دوره 13، شماره 4 - ( 12-1404 )
جلد 13 شماره 4 صفحات 392-367 |
برگشت به فهرست نسخه ها
Download citation:
BibTeX | RIS | EndNote | Medlars | ProCite | Reference Manager | RefWorks
Send citation to:
BibTeX | RIS | EndNote | Medlars | ProCite | Reference Manager | RefWorks
Send citation to:
Seyedi A, Mafigholami R, Saviz S, Sari A H. Optimizing Atmospheric Cold Plasma-Based Advanced Oxidation for the Degradation of Polypropylene Microplastics Using Response Surface Methodology. J Environ Health Eng 2026; 13 (4) :367-392
URL: http://jehe.abzums.ac.ir/article-1-1144-fa.html
URL: http://jehe.abzums.ac.ir/article-1-1144-fa.html
سیدی علی، مافی غلامی رویا، ساویز شهروز، ساری امیرحسین. بهینه سازی فناوری اکسیداسیون پیشرفته پلاسمای سرد اتمسفری در تخریب میکروپلاستیک پلیپروپیلن با مدل آماری رویه پاسخ. مجله مهندسی بهداشت محیط. 1404; 13 (4) :367-392
علی سیدی1 
، رویا مافی غلامی*2 ، شهروز ساویز3 ، امیرحسین ساری3
، رویا مافی غلامی*2 ، شهروز ساویز3 ، امیرحسین ساری3
1- گروه علوم و مهندسی محیط زیست، دانشگاه آزاد اسلامی واحد تهران غرب، تهران، ایران
2- گروه محیط زیست، دانشگاه آزاد اسلامی واحد تهران غرب، تهران، ایران ،r.mafigholami@wtiau.ac.ir
3- گروه فیزیک، دانشکده علوم و فناوری های همگرا، دانشگاه آزاد اسلامی واحد علوم و تحقیقات، تهران، ایران
2- گروه محیط زیست، دانشگاه آزاد اسلامی واحد تهران غرب، تهران، ایران ،
3- گروه فیزیک، دانشکده علوم و فناوری های همگرا، دانشگاه آزاد اسلامی واحد علوم و تحقیقات، تهران، ایران
چکیده: (25 مشاهده)
زمینه و هدف: حضور میکروپلاستیکها در محیط زیست میتواند تهدیدی جدی برای سلامت انسانها به شمار آید. این پژوهش به بررسی عملکرد فرایند پلاسمای سرد اتمسفری در تجزیه میکروپلاستیکهای پلیپروپیلن در محلولهای آبی اختصاص یافته است.
مواد و روش ها: در این مطالعه، متغیرهای زمان واکنش (۶۰-۳۰ دقیقه)، ولتاژ ورودی (۴۰-۲۰ کیلوولت)، دبی هوا (۲۰-۱۰ لیتر در دقیقه)، pH (۸-۴) و غلظت اولیه میکروپلاستیک (۱۰۰۰-۵۰۰ عدد در لیتر) با استفاده از طراحی ترکیبی مرکزی بهینهسازی شدند. شناسایی مقدار میکروپلاستیک ها بر اساس شمارش میکروسکوپی انجام شد. مطالعات تکمیلی شامل تعیین سینتیک واکنش، تاثیر عوامل ماخله گر یونی، تاثیر رباینده های رادیکال، انرژی مصرفی و کاهش COD و TOC در شرایط بهینه بودند.
یافته ها: مدل آماری درجه دوم (Quadratic) حاصل از طراحی ترکیبی مرکزی از دقت بالایی برخوردار بود و تحلیل آماری (۰/۰۰۰۱p<) نشان داد که افزایش زمان و ولتاژ تأثیر مثبت قابل توجهی بر راندمان حذف داشت، درحالی که افزایش بیش از حد غلظت اولیه، نرخ جریان هوا و تغییرات شدید pH باعث کاهش کارایی میشدند. بیشترین بازدهی در شرایط بهینه به ۷۳/۲ درصد رسید. ولتاژ بهینه ۲۵ کیلوولت و نرخ جریان بهینه ۱۴ لیتر بر دقیقه تعیین شد. pH خنثی بیشترین پایداری گونههای رادیکال فعال را فراهم میکرد. سینتیک واکنش از نوع درجه اول بود و آزمایشهای مهارکننده رادیکال نشان داد که رادیکالهای هیدروکسیل بیشترین نقش در تخریب را دارند. حضور یونهای میتواند فرآیند را به نوعی تضعیف یا تقویت کند. شاخصهای مصرف انرژی ویژه نشاندهنده بهرهوری بالای این فناوری برای تصفیه آبهای آلوده به میکروپلاستیکها است.
