The article reports and discusses the results of a thorough spectroscopic investigation of the self-pulsing electrical discharge in contact with aqueous media. The discharge occurs between a bare high voltage electrode positioned over the liquid and a grounded ring submerged by the liquid. It is supplied with DC high voltage, but it operates in pulse mode that is determined by the charging and discharging of a parallelly connected capacitor. This type of discharge has attracted our attention due to its complex physics, as well as to its high efficiency in inducing the degradation of highly inert hazardous pollutants present in the water, such as perfluoroalkyl substances. The generated discharge unites several types of plasma in a single discharge cell. It starts as a high temperature (2500 K), high electron density (1016–17 cm−3) spark-like discharge close to the high voltage electrode and then branches into a large number of cooler leaders characterized by one order of magnitude lower electron density (1015 cm−3) in the middle of the gap and finally touches the liquid electrode through a dense network of low temperature (500 K) and low electron density streamers (1014 cm−3). The paper discusses the results of a parametric study that has provided temperature and electron density data in different regions of the discharge. The measurements were thus performed for discharges in ambient air, in synthetic air (an 80/20 N2/O2 mixture) and in argon with, as liquid electrode, either tap or ultrapure water containing a small amount of perfluorooctanoic acid.

1.
P. J.
Bruggeman
,
M. J.
Kushner
,
B. R.
Locke
,
J. G. E.
Gardeniers
,
W. G.
Graham
,
D. B.
Graves
,
R. C. H. M.
Hofman-Caris
,
D.
Maric
,
J. P.
Reid
,
E.
Ceriani
,
D.
Fernandez Rivas
,
J. E.
Foster
,
S. C.
Garrick
,
Y.
Gorbanev
,
S.
Hamaguchi
,
F.
Iza
,
H.
Jablonowski
,
E.
Klimova
,
J.
Kolb
,
F.
Krcma
,
P.
Lukes
,
Z.
Machala
,
I.
Marinov
,
D.
Mariotti
,
S.
Mededovic Thagard
,
D.
Minakata
,
E. C.
Neyts
,
J.
Pawlat
,
Z. L.
Petrovic
,
R.
Pflieger
,
S.
Reuter
,
D. C.
Schram
,
S.
Schröter
,
M.
Shiraiwa
,
B.
Tarabová
,
P. A.
Tsai
,
J. R. R.
Verlet
,
T.
von Woedtke
,
K. R.
Wilson
,
K.
Yasui
, and
G.
Zvereva
,
Plasma Sources Sci. Technol.
25
,
053002
(
2016
).
2.
P.
Bruggeman
and
C.
Leys
,
J. Phys. D: Appl. Phys.
42
,
053001
(
2009
).
3.
B.
Jiang
,
J.
Zheng
,
S.
Qiu
,
M.
Wu
,
Q.
Zhang
,
Z.
Yan
, and
Q.
Xue
,
Chem. Eng. J.
236
,
348
(
2014
).
4.
J.
Foster
,
B. S.
Sommers
,
S. N.
Gucker
,
I. M.
Blankson
, and
G.
Adamovsky
,
IEEE Trans. Plasma Sci.
40
,
1311
(
2012
).
5.
B. P.
Dojčinović
,
G. M.
Roglić
,
B. M.
Obradović
,
M. M.
Kuraica
,
M. M.
Kostić
,
J.
Nešić
, and
D. D.
Manojlović
,
J. Hazard. Mater.
192
,
763
(
2011
).
6.
B. M.
Cadorin
,
V. D.
Tralli
,
E.
Ceriani
,
L. O. d. B.
Benetoli
,
E.
Marotta
,
C.
Ceretta
,
N. A.
Debacher
, and
C.
Paradisi
,
J. Hazard. Mater.
300
,
754
(
2015
).
7.
D.
Manojlovic
,
D. R.
Ostojic
,
B. M.
Obradovic
,
M. M.
Kuraica
,
V. D.
Krsmanovic
, and
J.
Puric
,
Desalination
213
,
116
(
2007
).
8.
E.
Marotta
,
E.
Ceriani
,
M.
Schiorlin
,
C.
Ceretta
, and
C.
Paradisi
,
Water Res.
46
,
6239
(
2012
).
9.
M.
Magureanu
,
D.
Piroi
,
N. B.
Mandache
,
V.
David
,
A.
Medvedovici
,
C.
Bradu
, and
V. I.
Parvulescu
,
Water Res.
45
,
3407
(
2011
).
10.
M.
Marković
,
M.
Jović
,
D.
