On phenomena in ionized gases

Decomposition of Acetic Acid Solution by Dielectric Barrier Discharge 

 

K. Teranishi

1

P

, 

U

K. Murata

UP

1

P

, M. Yonezawa

P

1

P

, N. Shimomura

P

1

P

 

 

P

1

P

 Tokushima University, 2-1 Minamijyousanjima-cho,Tokushima 770-8506, Japan 

P

 

 

This study deals with the decomposition of an acetic acid solution by a water treatment reactor based 

on a dielectric barrier discharge (DBD) with a parallel plate electrode configuration. The treat water 

is supplied  onto  an  electrode  surface  as  a  water  film  and  exposed  to  the  DBD.  The  total  organic 

carbon of the solution is estimated to evaluate the decomposition of acetic acid by the DBD.  

 

1. Introduction 

Water treatment by discharge plasma is promising 

technology 

to 

decompose 

persistent 

organic 

pollutants by chemically active species  produced  in 

the  plasma.  Although  a  great  deal  of  the  water 

treatment  reactor  using  discharge  plasma  has  been 

actively  developed  with  various  configurations  [1], 

[2], the authors have developed the water treatment 

reactor based on a dielectric barrier discharge (DBD) 

produced on a treat water surface [3]. In this work, an 

acetic acid solution, commonly used as an indicator 

of  persistent  organic  pollutants,  is  treated  by  our 

reactor  and  the  total  organic  carbon  (TOC) 

concentration of the solution is measured. 

 

2. Experimental setup 

The water treatment reactor used in this study was 

previously presented in [3], of which the several parts 

were  modified.  The  reactor  has  a  parallel  plate 

electrode  configuration,  consisting  of  a  dielectric 

barrier, a ring-shaped  metallic  back  electrode  and  a 

lower  metal  electrode.  The  dielectric  barrier  is  a 

borosilicate glass plate with 75 mm in diameter and 

1.1  mm  in  thickness.  It  has  a  hole  at  its  centre  for 

supplying  the  treat  water.  The  ring-shaped  metal 

electrode applying a high voltage is made of a copper 

tape with the inner and outer diameters of 28 and 51 

mm,  respectively.  It  is  adhered  on  one  side  of 

dielectric  barrier.  The  lower  electrode  is  made  of 

stainless steel whose diameter of the planer surface is 

52 mm. It is movable in the vertical direction using a 

micrometer  gauge  and  a  stepper  motor,  which  is 

capable  of  adjusting  the  gap  distance  automatically 

and  precisely.  With  forming  the  water  film  on  the 

lower  electrode  surface,  the  DBD  is  generated 

between  the  dielectric  barrier  and  the  treat  water 

surface.  An  acetic  acid  solution  of  20  mg/L  in 

concentration  is  prepared  as  the  treat  water  by 

dissolving  a  guaranteed  reagent  of  acetic  acid  with 

pure water. Total amount of the treat water is 0.5 L, 

which is circulated by a water pump with a flow rate 

of 1.5 L/min. The TOC concentration is measured by 

a  TOC  analyser  (TOC-L

CSN

,  Shimadzu  Corp.)  to 

evaluate the decomposition of acetic acid. Although 

the  TOC  concentration  of  the  20-mg/L  acetic  acid 

solution should be 8 mg

TOC

/L, the TOC concentration 

before  the  plasma  treatment  become  around 

7.04



7.25 mg

TOC

/L. 

 

3. Experimental results and discussions 

The acetic acid solution is treated for 2 hours with 

different gap distances of 1



2.5 mm. The results are 

shown in Fig. 1. Argon gas is fed into the reactor with 

a flow rate of 1.0 L/min. The initial discharge powers 

adjusted in an effort to be 1.7 W for all gap distances 

were within the range of 1.57



1.75 W. By 2 hours’ 

treatment,  the  TOC  concentration  decreases  for  all 

gap  distances.  The  consumption  energy  for  2  hours 

estimated from discharge power and treatment time is 

also  indicated  in  Fig.  1.  The  consumption  energy 

slightly  becomes  large  with  longer  gap  distance. 

