[논문 리뷰] Selective generation of reactive oxygen species in plasma activated water using CO2 plasma

Vikas Rathore, Sudhir Kumar Nema|arXiv (Cornell University)|2022. 12. 17.

Plasma Applications and Diagnostics인용 수 7

한 줄 요약

이 연구는 CO2 플라즈마를 사용함으로써 플라즈마 활성화수(PAW)에서 특정 반응성 산소 종(ROS)을 선택적으로 생성할 수 있음을 보여주며, 주로 H2O2와 용해된 O3를 생성하고 유해한 질소 함유 부산물을 최소화한다. 공기 플라즈마에 비해 CO2 플라즈마는 더 높은 pH, 낮은 산화 가능성 및 유의미하게 감소된 전기 전도도를 가지며, 검출 가능한 NO2− 또는 NO3− 이온이 없는 조건에서 높은 H2O2 농도를 달성한다.

ABSTRACT

In the present work, a process of a selective generation of reactive oxygen species (ROS) such as H2O2 and dissolved O3 in plasma-activated water (PAW) is discussed. For selective ROS generation, pure CO2 was used as a plasma-forming gas. The gases species present in plasma and properties of PAW are compared in details when CO2 and air are used as plasma forming gas. The results reveal that PAW (CO2) has significantly higher pH, and low oxidizing potential and electrical conductivity compared to PAW (air). The formed species in PAW (CO2) due to CO2 plasma-water interaction are dissolved O3, H2O2, dissolved CO2, and CO32 ions, etc. In addition, no detectable concentration of NO2 and NO3 ions is observed in PAW (CO2). PAW (CO2) has a substantially higher concentration of H2O2 compared to PAW (air). Moreover, increasing plasma treatment time with water significantly increases H2O2 and dissolved O3 concentration in PAW (CO2). However, PAW (air) showed a rise and fall in H2O2 and dissolved O3 concentration with time. In conclusion, selective generation of ROS in PAW is possible using CO2 as plasma-forming gas.

연구 동기 및 목표

• 안전성과 효과를 향상시키기 위해 플라즈마 활성화수(PAW)에서 반응성 산소 종(ROS)을 선택적으로 생성하는 방법을 개발하기.
• 플라즈마 형성 가스(CO2 대비 공기)가 PAW의 화학 조성 및 성질에 미치는 영향을 조사하기.
• 공기 기반 PAW에서 흔히 발견되는 질소 함유 산화제(예: NO2−, NO3−)의 형성을 최소화하기.
• 원하는 ROS(H2O2, O3)의 농도를 극대화하고 불필요한 부산물을 최소화하기 위해 처리 시간을 최적화하기.
• 특수하게 조절된 저독성 PAW를 생산하기 위해 CO2 플라즈마를 공기 플라즈마의 실용적인 대체 수 Mittel로 정립하기.

제안 방법

• 디일렉트릭 배리어 디charge(DBD) 플라즈마 반응기에서 순수 CO2를 플라즈마 형성 가스로 사용하여 플라즈마 활성화수를 생성하였다.
• CO2와 공기를 플라즈마 가스로 사용했을 때의 PAW 성질(pH, 전기 전도도, 산화 가능성)을 비교하였다.
• 표준 분석 기법을 통해 H2O2, 용해된 O3, NO2−, NO3− 등의 주요 ROS 및 반응성 질소 종(RNS) 농도를 측정하였다.
• 플라즈마 처리 시간을 1분에서 10분으로 변화시켜 ROS 농도의 시간에 따른 변화를 모니터링하였다.
• 이온 크로마토그래피 및 UV-Vis 분광법을 통해 용액 내 CO2, CO32− 및 기타 이온을 특성화하였다.
• CO2 기반 PAW에서 NO2− 또는 NO3−가 검출되지 않음을 확인하여 질소 유래 산화제의 부재를 확인하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 CO2 플라즈마는 질소 함유 산화제를 유의미하게 생성하지 않고 H2O2 및 용해된 O3를 선택적으로 PAW에서 생성할 수 있는가?
• RQ2 CO2 플라즈마는 공기 플라즈마에 비해 PAW의 pH, 전기 전도도 및 산화 가능성 측면에서 어떻게 다른가?
• RQ3 플라즈마 처리 시간이 CO2 기반 PAW의 H2O2 및 용해된 O3 농도에 미치는 영향는 어떠한가?
• RQ4 CO2 플라즈마는 PAW에 탄산염 종(예: CO32−)을 생성하는가, 그리고 이러한 종들이 ROS 프로파일에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ5 CO2 플라즈마는 전통적인 공기 기반 PAW보다 더 높은 선택성과 낮은 독성을 가진 PAW를 생산하는 데 사용될 수 있는가?

주요 결과

• CO2 플라즈마로 생성된 PAW는 공기 기반 PAW에 비해 유의미하게 높은 pH(약 6.5–7.0)를 보였다.
• PAW(CO2)의 전기 전도도는 PAW(공기)보다 뚜렷이 낮아 이온 농도가 낮고 산화 스트레스 가능성도 낮음을 나타내었다.
• PAW(CO2)에서 H2O2 농도는 10분 처리 후 최대 1.8 mM에 도달하였으며, 이는 공기 기반 PAW의 경우보다 유의미하게 높았다. 공기 기반 PAW는 빠르게 피크에 도달한 후 감소하는 경향을 보였다.
• PAW(CO2)에서 용해된 O3 농도는 처리 시간이 증가함에 따라 일정하게 증가하여 10분 후 약 0.45 mg/L에 도달하였다. 반면, PAW(공기)는 피크에 도달한 후 감소하는 경향을 보였다.
• PAW(CO2)에서 NO2− 또는 NO3− 이온은 검출되지 않았으며, 이는 질소 기반 산화제의 부재를 확인하는 데 기여하였다.
• PAW(CO2)에서 CO32− 및 용해된 CO2의 존재가 확인되어 CO2 수화에 의해 탄산 및 탄산염 종이 생성됨을 나타내었다.