Stanković
,
V.
Kovačević
,
G.
Roglić
,
G.
Gojgić-Cvijović
, and
D.
Manojlović
,
Sci. Total Environ.
505
,
1148
(
2015
).
11.
M. S.
Jović
,
B. P.
Dojčinović
,
V. V.
Kovačević
,
B. M.
Obradović
,
M. M.
Kuraica
,
U. M.
Gašić
, and
G. M.
Roglić
,
Chem. Eng. J.
248
,
63
(
2014
).
12.
A.
Giardina
,
F.
Tampieri
,
O.
Biondo
,
E.
Marotta
, and
C.
Paradisi
,
Chem. Eng. J.
372
,
171
(
2019
).
13.
K.
Oehmigen
,
M.
Hähnel
,
R.
Brandenburg
,
C.
Wilke
,
K.-D.
Weltmann
, and
T.
von Woedtke
,
Plasma Process. Polym.
7
,
250
(
2010
).
14.
M.
Laroussi
,
IEEE Trans. Plasma Sci.
37
,
714
(
2009
).
15.
M. G.
Kong
,
G.
Kroesen
,
G.
Morfill
,
T.
Nosenko
,
T.
Shimizu
,
J.
Van Dijk
, and
J. L.
Zimmermann
,
New J. Phys.
11
,
115012
(
2009
).
16.
G.
Fridman
,
G.
Friedman
,
A.
Gutsol
,
A. B.
Shekhter
,
V. N.
Vasilets
, and
A.
Fridman
,
Plasma Process. Polym.
5
,
503
(
2008
).
17.
K.-D.
Weltmann
and
T.
von Woedtke
,
Eur. Phys. J. Appl. Phys.
55
,
13807
(
2011
).
18.
M.
Laroussi
,
Plasma Process. Polym.
11
,
1138
(
2014
).
19.
N.
Puač
,
M.
Gherardi
, and
M.
Shiratani
,
Plasma Process. Polym.
15
,
1700174
(
2018
).
20.
M.
Ito
,
J.-S.
Oh
,
T.
Ohta
,
M.
Shiratani
, and
M.
Hori
,
Plasma Process. Polym.
15
,
1700073
(
2018
).
21.
Q.
Xiang
,
L.
Fan
,
Y.
Li
,
S.
Dong
,
K.
Li
, and
Y.
Bai
, “A review on recent advances in plasma-activated water for food safety: Current applications and future trends,”
Crit. Rev. Food Sci. Nutr.
(to be published) (
2020
).
22.
B. R.
Locke
,
M.
Sato
,
P.
Sunka
,
M. R.
Hoffmann
, and
J.-S.
Chang
,
Ind. Eng. Chem. Res.
45
,
882
(
2006
).
23.
P.
Vanraes
and
A.
Bogaerts
,
Appl. Phys. Rev.
5
,
031103
(
2018
).
24.
I.
Marinov
,
O.
Guaitella
,
A.
Rousseau
, and
S. M.
Starikovskaia
,
J. Phys. D: Appl. Phys.
46
,
464013
(
2013
).
25.
F.
Tampieri
,
A.
Giardina
,
F. J.
Bosi
,
A.
Pavanello
,
E.
Marotta
,
B.
Zaniol
,
G.
Neretti
, and
C.
Paradisi
,
Plasma Process. Polym.
15
,
1700207
(
2018
).
26.
V. V.
Kovačević
,
B. P.
Dojčinović
,
M.
Jović
,
G. M.
Roglić
,
B. M.
Obradović
, and
M. M.
Kuraica
,
J. Phys. D: Appl. Phys.
50
,
155205
(
2017
).
27.
M. A.
Malik
,
Plasma Chem. Plasma Process.
30
,
21
(
2010
).
28.
V. A.
Titov
,
V. V.
Rybkin
,
S. A.
Smirnov
,
A. N.
Kulentsan
, and
H.-S.
Choi
,
Plasma Chem. Plasma Process.
26
,
543
(
2006
).
29.
T.
Verreycken
,
P.
Bruggeman
, and
C.
Leys
,
J. Appl. Phys.
105
,
083312
(
2009
).
30.
E.
Ceriani
,
E.
Marotta
,
M.
Schiorlin
,
X.
Ren
,
C.
Ceretta
,
R.
Gobbo
,
F.
Tampieri
, and
C.
Paradisi
,
J. Phys. D: Appl. Phys.
51
,
274001
(
2018
).
31.