نتیجه گیری: در مجموع، پلاسمای سرد اتمسفری با راندمان حذف 2/73 درصد در شرایط بهینه، بهعنوان روشی مؤثر و دارای بهرهوری انرژی قابل قبول برای حذف میکروپلاستیکهای پلیپروپیلن از آب معرفی میشود.
مواد و روش ها: در این مطالعه، متغیرهای زمان واکنش (۶۰-۳۰ دقیقه)، ولتاژ ورودی (۴۰-۲۰ کیلوولت)، دبی هوا (۲۰-۱۰ لیتر در دقیقه)، pH (۸-۴) و غلظت اولیه میکروپلاستیک (۱۰۰۰-۵۰۰ عدد در لیتر) با استفاده از طراحی ترکیبی مرکزی بهینهسازی شدند. شناسایی مقدار میکروپلاستیک ها بر اساس شمارش میکروسکوپی انجام شد. مطالعات تکمیلی شامل تعیین سینتیک واکنش، تاثیر عوامل ماخله گر یونی، تاثیر رباینده های رادیکال، انرژی مصرفی و کاهش COD و TOC در شرایط بهینه بودند.
یافته ها: مدل آماری درجه دوم (Quadratic) حاصل از طراحی ترکیبی مرکزی از دقت بالایی برخوردار بود و تحلیل آماری (۰/۰۰۰۱p<) نشان داد که افزایش زمان و ولتاژ تأثیر مثبت قابل توجهی بر راندمان حذف داشت، درحالی که افزایش بیش از حد غلظت اولیه، نرخ جریان هوا و تغییرات شدید pH باعث کاهش کارایی میشدند. بیشترین بازدهی در شرایط بهینه به ۷۳/۲ درصد رسید. ولتاژ بهینه ۲۵ کیلوولت و نرخ جریان بهینه ۱۴ لیتر بر دقیقه تعیین شد. pH خنثی بیشترین پایداری گونههای رادیکال فعال را فراهم میکرد. سینتیک واکنش از نوع درجه اول بود و آزمایشهای مهارکننده رادیکال نشان داد که رادیکالهای هیدروکسیل بیشترین نقش در تخریب را دارند. حضور یونهای میتواند فرآیند را به نوعی تضعیف یا تقویت کند. شاخصهای مصرف انرژی ویژه نشاندهنده بهرهوری بالای این فناوری برای تصفیه آبهای آلوده به میکروپلاستیکها است.
نتیجه گیری: در مجموع، پلاسمای سرد اتمسفری با راندمان حذف 2/73 درصد در شرایط بهینه، بهعنوان روشی مؤثر و دارای بهرهوری انرژی قابل قبول برای حذف میکروپلاستیکهای پلیپروپیلن از آب معرفی میشود.
واژههای کلیدی: فرایند پلاسمای سرد اتمسفری، میکروپلاستیک، پلی پروپیلن، بهینه سازی، طراحی ترکیبی مرکزی، محیط های آبی
فهرست منابع
1. He D, Zhu T, Sun J, Pan X, Li J, Luo H. Emerging organic contaminants in sewage sludge: Current status, technological challenges and regulatory perspectives. Science of The Total Environment. 2024;955:177234. [DOI:10.1016/j.scitotenv.2024.177234]
2. Cheng L, Fan C, Jin M, Zhang R. Deep eutectic solvent-based framework materials for emerging organic contaminants detection in food: Synthesis techniques, opportunities, and future trends. Microchemical Journal. 2025:112859. [DOI:10.1016/j.microc.2025.112859]
3. Shao D, Zhang B, Zhao W, Feng J, Xu H, Zhu C, et al. Enhanced removal of aromatic emerging contaminants through the electrochemical co-degradation with polystyrene microplastics. Chemical Engineering Journal. 2025;509:161535. [DOI:10.1016/j.cej.2025.161535]
4. Wisniewski FF, Martins EC, Hakoyama DS, Batista LFA, Grassi MT, Zawadzki SF, et al. Microplastics and organic contaminants: Investigation of the sorption process on different polymer types. Journal of Contaminant Hydrology. 2025;272:104567. [DOI:10.1016/j.jconhyd.2025.104567]
5. Jiménez-Skrzypek G, Lusiardi R, González-Sálamo J, Vega-Moreno D, Hernández-Borges J. Insights into emerging organic pollutants extraction from polypropylene, polystyrene, and polyethylene microplastics. Analytica Chimica Acta. 2024;1287:342071. [DOI:10.1016/j.aca.2023.342071]
6. Rahman MM, Sultan MB, Alam M. Microplastics and adsorbed micropollutants as emerging contaminants in landfill: A mini review. Current Opinion in Environmental Science & Health. 2023;31:100420. [DOI:10.1016/j.coesh.2022.100420]
7. Ma J, Niu X, Wang G. Optical characteristics and molecular transformation of polypropylene microplastic-derived dissolved organic matter driven by trichloroisocyanuric acid disinfectant. Process Safety and Environmental Protection. 2025:107202. [DOI:10.1016/j.psep.2025.107202]
8. Romphophak P, Faikhaw O, Sairiam S, Thuptimdang P, Coufort-Saudejaud C. Removal of microplastics and nanoplastics in water treatment processes: A systematic literature review. Journal of Water Process Engineering. 2024;64:105669. [DOI:10.1016/j.jwpe.2024.105669]
