Ikke-termisk plasma

FødevareindustriRediger

I forbindelse med fødevareforarbejdning er et ikke-termisk plasma (NTP) eller koldt plasma specifikt en antimikrobiel behandling, der undersøges med henblik på anvendelse på frugt, grøntsager og kødprodukter med skrøbelige overflader. Disse fødevarer er enten ikke tilstrækkeligt desinficeret eller er på anden måde uegnede til behandling med kemikalier, varme eller andre konventionelle værktøjer til fødevareforarbejdning. Mens anvendelsen af ikke-termisk plasma oprindeligt var fokuseret på mikrobiologisk desinfektion, forskes der aktivt i nyere anvendelser såsom enzyminaktivering, proteinmodifikation og pesticidafledning. Ikke-varm plasma anvendes også i stigende grad til sterilisering af tænder og hænder, i håndtørreapparater og i selvdekontaminerende filtre. En særlig konfiguration af plasmaudladning, der indebærer ionisering af luft eller en specifik gasblanding inde i en forseglet emballage, kaldet “koldt plasma i emballage”, har for nylig tiltrukket sig megen opmærksomhed.

Tegningen koldt plasma er for nylig blevet brugt som en bekvem deskriptor til at skelne plasmaudladninger i en atmosfære, nær stuetemperatur, fra andre plasmaer, der opererer ved hundreder eller tusinder af grader over omgivelserne (se Plasma (fysik) § Temperaturer). I forbindelse med fødevareforarbejdning kan udtrykket “koldt” potentielt give et misvisende billede af, at der er behov for køling som en del af plasmabehandlingen. I praksis har denne forvirring dog ikke været et problem. “Kolde plasmaer” kan også løst referere til svagt ioniserede gasser (ioniseringsgrad < 0,01%).

NomenklaturRediger

Nomenklaturen for nonthermisk plasma, der findes i den videnskabelige litteratur, er varieret. I nogle tilfælde omtales plasmaet ved den specifikke teknologi, der er anvendt til at generere det (“glidende lysbue”, “plasmapencil”, “plasmanål”, “plasmajet”, “dielektrisk barriereudladning”, “piezoelektrisk direkte udladningsplasma” osv.), mens andre betegnelser er mere generelt beskrivende, baseret på egenskaberne ved det frembragte plasma (“ensartet glødeudladningsplasma i en atmosfære”, “atmosfærisk plasma”, “ikke-termiske udladninger ved omgivende tryk”, “plasmaer uden ligevægt ved atmosfærisk tryk” osv.) De to egenskaber, der adskiller NTP fra andre modne, industrielt anvendte plasmateknologier, er, at de 1) er ikke-termiske og 2) fungerer ved eller tæt på atmosfæretryk.

TechnologiesEdit

MedicineEdit

Et nyt område tilføjer mulighederne ved ikke-termisk plasma til tandpleje og medicin.

EnergiproduktionRediger

Magnetohydrodynamisk elproduktion, en direkte energiomdannelsesmetode fra en varm gas i bevægelse i et magnetfelt, blev udviklet i 1960’erne og 1970’erne med pulserende MHD-generatorer kendt som chokrør, ved hjælp af ikke-ligevægtsplasmaer, der er udsået med alkalimetaldampe (som cæsium for at øge gassernes begrænsede elektriske ledningsevne) opvarmet ved en begrænset temperatur på 2000 til 4000 kelvin (for at beskytte væggene mod termisk erosion), men hvor elektronerne blev opvarmet ved mere end 10.000 kelvin.

Et særligt og usædvanligt tilfælde af “omvendt” ikke-termisk plasma er det meget høje temperaturplasma, der produceres af Z-maskinen, hvor ionerne er meget varmere end elektronerne.

AerospaceEdit

Aerodynamiske aktive strømningsreguleringsløsninger, der involverer teknologiske ikke-termiske svagt ioniserede plasmaer til subsonisk, supersonisk og hypersonisk flyvning, undersøges, som plasmaaktuatorer inden for elektrohydrodynamik og som magnetohydrodynamiske omformere, når der også er magnetiske felter involveret.

Studier, der udføres i vindtunneler, omfatter for det meste lavt atmosfærisk tryk svarende til en højde på 20-50 km, som er typisk for hypersonisk flyvning, hvor luftens elektriske ledningsevne er højere, og hvor ikke-termiske svagt ioniserede plasmaer derfor let kan fremstilles med en mindre energiudgift.

KatalyseRediger

Atmosfærisk tryks ikke-termiske plasmaer kan bruges til at fremme kemiske reaktioner. Kollisioner mellem elektroner ved varm temperatur og kolde gasmolekyler kan føre til dissocieringsreaktioner og den efterfølgende dannelse af radikaler. Denne form for udladning udviser reaktionsegenskaber, som normalt ses i højtemperaturudladningssystemer. Ikke-termisk plasma anvendes også i forbindelse med en katalysator for yderligere at forbedre den kemiske omdannelse af reaktanterne eller for at ændre produkternes kemiske sammensætning.

