Netermální plazma

Potravinářský průmyslEdit

V kontextu zpracování potravin je netermální plazma (NTP) nebo studená plazma konkrétně antimikrobiální ošetření, které se zkoumá pro aplikaci na ovoce, zeleninu a masné výrobky s křehkým povrchem. Tyto potraviny buď nejsou dostatečně sanitovány, nebo jsou jinak nevhodné pro ošetření chemickými látkami, teplem nebo jinými běžnými nástroji pro zpracování potravin. Zatímco zpočátku byly aplikace netepelného plazmatu zaměřeny na mikrobiologickou dezinfekci, nyní se aktivně zkoumají novější aplikace, jako je inaktivace enzymů, modifikace proteinů a rozptyl pesticidů. Netepelné plazma se také stále častěji používá při sterilizaci zubů a rukou, v osoušečích rukou a také v autodekontaminačních filtrech. Velkou pozornost v poslední době přitahuje zvláštní konfigurace plazmového výboje zahrnující ionizaci vzduchu nebo specifické směsi plynů uvnitř uzavřeného obalu, označovaná jako „studené plazma v obalu“.

Termín studené plazma se v poslední době používá jako vhodný deskriptor pro odlišení jednoatomových plazmových výbojů o teplotě blízké pokojové teplotě od jiných plazmových výbojů, pracujících při stovkách nebo tisících stupňů nad okolní teplotou (viz Plasma (physics) § Temperatures). V kontextu zpracování potravin může termín „chlad“ potenciálně vyvolávat zavádějící představy o požadavcích na chlazení jako součásti plazmové úpravy. V praxi však k této záměně nedochází. „Studené plazma“ může také volně označovat slabě ionizované plyny (stupeň ionizace < 0,01 %).

NázvoslovíUpravit

Názvy pro netepelné plazma, které se vyskytují v odborné literatuře, jsou různé. V některých případech se plazma označuje podle konkrétní technologie použité k jeho generování („klouzavý oblouk“, „plazmová tužka“, „plazmová jehla“, „plazmový výboj“, „dielektrický bariérový výboj“, „plazma s piezoelektrickým přímým výbojem“ atd.), zatímco jiné názvy jsou obecněji popisné, založené na vlastnostech vytvářeného plazmatu („plazma s jednotným žhavým výbojem v jedné atmosféře“, „atmosférické plazma“, „netepelné výboje za okolního tlaku“, „plazma s nerovnovážným atmosférickým tlakem“ atd.). Dvě vlastnosti, které odlišují NTP od jiných vyspělých, průmyslově využívaných plazmových technologií, spočívají v tom, že jsou 1) netepelné a 2) pracují při atmosférickém tlaku nebo při tlaku blízkém atmosférickému.

TechnologieEdit

MedicineEdit

Vznikající obor přidává možnosti netepelného plazmatu do stomatologie a medicíny.

Výroba energieEdit

Magnetohydrodynamická energetika, metoda přímé přeměny energie z horkého plynu v pohybu v magnetickém poli, byla vyvinuta v 60. a 70. letech 20. století pomocí pulzních MHD generátorů známých jako rázové trubice, využívající nerovnovážné plazma osázené parami alkalických kovů (například cesia, aby se zvýšila omezená elektrická vodivost plynů) zahřáté na omezenou teplotu 2000 až 4000 kelvinů (kvůli ochraně stěn před tepelnou erozí), kde však byly elektrony zahřívány na více než 10 000 kelvinů.

Specifickým a neobvyklým případem „inverzního“ netepelného plazmatu je plazma o velmi vysoké teplotě produkované strojem Z, kde jsou ionty mnohem teplejší než elektrony.

Letectví a kosmonautikaUpravit

Studují se řešení aerodynamického aktivního řízení proudění zahrnující technologické netepelné slabě ionizované plazma pro podzvukové, nadzvukové a hypersonické lety, jako plazmové aktuátory v oblasti elektrohydrodynamiky a jako magnetohydrodynamické konvertory, pokud jsou zapojena i magnetická pole.

Studie prováděné v aerodynamických tunelech zahrnují většinou nízký atmosférický tlak podobný výšce 20-50 km, typické pro hypersonický let, kde je elektrická vodivost vzduchu vyšší, a proto lze netermální slabě ionizované plazma snadno vyrábět s menšími energetickými náklady.

KatalýzaEdit

Termální netermální plazma za atmosférického tlaku lze využít k podpoře chemických reakcí. Srážky mezi elektrony o vysoké teplotě a molekulami studeného plynu mohou vést k disociačním reakcím a následné tvorbě radikálů. Tento druh výboje vykazuje reakční vlastnosti, které jsou obvykle pozorovány u vysokoteplotních výbojových systémů. Netepelné plazma se také používá ve spojení s katalyzátorem k dalšímu zvýšení chemické přeměny reaktantů nebo ke změně chemického složení produktů.

Mezi různé oblasti použití patří výroba ozonu na komerční úrovni; snižování znečištění, a to jak pevného (PM, VOC), tak plynného (SOx, NOx); přeměna CO2 na paliva (metanol, syngas) nebo chemikálie s přidanou hodnotou; fixace dusíku; syntéza metanolu; syntéza kapalných paliv z lehčích uhlovodíků (např.např. metanu), výroba vodíku reformingem uhlovodíků

KonfiguraceEdit

Spojení dvou různých mechanismů lze provést dvěma různými způsoby: dvoustupňovou konfigurací, nazývanou také postplazmová katalýza (PPC), a jednostupňovou konfigurací, nazývanou také in-plasma catalysis (IPC) nebo plasma enhanced catalysis (PEC).