L. R.
Grabowski
,
E. M.
Veldhuizen
,
A. J. M.
Pemen
, and
W. R.
Rutgers
,
Plasma Chem. Plasma Process.
26
,
3
(
2006
).
32.
L.
Grabowski
,
Pulsed Corona in Air for Water Treatment
(
Technische Universiteit Eindhoven
,
2006
).
33.
P.
Bruggeman
,
P.
Guns
,
J.
Degroote
,
J.
Vierendeels
, and
C.
Leys
,
Plasma Sources Sci. Technol.
17
,
045014
(
2008
).
34.
V. P.
Belosheev
,
Tech. Phys.
43
,
783
(
1998
).
35.
V.
Petrishchev
,
S.
Leonov
, and
I. V.
Adamovich
,
Plasma Sources Sci. Technol.
23
,
065022
(
2014
).
36.
J.
Janca
,
S.
Kuzmin
,
A.
Maximov
,
J.
Titova
, and
A.
Czernichowski
,
Plasma Chem. Plasma Process.
19
,
53
(
1999
).
37.
R. C.
Buck
,
J.
Franklin
,
U.
Berger
,
J. M.
Conder
,
I. T.
Cousins
,
P.
de Voogt
,
A. A.
Jensen
,
K.
Kannan
,
S. A.
Mabury
, and
S. P. J.
van Leeuwen
,
Integr. Environ. Assess. Manag.
7
,
513
(
2011
).
38.
M.
Saleem
,
O.
Biondo
,
G.
Sretenović
,
G.
Tomei
,
M.
Magarotto
,
D.
Pavarin
,
E.
Marotta
, and
C.
Paradisi
,
Chem. Eng. J.
382
,
123031
(
2020
).
39.
R.
Hayashi
,
H.
Obo
,
N.
Takeuchi
, and
K.
Yasuoka
,
Electr. Eng. Jpn.
190
,
9
(
2015
).
40.
H.
Obo
,
N.
Takeuchi
, and
K.
Yasuoka
,
Int. J. Plasma Environ. Sci. Technol.
9
,
62
(
2015
).
41.
G. R.
Stratton
,
F.
Dai
,
C. L.
Bellona
,
T. M.
Holsen
,
E. R. V.
Dickenson
, and
S.
Mededovic Thagard
,
Environ. Sci. Technol.
51
,
1643
(
2017
).
42.
V.
Jovicic
,
M.
Khan
,
A.
Zbogar-Rasic
,
N.
Fedorova
,
A.
Poser
,
P.
Swoboda
, and
A.
Delgado
,
Energies
11
,
1290
(
2018
).
43.
R. K.
Singh
,
S.
Fernando
,
S. F.
Baygi
,
N.
Multari
,
S. M.
Thagard
, and
T. M.
Holsen
,
Environ. Sci. Technol.
53
,
2731
(
2019
).
44.
R. K. M.
Bulusu
,
R. J.
Wandell
,
Z.
Zhang
,
M.
Farahani
,
Y.
Tang
, and
B. R.
Locke
,
Plasma Process. Polym.
17
,
2000074
(
2020
).
45.
A. J.
Lewis
,
T.
Joyce
,
M.
Hadaya
,
F.
Ebrahimi
,
I.
Dragiev
,
N.
Giardetti
,
J.
Yang
,
G.
Fridman
,
A.
Rabinovich
,
A. A.
Fridman
,
E. R.
McKenzie
, and
C. M.
Sales
,
Environ. Sci. Water Res. Technol.
6
,
1044
(
2020
).
46.
B. S.
Crimmins
,
X.
Xia
,
P. K.
Hopke
, and
T. M.
Holsen
,
Anal. Bioanal. Chem.
406
,
1471
(
2014
).
47.
R.
Lewis
,
L.
Johns
, and
J.
Meeker
,
Int. J. Environ. Res. Public Health
12
,
6098
(
2015
).
48.
K.
Kato
,
L.-Y.
Wong
,
L. T.
Jia
,
Z.
Kuklenyik
, and
A. M.
Calafat
,
Environ. Sci. Technol.
45
,
8037
(
2011
).
49.
N. M.
Crawford
,
S. E.
Fenton
,
M.
Strynar
,
E. P.
Hines
,
D. A.
Pritchard
, and
A. Z.
Steiner
,
Reprod. Toxicol.
69
,
53
(
2017
).
50.
J. L.
Domingo
and
M.
Nadal
,
J. Agric. Food Chem.
65
,
533
(
2017
).
51.
M.
Janda
,
V.
Martišovitš
,
K.
Hensel
,
L.
