیبی مرکزی
فصلنامه علمی پژوهشی بهداشت در عرصه,
دوره 13 شماره 4 (1404),
5 شهریور 2026
,
صفحه 42-55
https://doi.org/10.22037/jhf.v13i4.50927
چکیده
زمینه و اهداف: میکروپلاستیکها به عنوان آلایندههای نو ظهور، تهدیدی جدی برای اکوسیستمهای آبی محسوب میشوند. این پژوهش با هدف بررسی کارایی سیستم پلاسمای سرد اتمسفری در تخریب میکروپلاستیک پلیاستایرن از محیطهای آبی انجام شد.
مواد و روشها: آزمایشها در یک راکتور استوانهای نیمه منقطع (ولتاژ تا ۵۰ کیلو ولت، فرکانس ۱ تا ۵۰ کیلوهرتز) اجرا گردید. با استفاده از روش سطح پاسخ (طراحی ترکیبی مرکزی)، اثر متغیرهای زمان واکنش، ولتاژ، نرخ جریان هوا، غلظت اولیه و pH بر راندمان تخریب بهینهسازی شد. سنجش میکروپلاستیکها از طریق شمارش میکروسکوپی صورت گرفت. همچنین سینتیک واکنش، نقش ربایندههای رادیکال، تأثیر عوامل مداخلهگر یونی و تغییرات COD و TOC در شرایط بهینه مورد تحلیل قرار گرفت. پژوهش با رعایت کامل پروتکلهای اخلاقی انجام شد.
یافتهها: مدل درجه دوم ارائه شده دارای توان پیشبینی بالایی بود (P<0/0001). بیشترین راندمان حذف (77/7 درصد) در زمان ۵۲ دقیقه، ولتاژ ۳۰ کیلو ولت، نرخ جریان ۱۴ لیتر بر دقیقه، pH برابر 6/9 و غلظت اولیه ۵۰۹ عدد در لیتر حاصل شد. بررسیهای مکانیسمی نشان داد رادیکال هیدروکسیل نقش اصلی و رادیکال سوپراکساید سهم ثانویه را در تخریب اکسیداتیو دارند. سینتیک فرایند از مدل درجه اول پیروی کرد. اثر کاتیونها و آنیونها بر گونههای فعال تأیید شد. مقادیر انرژی مصرفی (EEC و EECm) به ترتیب 252/1 و 153/4 کیلو وات ساعت بر گرم تعیین گردید که بیانگر بهرهوری انرژی مطلوب سیستم است.
نتیجهگیری: فناوری پلاسمای سرد اتمسفری به عنوان یک فرآیند اکسیداسیون پیشرفته، گزینهای کارآمد، اقتصادی و سازگار با محیط زیست برای حذف میکروپلاستیکهای پلیاستایرن از منابع آبی است.
- فرایند پلاسمای سرد اتمسفری
- میکروپلاستیک
- پلیاستایرن
- بهینهسازی
- طراحی ترکیبی مرکزی
- محیطهای آبی
ارجاع به مقاله
مراجع
1-Ghobish SA. Motti CA, Bissember AC, Vamvounis G. Microplastics in the marine environment: Challenges and the shift towards sustainable plastics and plasticizers. Journal of Hazardous Materials 2025; 491:137945. Doi: 10.1016/j.jhazmat.2025.137945.
2- Akbari A, Jaafari J. The effects of microplastic pollution on marine organisms and its impact on human health: a review. Caspian Journal of Health Research 2025; 10(1):21–36.
3- Xu Z, Sun D, Xu J, Yang R, Russell JD, Liu G. Progress and challenges in polystyrene recycling and upcycling. ChemSusChem 2024; 17(17):e202400474. Doi: 10.1002/cssc.202400474.
4- Muthukumar J, Kandukuri VA, Chidambaram R. A critical review on various treatment, conversion, and disposal approaches of commonly used polystyrene. Polymer Bulletin 2024; 81(4):2819–45.
5- Dong D, Guo Z, Yang X, Dai Y. Comprehensive understanding of the aging and biodegradation of polystyrene-based plastics. Environmental Pollution 2024; 342:123034. Doi: 10.1016/j.envpol.2023.123034.