V prvním případě je katalytický reaktor umístěn za plazmovou komorou. To znamená, že na povrch katalyzátoru se mohou dostat a reagovat pouze dlouho žijící druhy, zatímco krátce žijící radikály, ionty a excitované druhy se rozpadají v první části reaktoru. Jako příklad lze uvést atom kyslíku v základním stavu O(3P), jehož životnost v plazmatu za atmosférického tlaku suchého vzduchu je přibližně 14 μs. To znamená, že pouze malá oblast katalyzátoru je v kontaktu s aktivními radikály. V takovém dvoustupňovém uspořádání je hlavní úlohou plazmatu měnit složení plynu přiváděného do katalytického reaktoru. V systému PEC jsou synergické účinky větší, protože v blízkosti povrchu katalyzátoru vznikají krátce žijící excitované formy. Způsob vložení katalyzátoru do reaktoru PEC ovlivňuje celkový výkon. Může být do reaktoru umístěn různými způsoby: v práškové formě (packed bed), nanesený na pěnách, nanesený na strukturovaném materiálu (voština) a potažení stěn reaktoru

Plasmokatalytický reaktor s packed bed se běžně používá pro základní studie a jeho rozšíření na průmyslové aplikace je obtížné, protože tlaková ztráta se zvyšuje s průtokem.

Interakce plazma-katalyzátorUpravit

V systému PEC může způsob umístění katalyzátoru vůči plazmatu ovlivnit proces různými způsoby. Katalyzátor může pozitivně ovlivňovat plazmu a naopak, což vede k výstupu, kterého nelze dosáhnout použitím každého procesu zvlášť. Vzniklá synergie se připisuje různým křížovým účinkům.

• Vliv plazmatu na katalyzátor:
  • Změna fyzikálně-chemických vlastností. Plazma mění adsorpční/desorpční rovnováhu na povrchu katalyzátoru, což vede k vyšším adsorpčním schopnostem. Výklad tohoto jevu není dosud jasný.
  • Vyšší plocha povrchu katalyzátoru. Katalyzátor vystavený výboji může vést ke vzniku nanočástic. Vyšší poměr povrch/objem vede k lepším výkonům katalyzátoru.
  • Vyšší pravděpodobnost adsorpce.
  • Změna oxidačního stavu katalyzátoru. Některé kovové katalyzátory (např. Ni, Fe) jsou aktivnější ve své kovové formě. Přítomnost plazmového výboje může vyvolat redukci oxidů kovů katalyzátoru, čímž se zlepší katalytická aktivita.
  • Snížená tvorba koksu. Při práci s uhlovodíky vede tvorba koksu k postupné deaktivaci katalyzátoru. Snížená tvorba koksu v přítomnosti plazmatu snižuje míru otravy/deaktivace, a tím prodlužuje životnost katalyzátoru.
  • Přítomnost nových druhů plynné fáze. V plazmovém výboji vzniká široká škála nových druhů, což umožňuje vystavit katalyzátor jejich působení. Ionty, vibračně a rotačně excitované druhy nemají na katalyzátor vliv, protože při dopadu na pevný povrch ztrácejí náboj a dodatečnou energii, kterou mají. Radikály naopak vykazují vysoké koeficienty přilnavosti pro chemisorpci, což zvyšuje katalytickou aktivitu.

• Vliv plazmatu na katalyzátor:
  • Místní zesílení elektrického pole. Tento aspekt souvisí především s konfigurací PEC s napěchovaným ložem. Přítomnost obalového materiálu uvnitř elektrického pole vytváří lokální zesílení pole v důsledku přítomnosti asperitů, nehomogenit povrchu pevného materiálu, přítomnosti pórů a dalších fyzikálních aspektů. Tento jev souvisí s akumulací povrchového náboje na povrchu obalového materiálu a je přítomen i v případě, že je použit obalový materiál bez katalyzátoru. Přestože se jedná o fyzikální aspekt, ovlivňuje také chemii, protože mění rozložení elektronové energie v blízkosti asperitů.
  • Vznik výbojů uvnitř pórů. Tento aspekt úzce souvisí s předchozím. Malé prázdné prostory uvnitř obalového materiálu ovlivňují intenzitu elektrického pole. Toto zesílení může také vést ke změně charakteristik výboje, které se mohou lišit od stavu výboje v objemové oblasti (tj. daleko od pevného materiálu). Vysoká intenzita elektrického pole může také vést k produkci různých druhů, které nejsou pozorovány v objemové části.
  • Změna typu výboje. Vložení dielektrického materiálu do oblasti výboje vede k posunu typu výboje. Z filamentárního režimu vzniká smíšený filamentární/povrchový výboj. Pokud je přítomen režim povrchového výboje, vznikají ionty, excitované druhy a radikály v širší oblasti.

Vliv katalyzátoru na plazma většinou souvisí s přítomností dielektrického materiálu uvnitř oblasti výboje a nevyžaduje nutně přítomnost katalyzátoru

.