Dvonč
, and
Z.
Machala
,
Plasma Sources Sci. Technol.
23
,
065016
(
2014
).
52.
M.
Janda
,
T.
Hoder
,
A.
Sarani
,
R.
Brandenburg
, and
Z.
Machala
,
Plasma Sources Sci. Technol.
26
,
055010
(
2017
).
53.
P.
Bruggeman
,
J. L.
Walsh
,
D. C.
Schram
,
C.
Leys
, and
M. G.
Kong
,
Plasma Sources Sci. Technol.
18
,
045023
(
2009
).
54.
P.
Bruggeman
,
F.
Iza
,
P.
Guns
,
D.
Lauwers
,
M. G.
Kong
,
Y. A.
Gonzalvo
,
C.
Leys
, and
D. C.
Schram
,
Plasma Sources Sci. Technol.
19
,
015016
(
2010
).
55.
J. Y.
Park
,
P. V.
Kostyuk
,
S. B.
Han
,
J. S.
Kim
,
C. N.
Vu
, and
H. W.
Lee
,
J. Phys. D: Appl. Phys.
39
,
3805
(
2006
).
56.
T.
Verreycken
,
D. C.
Schram
,
C.
Leys
, and
P.
Bruggeman
,
Plasma Sources Sci. Technol.
19
,
045004
(
2010
).
57.
A. N.
Goyette
,
J. R.
Peck
,
Y.
Matsuda
,
L. W.
Anderson
, and
J. E.
Lawler
,
J. Phys. D: Appl. Phys.
31
,
1556
(
1998
).
58.
J.
Voráč
,
P.
Synek
,
L.
Potočňáková
,
J.
Hnilica
, and
V.
Kudrle
,
Plasma Sources Sci. Technol.
26
,
025010
(
2017
).
59.
J.
Voráč
,
P.
Synek
,
V.
Procházka
, and
T.
Hoder
,
J. Phys. D: Appl. Phys.
50
,
294002
(
2017
).
60.
J.
Voráč
,
L.
Kusýn
, and
P.
Synek
,
Rev. Sci. Instrum.
90
,
123102
(
2019
).
61.
P.
Bruggeman
,
D. C.
Schram
,
M. G.
Kong
, and
C.
Leys
,
Plasma Process. Polym.
6
,
751
(
2009
).
62.
M. A.
Gigosos
,
González
, and
V.
Cardeñoso
,
Spectrochim. Acta Part B
58
,
1489
(
2003
).
63.
N.
Konjević
,
M.
Ivković
, and
N.
Sakan
,
Spectrochim. Acta Part B
76
,
16
(
2012
).
64.
N.
Konjević
,
Phys. Rep.
316
,
339
(
1999
).
65.
A.
Kramida
,
Y.
Ralchenko
,
J.
Reader
, and
N. A.
Team
,
NIST Atomic Spectra Database
(
National Institute of Standards and Technology
,
Gaithersburg
,
MD
,
2020
).
66.
N.
Cvetanović
,
O.
Galmiz
,
P.
Synek
,
M.
Zemánek
,
A.
Brablec
, and
T.
Hoder
,
Plasma Sources Sci. Technol.
27
,
025002
(
2018
).
67.
J.
Jovović
,
S.
Stojadinović
,
N. M.
Šišović
, and
N.
Konjević
,
Surf. Coat. Technol.
206
,
24
(
2011
).
68.
V. P.
Belosheev
,
Tech. Phys.
43
,
1329
(
1998
).
69.
V. P.
Belosheev
,
Tech. Phys.
44
,
381
(
1999
).
70.
V. P.
Belosheev
,
Tech. Phys.
45
,
922
(
2000
).
71.
A. F.
Aleksandrov
,
D. N.
Vaulin
,
A. P.
Ershov
, and
V. A.
Chernikov
,
Moscow Univ. Phys. Bull.
64
,
100
(
2009
).
72.
A. F.
Aleksandrov
,
D. N.
Vaulin
,
R.
Qi
, and
V. A.
Chernikov
,
Moscow Univ. Phys. Bull.
67
,
312
(
2012
).
73.
Y.
Luo
,
A. M.
Lietz
,
S.
Yatom
,
M. J.
Kushner
, and
P. J.
Bruggeman
,
J. Phys. D: Appl. Phys.
52
,
044003
(
2019
).
74.
W.
Van Gaens
and
A.
Bogaerts
,
J. Phys. D: Appl. Phys.
46
,
275201
(
2013
).
You do not currently have access to this content.