However, the higher TOC reduction is observed with 

the  shorter  gap  distance.  These  results  indicate  that 

the  shorter  gap  distance  is  expected  to  effectively 

decompose the persistent organic pollutants.  

3. References 

[1]

 

N.  Takeuchi  et  al.,  Jpn.  J.  Appl.  Phys.,  54  

(2015) 116201. 

[2]

 

M.  S.  Jović  et  al.,  Chem.  Eng.  J.,  248  (2014) 

63–70 

[3]

 

K. Teranishi et al., 32nd ICPIG (2015).  

Topic number 

0

1

2

3

4

5

6

7

8

9

10

1.0 mm

1.5 mm

2.0 mm

2.5 mm

(3.18 Wh)

(3.37 Wh)

(3.42 Wh)

(3.56 Wh)

T

O

C

co

n

ce

n

tra

ti

o

n

 

[mg

T

O

C

/L

]

Gap distance

(Consumption energy for 2 hrs.) 

Before DBD treatment

2 hours Ar-DBD treatment

Decomposiotn  rate: D 

D=26.4%

D=19.4%

D=17.2%

D=12.9%

 

Fig. 1 TOC concentration of acetic acid before and 

after Ar-DBD plasma treatment for 2 hrs. 

240

XXXIII ICPIG, July 9-14, 2017, Estoril/Lisbon, Portugal 

 

 

Effects of the Driving Frequency on Generation of O

3

, NOx in DBD plasma 

 

Hyeongwon Jeon

1

P

, Sangheum Eom

1

P

, Hyewon Mun

2

P UPP

, Seong Bong Kim

1

P

, Suk Jae Yoo

1

P

 and 

Seungmin Ryu

1

P

 

 

1

Plasma Technology Research Center, National Fusion Research Institute, Gunsan-city, Korea  

2

Department of Plasma Convergence Engineering, Kunsan National University, Korea

 

 

The effects of driving frequency on generation of plasma reactive species were investigated in air 

plasma.  The  conventional  dielectric  barrier  discharge(DBD)  type  plasma  source  and  frequency 

tunable power were selected as a plasma generator. The frequency was considered as the main factor 

affecting the generation of plasma reactive species at air DBD plasma. The plasma reactive species, 

such as O

3

, NO, NOx were measured with different frequency condition (operating range is from 

100Hz to  8000Hz).  Electrical  and  optical  characteristics  were  additional  measured.  Experimental 

results show that the plasma reactive species are changed according to the frequency. It is considered 

that the plasma reactive species can be selectively generated through the frequency control. 

 

1. Introduction 

Air plasma application technology can be applied 

in various fields such as agri-food, environment, and 

energy.  The  O

3

  and  NOx  are  important  chemical 

species  of  air  plasma  and  these  are  utilized  as  a 

sterilizer.  There  are  many  ways  to  control  plasma 

reactive species. The O

3

 generation can be controlled 

through the driving frequency at the oxygen plasma 

source.[1]  It  is  considered  that  O

3

  and  NOx  can  be 

controlled  through  the  driving  frequency  at  the  air 

plasma. 

 

2. Experimental Set-up 

The  experimental  set-up  for  this  study  is 

shown in Figure 1. 

 

Figure 1. Experimental Set-up 

A function generator and a high voltage amplifier 

were used to control the frequency. O

3

 and NOx were 

measured  using  gas  analyzers.  Electrical  properties 

were  measured  using  an  oscilloscope  and  optical 

properties were measured using OES. 

 

3. Results and Conclusions 

 

Figure 2. OES (a) and O

3

 generation(b) 

 

Figure 3. NO and NOx generation 

As  the  frequency  changes,  the  generation  of 

reactive species is also changed. In this experimental 

condition,  the  O3  concentration  increases  with 

frequency  and  gradually  decreases  from  3kHz.(Fig. 