6- Mao Y, Hu Z, Li H, Zheng H, Yang S, Yu W, et al. Recent advances in microplastic removal from drinking water by coagulation: Removal mechanisms and influencing factors. Environmental Pollution 2024; 349:123863. Doi: 10.1016/j.envpol.2024.123863.
7- Bodzek M, Pohl A, Rosik-Dulewska C. Rosik-Dulewska, microplastics in wastewater treatment plants: Characteristics, occurrence and removal technologies. Water 2024; 16(24):3574. Doi: 10.3390/w16243574.
8 Gupta RK, Guha P, Srivastav PP. Effect of cold plasma treatment and plasma‐activated water on physicochemical and structural properties of starch: A green and novel approach for environmental sustainability. Plasma Processes and Polymers 2024; 21(4):2300204. Doi: 10.1002/ppap.202300204.
9- Benalia A, Baatache O, Derbal K, Khalfaoui A, Amrouci Z, Pizzi A, et al. The use of central composite design (CCD) to optimize and model the coagulation-flocculation process using a natural coagulant: Application in jar test and semi-industrial scale. Journal of Water Process Engineering 2024; 57:104704. Doi: 10.1016/j.jwpe.2023.104704.
10- Khoramipour S, Mehralipour J, Hosseini M. Optimisation of ultrasonic-electrocoagulation process efficiency in the landfill leachate treatment: A novel advanced oxidation process. International Journal of Environmental Analytical Chemistry 2023; 103(19):7587–7605.
11- Mehralipour J, Kermani M. Ultrasonic coupling with electrical current to effective activation of Persulfate for 2, 4 Dichlorophenoxyacetic acid herbicide degradation: modeling, synergistic effect, and a by-product study. Journal of Environmental Health Science and Engineering 2021; 19(1): 625–39.
12- Kadac-Czapska K, Jutrzenka Trzebiatowska P, Mazurkiewicz M, Kowalczyk P, Knez E, Behrendt M, et al. Isolation and identification of microplastics in infant formulas–A potential health risk for children. Food Chemistry 2024; 440:138246.
13- Zhou M, Zhang L, Wang Z, Jiang Y, Sui Y, Li Z. Impact wear resistance of in-situ TiC particles reinforced Mn18Cr2 steel dual-scale architecture composites. Ceramics International 2024; 50(14):25170–181.
14- Zhu Y, Li Y, Huang J, Zhang Y, Ho YW, Fang JKH, et al. Advanced optical imaging technologies for microplastics identification: progress and challenges. Advanced Photonics Research 2024; 5(11):2400038. Doi: 10.1002/adpr.202400038.
15- Ren J, Li J, Zhen Y, Wang J, Niu Z, et al. Removal of polyvinyl chloride microplastic by dielectric barrier discharge plasma. Separation and Purification Technology 2022; 290:120832.
16- Naciri Y, Chennah A, Jaramillo-Páez C, Navío JA, Bakiz B, Taoufyq A, et al. Preparation, characterization and photocatalytic degradation of Rhodamine B dye over a novel Zn3 (PO4) 2/BiPO4 catalyst. Journal of Environmental Chemical Engineering 2019; 7(3):103075. Doi: 10.1016/j.jece.2019.103075.
17- Pan Y, Zhang Y, Zhou M, Cai J, Tian Y. Enhanced removal of emerging contaminants using persulfate activated by UV and pre-magnetized Fe0. Chemical Engineering Journal 2019; 361:908–18.
18- Toolabi A, Tahergorabi M, Mehralipour J, Seyedi N, Nasseh N. Photocatalytic degradation of acetaminophen by g-c3n4/cqd/ag nanocomposites from aqueous media. Journal of Composites Science 2025; 9(5):197. Doi: 10.3390/jcs9050197.
19- Siddekha A, HS L, GK P. Plant-mediated synthesis of biocompatible ZnO NPs: Comprehensive characterisation and investigation of their catalytic, corrosion inhibition, antibacterial, scavenging and anti-oncogenic activities. Materials Research Innovations 2025; 29(4):215–25.
20-Mehralipour J, Akbari, H, Adibzadeh A, Akbari H. Tocilizumab degradation via photo-catalytic ozonation process from aqueous. Scientific Reports 2023; 13(1):22402. Doi: 10.1038/s41598-023-49290-z.