9. Muthulakshmi L, Mohan S, Tatarchuk T. Microplastics in water: types, detection, and removal strategies. Environmental Science and Pollution Research. 2023;30(36):84933-48. [DOI:10.1007/s11356-023-28460-6]
10. Park H, Park B. Review of microplastic distribution, toxicity, analysis methods, and removal technologies. Water. 2021;13(19):2736. [DOI:10.3390/w13192736]
11. Cui B, Rong H, Tian T, Guo D, Duan L, Nkinahamira F, et al. Chemical methods to remove microplastics from wastewater: A review. Environmental research. 2024;249:118416. [DOI:10.1016/j.envres.2024.118416]
12. Kim H-J, Lee U, Lee I, Hong Y, Lee J. Enhancement of polystyrene microplastic removal by near dissolved organic matter microfiltration (NDOM MF) coupled with cold plasma treatment. Journal of Water Process Engineering. 2023;54:103901. [DOI:10.1016/j.jwpe.2023.103901]
13. Velasquez JA, Bao Y, Huang J-Y. 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]
14. 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. [DOI:10.1007/s40201-021-00633-w]
15. Mehralipour J, Kermani M. Optimization of photo-electro/Persulfate/nZVI process on 2-4 Dichlorophenoxyacetic acid degradation via central composite design: a novel combination of advanced oxidation process. Journal of Environmental Health Science and Engineering. 2021;19(1):941-57. [DOI:10.1007/s40201-021-00661-6]
16. Shim WJ, Hong SH, Eo SE. Identification methods in microplastic analysis: a review. Analytical methods. 2017;9(9):1384-91. [DOI:10.1039/C6AY02558G]
17. Zhou L, Ma R, Yan C, Wu J, Zhang Y, Zhou J, et al. Plasma-mediated aging process of different microplastics: Release of dissolved organic matter and formation of disinfection by-products. Separation and Purification Technology. 2022;303:122143. [DOI:10.1016/j.seppur.2022.122143]
18. 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):7587-605. [DOI:10.1080/03067319.2021.1973449]
19. Kadac-Czapska K, Trzebiatowska PJ, 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. [DOI:10.1016/j.foodchem.2023.138246]
20. 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):25170-81. [DOI:10.1016/j.ceramint.2024.04.246]
21. 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]
22. Ren J, Li J, Zhen Y, Wang J, Niu Z. Removal of polyvinyl chloride microplastic by dielectric barrier discharge plasma. Separation and Purification Technology. 2022;290:120832. [DOI:10.1016/j.seppur.2022.120832]
23. Naciri Y, Chennah A, Jaramillo-Páez C, Navío J, 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]
24. 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. [DOI:10.1016/j.cej.2018.12.135]
25. 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]
26. 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. [DOI:10.1080/14328917.2024.2408128]
27. 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]
28. Sarangapani C, Ziuzina D, Behan P, Boehm D, Gilmore BF, Cullen P, et al. Degradation kinetics of cold plasma-treated antibiotics and their antimicrobial activity. Scientific reports. 2019;9(1):3955. [DOI:10.1038/s41598-019-40352-9]
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. Ben Amor I, Hemmami H, Zeghoud S, Zahnit W, Nedjoud G, Ferhat M, et al. Cold plasma technology in wastewater treatment: mechanisms, applications, and key challenges for organic pollutant removal. International Journal of Environmental Science and Technology. 2025:1-18. [DOI:10.1007/s13762-025-06509-y]
31. Kyere-Yeboah K, Qiao X-c. Application of cold plasma technology for the simultaneous degradation and viscosity removal of polyacrylamide and its copolymers from contaminated wastewater. Journal of Environmental Management. 2024;370:122861. [DOI:10.1016/j.jenvman.2024.122861]