2(b)) The NOx concentration steadily increases with 

frequency and is highest at 8kHz.(Fig. 3) As a result, 

it is considered that the generation of plasma reactive 

species can be controlled by frequency. 

 

4. Acknowledgements  

This  work  was  supported  by  R&D  Program  of 

‘Plasma  Advanced  Technology  for  Agriculture  and 

Food (Plasma Farming)’ through the National Fusion 

Research  Institute  of  Korea  (NFRI)  funded  by  the 

Government funds. 

 

5. References 

[1] Seung-Lok Park, Jin-Gyu Kim. J Korean Inst. 

IIIum.  Electr.  Install.  Eng.  Vol.  18,  No.5  (2004) 

146-150.  

17 

241

XXXIII ICPIG, July 9-14, 2017, Estoril/Lisbon, Portugal 

 

 

Continual radiation of H

2

 and D

2

 (a

3 

Σ

g

+

→b

3

 Σ

u

+

) induced by electron 

impact 

 

J. Országh

P

, 

U

M. Danko, M. Ďurian

P

, Š. Matejčík 

 

P

1

P

 Department of Experimental Physics, Faculty of Mathematics, Physics and Informatics, Comenius University 

in Bratislava, Slovakia 

 

Electron  induced  fluorescence  apparatus  (EIFA)  was  used  for  examination  of  hydrogen  and 

deuterium  excitation  by  electrons  at  14  eV  impact  energy  with  subsequent  emission  in  spectral 

region between 200 – 700 nm. Relative excitation cross section for electrons with energy 0 – 100 

eV was measured and compared at two separate wavelengths – 650 nm and 230 nm to confirm the 

radiation  originates  from  the  same  deexcitation  transition.  The  radiation  of  the  continuum  at 

wavelengths  higher  than  500  nm  is  shown  for  the  first  time  in  experimental  studies.  Deuterium 

spectral measurement was performed also at electron energy 14 eV in order to compare the results 

with hydrogen molecule observation. 

 

1. Introduction 

Motivation  for  this  research  is  the  application 

of  the  results  in  diagnostic  of  thermonuclear 

plasmas  in  tokamaks  [1].  Hydrogen  and 

deuterium  plasma  is  produced  in  tokamak 

vessels,  and  the  interaction  of  H

2

  and  D

2

 

molecules with low energy electrons (0 – 100 eV) 

is particularly important at the plasma edge. 

 

2. Experiment 

Hydrogen  molecule  has  been  examined  in 

detail  on  EIFA.  Spectra  on  several  electron 

impact  energies  were  obtained.  In  this  work  we 

present  the  spectrum  at  14  eV  (Figure  1)  where 

only  the  continual  radiation  originating  from  the 

fluorescence  transition  H

2 

(a

3 

Σ

g

+

→b

3

  Σ

u

+

)  is 

observable.  The  spectrum  was  obtained  with 

0.4 nm  optical  resolution  and  it  is  given  in 

relative scale dependent on the pressure inside the 

vacuum 

chamber 

(~10

-4

 

mbar 

for 

H

2

 

measurements). 

200

300

400

500

600

700

0

2

4

6

8

10

12

Intens

ity

 (cps

)

Wavelength (nm)

 H

2

, E

e

= 14 eV

 D

2

, E

e

= 14 eV

-20

-10

0

10

20

30

40

Figure  1.  Emission  spectrum  of  H

2

  and  D

2

  at  14  eV 

electron impact energy originating from H

2

 (black) and D

2 

(green)  (a

3 

Σ

g

+

→b

3

  Σ

u

+

)  radiative  transitions.  The  spectra 

were corrected for spectral response of the apparatus.  

 

Deuterium spectrum at 14 eV was obtained for 

the  comparison.  The  pressure  in  the  reaction 

chamber  during  the  D

2

  measurements  was 

slightly  lower  than  the  H

2

  measurement  (~5x10

-

5

mbar)  which  explains  the  lower  signal  –  to  – 

noise  ratio  in  D

2

  spectrum.  In  D

2 

spectrum  only 

the radiation of continuum is present, as well. 