21- Xu L, Hou H, Farkas B, Keener KM, Garner AL, Tao B. High voltage atmospheric cold plasma modification of bovine serum albumin. LWT 2021; 149:111995. Doi: 10.1016/j.lwt.2021.111995.
22- Velasquez JA, Bao Y, Huang JY. Atmospheric cold plasma as a novel approach to remediating microplastics pollution in water. Environmental Pollution 2024; 356:124390. Doi: 10.1016/j.envpol.2024.124390.
23-Sima J, Wang J, Song J, Du X, Lou F, Zhu Y, et al. Efficient degradation of polystyrene microplastic pollutants in soil by dielectric barrier discharge plasma. Journal of Hazardous Materials 2024; 468:133754. Doi: 10.1016/j.jhazmat.2024.133754.
24- Hena S, Gutierrez L, Croué JP. Croué, removal of pharmaceutical and personal care products (PPCPs) from wastewater using microalgae: A review. Journal of hazardous materials 2021; 403:124041. Doi: 10.1016/j.jhazmat.2020.124041.
25- Karoui S, Abou Saoud W, Ghorbal A, Fourcade F, Amrane A, Assadi AA Intensification of non-thermal plasma for aqueous Ciprofloxacin degradation: Optimization study, mechanisms, and combined plasma with photocatalysis. Journal of Water Process Engineering 2022; 50:103207. Doi: 10. 1016/ j. jwpe. 2022. 103207.
26- Gururani P, Bhatnagar P, Bisht B, Kumar V, Joshi NC, Tomar MS, et al. Cold plasma technology: advanced and sustainable approach for wastewater treatment. Environmental Science and Pollution Research 2021; 28(46):65062–82.
27- Ji Y, Xu D, Wu L, Du B, Chen H, Wang T, et al. Transport of microplastics treated with dielectric barrier discharge (DBD) plasma in saturated porous media. Journal of Colloid and Interface Science 2025; 679:889–899.
28- Pankaj SK, Wan Z, Colonna W, Keener KM. Degradation kinetics of organic dyes in water by high voltage atmospheric air and modified air cold plasma. Water Science and Technology 2017; 76(3):567–74.
29- Nguyen PTT, Nguyen HT, Tran UNP, Manh Bui H. Removal of antibiotics from real hospital wastewater by cold plasma technique. Journal of Chemistry 2021; 2021(1):9981738. Doi: 10.1155/2021/9981738.
30- Liao X, Liu D, Chen S, Ye X, Ding T. Degradation of antibiotic resistance contaminants in wastewater by atmospheric cold plasma: kinetics and mechanisms. Environmental technology 2021; 42(1):58–71.
31-Hamza IA, El-Kalliny AS, Abd‑Elmaksoud S, Marouf MA, Abdel‑Wahed MS, El-Liethy MA, et al. Cold atmospheric plasma: a sustainable approach to inactivating viruses, bacteria, and protozoa with remediation of organic pollutants in river water and wastewater. Environmental Science and Pollution Research 2023; 30(54):116214–226.
32- Shams M, Alam I, Chowdhury I. Aggregation and stability of nanoscale plastics in aquatic environment. Water Research 2020; 171:115401. Doi: 10. 1016 /j. watres. 2019.115401.
33- Haghighat G, Sohrabi A, Shaibani PM, Van Neste CW, Naicker S, Thundat T. The role of chloride ions in plasma-activated water treatment processes. Environmental Science: Water Research & Technology 2017; 3(1):156–168.
34- Velasquez, J., Novel Microplastics Remediation Strategy Using High-Voltage Atmospheric Cold Plasma. 2023, Purdue University Graduate School.
35- Melo TFD, Rocha LC, Silva RP, Pessoa RS, Negreiros AMP, Sales Junior R, et al. Plasma–saline water interaction: A systematic review. Materials 2022; 15(14):4854. Doi: 10. 3390/ ma15144854
36- Liu J, Deng H, Liu Y, Xie Y. Removal of polypropylene microplastics by using air dielectric barrier discharges. Journal of Environmental Chemical Engineering 2025; 13(4):117273. Doi: 10. 1016/ j. jece. 2025. 117273.
- چکیده مشاهده شده: 14 بار