32. Kazak A, Kirillov A, Simonchik L, Kuraica M, Obradovic B, Sretenovic G. Diagnosis of Bactericidal Components of Air-Plasma Jets by IR and UV Absorption Spectroscopy. Journal of Applied Spectroscopy. 2024;91(3):511-9. [DOI:10.1007/s10812-024-01748-2]
33. Thirumdas R, Sarangapani C, Annapure US. Cold plasma: a novel non-thermal technology for food processing. Food biophysics. 2015;10(1):1-11. [DOI:10.1007/s11483-014-9382-z]
34. Tang S, Yuan D, Rao Y, Zhang J, Qu Y, Gu J. Evaluation of antibiotic oxytetracycline removal in water using a gas phase dielectric barrier discharge plasma. Journal of Environmental Management. 2018;226:22-9. [DOI:10.1016/j.jenvman.2018.08.022]
35. Roomy HM, Al-Gaffer ANA, Khalaf MK. The electrical characteristic of plasma discharge by using different operating conditions in vanadium sputtering system. Al-Nahrain Journal of Science. 2019;22(2):41-8. [DOI:10.22401/ANJS.22.2.06]
36. Shahsavari N, Zhang X. Microbubble-enhanced cold plasma activation for water decontamination: Degradation dynamics and energy yield in relation to pollutant concentration, total volume and flow rate of water. Journal of Water Process Engineering. 2023;55:104169. [DOI:10.1016/j.jwpe.2023.104169]
37. Van Nguyen D, Ho PQ, Van Pham T, Van Nguyen T, Kim L. Treatment of surface water using cold plasma for domestic water supply. Environmental Engineering Research. 2019;24(3):412-7. [DOI:10.4491/eer.2018.215]
38. Kumar S, Pipliya S, Srivastav PP. Effect of cold plasma on different polyphenol compounds: A review. Journal of Food Process Engineering. 2023;46(1):e14203. [DOI:10.1111/jfpe.14203]
39. 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. [DOI:10.1007/s11356-021-16741-x]
40. Gao Y, Saedi Z, Shi H, Zeng B, Zhang B, Zhang X. Machine learning-assisted optimization of microbubble-enhanced cold plasma activation for water treatment. ACS ES&T Water. 2024;4(2):735-50. [DOI:10.1021/acsestwater.3c00783]
41. Fitzpatrick R. Plasma physics: an introduction: Crc Press; 2022. [DOI:10.1201/9781003268253]
42. Pimklang T, Watthanaphanit A, Pakawatpanurut P. Novel green synthesis of graphene oxide-manganese dioxide using solution plasma process for energy storage. Chemical Engineering Journal. 2022;442:136244. [DOI:10.1016/j.cej.2022.136244]
43. Wang J, Zhou X, Li J, Pan D, Du L. Enhancing the functionalities of chickpea protein isolate through a combined strategy with pH-shifting and cold plasma treatment. Innovative Food Science & Emerging Technologies. 2024;93:103607. [DOI:10.1016/j.ifset.2024.103607]
44. Baniya HB, Guragain RP, Panta GP, Dhungana S, Chhetri GK, Joshi UM, et al. Experimental studies on physicochemical parameters of water samples before and after treatment with a cold atmospheric plasma jet and its optical characterization. Journal of Chemistry. 2021;2021(1):6638939. [DOI:10.1155/2021/6638939]
45. 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. [DOI:10.1080/09593330.2019.1620866]
46. 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):116214-26. [DOI:10.1007/s11356-023-30298-x]
47. 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]
48. Haghighat G, Sohrabi A, Shaibani PM, Van Neste C, Naicker S, Thundat T. The role of chloride ions in plasma-activated water treatment processes. Environmental Science: Water Research & Technology. 2017;3(1):156-68. [DOI:10.1039/C6EW00308G]
49. Velasquez J. Novel Microplastics Remediation Strategy Using High-Voltage Atmospheric Cold Plasma: Purdue University Graduate School; 2023.
50. 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]
51. Liu J, Deng H, Liu Y, Xie Y. Removal of Polypropylene Microplastics by Using Air Dielectric Barrier Discharges. Journal of Environmental Chemical Engineering. 2025:117273. [DOI:10.1016/j.jece.2025.117273]
ارسال پیام به نویسنده مسئول
| بازنشر اطلاعات | |
 |
این مقاله تحت شرایط Creative Commons Attribution-NonCommercial 4.0 International License قابل بازنشر است. |