The  second  mode  of  measurement  at  EIFA  is 

the excitation cross section measurement at fixed 

wavelength.  The  cross  sections  were  measured 

at 230 nm  and  650 nm.  According  to  their 

identical  shape  and  the  threshold  energies 

corresponding  to  12.3±0.5 eV  it  is  possible  to 

suggest  that both correspond to the bound  – to – 

unbound transition, continuum radiation of H

2 

(a

3 

Σ

g

+

→b

3

 Σ

u

+

). 

 

3. Acknowledgements 

This  project  has  received  funding  from  the 

European  Union's  Horizon  2020  research  and 

innovation programme under grant agreement No 

692335.  This  work  was  supported  by  the  Slovak 

research  and  development  agency  project  No 

APVV-15-0580. 

 

4. References 

[1] U. Fantz et al. Plasma. Phys. Contr. F. 43 (2001) 

907. 

 

Topic number 1 

242

XXXIII ICPIG, July 9-14, 2017, Estoril/Lisbon, Portugal 

 

 

Modelling of N

2

-H

2

 capacitively coupled radio-frequency discharges 

 

M. Jiménez-Redondo

1

, L. Marques

1,2

, N. Carrasco

3

, G. Cernogora

3

, L. L. Alves

2

 

 

1

Centro de Física das Universidades do Minho e do Porto, Universidade do Minho, 4710-057, Braga, Portugal 

2

Instituto de Plasmas e Fusão Nuclear, Instituto Superior Técnico, Univ. Técnica de Lisboa, Lisboa, Portugal 

3

Université Versailles St-Quentin, CNRS, LATMOS, 11 blvd d’Alembert, 78280 Guyancourt, France

 

 

In this work, we present the results of simulations carried out for N

2

-H

2

 low pressure, low power 

capacitively  coupled  radio-frequency  discharges,  for  amounts  of  H

2

  up  to  5%.  Simulations  are 

performed  using  a  hybrid  code  that  couples  a  two-dimensional  time-dependent  fluid  module, 

describing the dynamics of the charged particles, to a zero-dimensional kinetic module, that solves 

the Boltzmann equation and describes the production and destruction of neutral species. The model 

accounts for the production of several excited states, and contains a detailed surface chemistry that 

includes  recombination  processes  and  the  production  of  NH

x

  molecules.  Simulations  show  that 

surface production of NH

3

 plays a key role in the neutral and ion kinetics of the discharge. 

 

1. Introduction 

Capacitively  coupled  radio-frequency  (ccrf) 

discharges  in  nitrogen-containing  mixtures  have 

been  used  in  planetary  studies  to  simulate,  in 

laboratory 

environment, 

the 

reactivity 

of 

ionospheres. The present work is part of a research 

strategy, involving both simulations and experiment, 

to  analyse  the  N

2

-CH

4

  ionospheric  chemistry  of 

Titan,  the  biggest  satellite  of  Saturn.  The  first  step 

was the study of ccrf discharges in pure N

2

 [1], and 

now  continues  with  the  analysis  of  N

2

-H

2

 

discharges. 

 

2. Modelling 

The  simulations  run  at  low  pressures  (0.6–1.2 

mbar),  for  30–100  sccm  gas  flows  and  5–20  W 

coupled  powers,  in  N

2

-H

2

  mixtures  with  hydrogen 

concentrations up to 5%. 

