滑动电弧等离子体在水溶液中对叶绿素的化学降解

本研究采用常压滑动电弧等离子体技术处理含叶绿素废水，发现随处理时间延长，溶液消色效率显著提升（655 nm处64.06%，385 nm处72.03%），总有机碳去除率达75.54%，证实等离子体可有效降解叶绿素并促进矿化，为工业废水处理提供新方法。

　　

Jourdin Gongwala|Serge Alain Djepang|Njoyim Estella Buleng Tamungang|Sévérin Nkanglefack|Gaston Payom|Samuel Laminsi

马鲁阿大学高等教师培训学院化学系，邮政信箱55，马鲁阿

摘要

本研究在大气压下，使用潮湿空气作为工作气体，探讨了滑弧等离子体对水溶液中叶绿素的降解作用。随着等离子体暴露时间的延长，叶绿素溶液逐渐褪色。经过45分钟的处理后，在655纳米和385纳米波长处，叶绿素的褪色效率分别为64.06%和72.03%。紫外-可见光谱分析表明，与Q带和Soret吸收带相关的发色团逐渐被破坏，证实了叶绿素分子的结构发生了变化。通过总有机碳（TOC）测量评估了矿化作用，发现经过45分钟的等离子体处理后，叶绿素的去除效率为75.54%。TOC的减少遵循一级动力学规律，速率为0.0367 min^-1。对于初始叶绿素浓度为100 mg L^-1的情况，30分钟内的转化率为90.7%。动力学分析显示，降解速率随初始浓度的增加而提高。这些结果表明，滑弧等离子体是一种高效且快速的叶绿素在水介质中降解和矿化的方法，具有处理富含叶绿素的工业废水的潜在应用价值。

引言

屠宰场及相关农业工业活动会产生大量含有叶绿素的废水，这些废水是环境污染的重要来源。由于动物加工过程中会产生大量废弃物，屠宰场被认为是地表水有机污染的主要来源（Atuanya等人，2012年；Gongwala等人，2014年；Buleng等人，2016年）。这些废弃物包括血液、毛发、角、蹄以及来自动物胃肠道的消化或部分消化的植物物质。在清洗尸体和内脏的过程中，大量此类物质被水携带并排放到环境中。

因此，屠宰场的废水通常具有明显的颜色。红色主要来源于血液残留物，而绿色则主要来自动物摄入的植物中的叶绿素（Aniebo等人，2009年）。叶绿素的存在使得废水具有较高的光学密度，降低了光的穿透能力，对光合作用和水生生物产生了不利影响。因此，在排放前对这类废水进行有效处理是必要的，以减轻其对环境的影响。

传统的废水处理方法往往无法完全去除叶绿素和其他难降解的有机化合物。近年来，高级氧化工艺（AOPs）因能够在相对温和的条件下生成高活性的氧化剂而受到越来越多的关注。在这些技术中，非热等离子体工艺已成为水处理领域的有前景的替代方案（Gao等人，2008年；Devi等人，2009年；Panizza和Oturan，2011年）。

滑弧等离子体是一种在大气压下运行的非热电放电现象，通常在潮湿空气中进行，其特征是同时生成化学活性物种，如羟基自由基（•OH）、过氧化氢和活性氮物种。这些物种具有很强的氧化能力，已被证明能够有效降解水中的多种有机污染物（Brisset和Hnatiuc，2012年；Brisset和Pawlat，2016年）。

本研究重点探讨了使用滑弧等离子体反应器对水溶液中叶绿素的降解作用。研究目标包括评估褪色效率、通过紫外-可见光谱分析叶绿素的分子降解情况、通过总有机碳测量评估矿化作用、研究降解动力学以及确定初始叶绿素浓度的影响。这些结果为滑弧等离子体在处理富含叶绿素的废水（尤其是屠宰场产生的废水）方面的应用提供了依据。

材料与试剂

叶绿酸镁（MC；C₅₅H₇₂MgN₄O₅，分子量=893.49 g mol^-1）从Sigma-Aldrich购买，无需进一步纯化即可使用。使用蒸馏水制备了不同浓度的叶绿素水溶液，并通过稀NaOH或HCl溶液调节溶液的初始pH值。叶绿酸镁在655纳米和385纳米处具有两个特征性的紫外-可见吸收峰，分别对应于Q带和Soret带。

pH值的变化

无论初始pH值如何，等离子体处理都会导致溶液迅速酸化，15分钟后pH值稳定在约2.8–2.9之间（图3）。这种行为反映了等离子体内氮氧化物的形成，随后它们水解为硝酸和亚硝酸。类似的趋势也在潮湿空气等离子体系统中观察到，证实了长时间处理过程中的缓冲效应（Benstaali等人，1998年；Moussa等人，2005年；Burlica等人，2006年；Abba等人，

结论

本研究证明，滑弧等离子体是降解和矿化水溶液中叶绿素的有效方法。等离子体处理导致叶绿素显著褪色、叶绿素大环结构破坏以及显著的矿化作用，这通过电导率和总溶解固体的增加得到证实，45分钟后的TOC去除效率为75.54%。在某些条件下，褪色效率超过了70%。

作者贡献声明

Serge Alain Djepang：方法论、数据管理。Njoyim Estella Buleng Tamungang：正式分析、概念构思。Jourdin Gongwala：撰写初稿、方法论、概念构思。Samuel Laminsi：监督。Sévérin Nkanglefack：正式分析、数据管理。Gaston Payom：验证、方法论

未引用参考文献

Brisset等人，2008年；Gongwala，2014年；Legrini等人，1993年；Locke等人，2006年；Omole，2013年；Peiffer，2002年。

伦理声明

本研究未涉及任何作者对人类或动物进行的研究。

利益冲突

作者声明与本研究无任何利益冲突。

数据可用性声明

本研究使用和/或分析的数据集可应要求向相应作者索取。

手稿准备过程中生成式AI和AI辅助技术的声明

在准备本研究的过程中，作者使用了Chat GPT工具来提高图表的清晰度和语言质量。使用该工具/服务后，作者对内容进行了必要的审查和编辑，并对发表文章的内容负全责。

资金声明

作者声明在准备本手稿期间未收到任何资金、资助或其他形式的支持。

利益冲突声明

作者声明与本报告的工作不存在任何已知的利益冲突。

致谢

特别感谢法国鲁昂大学的已故名誉教授Jean-Louis Brisset提供的等离子体反应器支持，以及喀麦隆雅温得大学的Daniel Njopwouo教授的指导。同时感谢喀麦隆马鲁阿大学的Cornelius Tsamo教授提供的语言帮助。