The model consists of a hybrid code that couples 

a  two-dimensional  (r,z)  time-dependent  fluid-type 

module,  which  describes  the  transport  of  the 

charged  particles,  to  a  very  complete  zero-

dimensional  kinetic  module  for  the  nitrogen-

hydrogen  mixture.  The  fluid  module  solves  the 

continuity and the momentum transfer equations for 

electrons, positive ions N

2

+

, N

4

+

, H

+

, H

2

+

, H

3

+

, HN

2

+

, 

NH

+

,  NH

2

+

,  NH

3

+

  and  NH

4

+

,  and  negative  ions  H

–

 

and  NH

2

–

,  the  electron  mean  energy  transport 

equations, and Poisson's equation for the rf electric 

potential.  The  space-time  map  of  the  electron 

transport and rate coefficients are obtained from the 

electron  mean  energy  profile,  using  the  local  mean 

energy  approximation  [1,2].  The  kinetic  module 

solves  the  two-term  homogeneous  and  stationary 

electron  Boltzmann  equation  (accounting  for 

inelastic collisions from ground-state molecules and 

atoms,  and  inelastic  and  superelastic  collisions 

involving  vibrationally  excited  states)  and  the  rate 

balance  equations  of  the  ground-state  vibrational 

excited  states  of  N

2

  and  H

2

,  the  most  relevant 

electronic  excited  states  for  N

2

  and  N,  H,  and  the 

most  important  crossed-species  NH

y

  (y=1-3)  and 

N

2

H

y

 (y=2-4) resulting from interactions within the 

N

2

/H

2

 systems [2,3]. An extended surface chemistry 

is considered, taking in account adsorption, surface 

association  and  heterogeneous  reactions,  which  are 

key  to  the  formation  of  NH

3

.  The  electron  impact 

chemistry  of  hydrogen  has  been  updated  using  the 

latest  set  of  cross  sections  available  from  the  IST-

Lisbon database of LXCat [4,5]. 

 

3. Results 

Simulations  show  that  significant  amounts  of 

NH

3

  are  produced  in  the  discharge,  with  a  high 

dependence  on  the  parameters  for  the  surface 

kinetics. The abundances of positive ions are greatly 

affected  by  the  neutral  composition,  with  NH

4

+

 

quickly  becoming  the  major  ion  when  sufficient 

NH

3

 is present. 

 

4. Acknowledgments  

This  work  was  partially  supported  by  the 

Portuguese FCT under project UID/FIS/50010/2013. 

 

5. References 

[1]  L.L.  Alves  et  al,  Plasma  Sources  Sci. 

Technol. 21 (2012) 045008. 

[2]  L.  Marques,  J.  Jolly,  L.L.  Alves,  J.  Appl. 

Phys. 102 (2007) 063305. 

[3]  E.  Tatarova  et  al,  Plasma  Sources  Sci. 

Technol. 14 (2005) 19. 

[4]  L.L.  Alves,  J.  Phys.  Conf.  Ser.  565  (2014) 

012007. 

[5] www.lxcat.net 

Topic number: 5 

243

XXXIII ICPIG, July 9-14, 2017, Estoril/Lisbon, Portugal 

 

 

Radiation trapping in non-equilibrium plasmas: 

matrix methods and its application to arcs and glow discharges 

 

Yu. Golubovskii

1

P

, 

U

D. Kalanov

UP

1

P,

, V. Maiorov

P

1

P

, M. Baeva

2

, D. Uhrlandt

2

, S. Gortschakow

P

2

 

 

P

1

P

Saint-Petersburg State University, 7/9 Universitetskaya nab., St. Petersburg, 199034 Russia 

P

2

P

 Leibniz Institute for Plasma Science and Technology, Felix-Hausdorff-Strasse 2, 17489 Greifswald, Germany 

 

Summary of recent experimental and theoretical studies by authors, related to radiation trapping in 

non-equilibrium plasmas is presented. A free-burning Ar arc and a constricted positive column of 

the Ar glow discharge were considered as plasma sources. Role of radiation trapping in formation 

of spatial distributions of excited species is demonstrated. Excited species densities and its radial 

distributions are determined by means of emission and absorption spectroscopy. Experimental 

data is compared with results of simulations. A new universal matrix method of radiation transport 

description in plasmas of arbitrary geometry, line shape and absorption coefficient is presented. 

The method is tested against existing matrix methods which are based on source symmetry.