Blandt de forskellige anvendelsesområder er der ozonproduktion på kommercielt niveau; forureningsbekæmpelse, både i fast form (PM, VOC) og i gasform (SOx, NOx); CO2-konvertering i brændstoffer (methanol, syngas) eller kemikalier med merværdi; nitrogenfiksering; methanolsyntese; syntese af flydende brændstoffer fra lettere kulbrinter (f.eks.f.eks. metan), fremstilling af brint via reformering af kulbrinter

KonfigurationerRediger

Koblingen mellem de to forskellige mekanismer kan ske på to forskellige måder: totrins-konfiguration, også kaldet post-plasmakatalyse (PPC), og ettrins-konfiguration, også kaldet in-plasmakatalyse (IPC) eller plasmaforstærket katalyse (PEC).

I det første tilfælde er den katalytiske reaktor placeret efter plasmakammeret. Det betyder, at kun de langlivede arter kan nå frem til katalysatoroverfladen og reagere, mens kortlivede radikaler, ioner og exciterede arter henfalder i den første del af reaktoren. Som eksempel kan nævnes, at oxygenatomets grundtilstand O(3P) har en levetid på ca. 14 μs i et plasma ved atmosfærisk tryk i tør luft. Det betyder, at kun et lille område af katalysatoren er i kontakt med aktive radikaler. I et sådant totrinsopstilling er plasmaets vigtigste rolle at ændre gassammensætningen, der tilføres den katalytiske reaktor. I et PEC-system er de synergistiske virkninger større, da der dannes kortlivede exciterede arter nær katalysatoroverfladen. Den måde, hvorpå katalysatoren er indsat i PEC-reaktoren, har indflydelse på den samlede ydeevne. Katalysatoren kan anbringes i reaktoren på forskellige måder: i pulverform (pakket bed), deponeret på skum, deponeret på struktureret materiale (honeycomb) og belægning af reaktorvæggene

Pakket bed plasma-katalytisk reaktor anvendes almindeligvis til grundlæggende undersøgelser, og en opskalering til industrielle anvendelser er vanskelig, da tryktabet stiger med strømningshastigheden.

Plasma-katalyseinteraktionerRediger

I et PEC-system kan den måde, hvorpå katalysatoren er placeret i forhold til plasmaet, påvirke processen på forskellige måder. Katalysatoren kan påvirke plasmaet positivt og omvendt, hvilket resulterer i et output, som ikke kan opnås ved at anvende hver proces for sig. Den synergi, der etableres, tilskrives forskellige krydseffekter.

• Plasmaeffekter på katalysator:
  • Ændring af de fysikalkemiske egenskaber. Plasma ændrer adsorptions/desorptionsligevægten på katalysatorens overflade, hvilket fører til højere adsorptionsevne. En fortolkning af dette fænomen er endnu ikke klar.
  • Større katalysatoroverflade. En katalysator, der udsættes for en udladning, kan give anledning til dannelse af nanopartikler. Det højere overflade/volumen-forhold fører til bedre katalysatorpræstationer.
  • Højere adsorptionssandsynlighed.
  • Ændring i katalysatorens oxidationstilstand. Nogle metalliske katalysatorer (f.eks. Ni, Fe) er mere aktive i deres metalliske form. Tilstedeværelsen af en plasmaudladning kan fremkalde en reduktion af katalysatorens metaloxider, hvilket forbedrer den katalytiske aktivitet.
  • Reduceret koksdannelse. Ved behandling af carbonhydrider fører koksdannelse til en gradvis deaktivering af katalysatoren. Den reducerede koksdannelse ved tilstedeværelse af plasma reducerer forgiftnings-/deaktiveringshastigheden og forlænger dermed katalysatorens levetid.
  • Forekomst af nye gasfasearter. I en plasmaudladning dannes en lang række nye arter, som katalysatoren kan blive udsat for. Ioner, vibrerende og roterende exciterede arter påvirker ikke katalysatoren, da de mister ladning og den ekstra energi, de besidder, når de når en fast overflade. Radikaler viser derimod høje klæbekoefficienter for kemisorption, hvilket øger den katalytiske aktivitet.

• Katalysatorens virkninger på plasma:
  • Lokal elektrisk feltforstærkning. Dette aspekt er hovedsagelig relateret til en PEC-konfiguration med et pakket bed. Tilstedeværelsen af et pakkemateriale inden for et elektrisk felt skaber lokale feltforbedringer på grund af tilstedeværelsen af asperiteter, inhomogeniteter på overfladen af fast materiale, tilstedeværelsen af porer og andre fysiske aspekter. Dette fænomen er relateret til akkumulering af overfladeladninger på overfladen af pakkematerialet og er til stede, selv om et pakket bed anvendes uden en katalysator. Selv om det er et fysisk aspekt, påvirker det også kemien, da det ændrer elektronenergifordelingen i nærheden af asperiteterne.
  • Udladningsdannelse i porerne. Dette aspekt er nært forbundet med det foregående. Små hulrum inde i et pakningsmateriale påvirker styrken af det elektriske felt. Forbedringen kan også føre til en ændring i udladningsegenskaberne, som kan være forskellige fra udladningstilstanden i bulkområdet (dvs. langt fra det faste materiale). Den høje intensitet af det elektriske felt kan også føre til produktion af forskellige arter, som ikke observeres i bulkområdet.
  • Ændring i udladningstypen. Indsættelse af et dielektrisk materiale i et udladningsområde fører til et skift i udladningstypen. Fra et filamentært regime etableres en blandet filamentær/overfladeudladning. Ioner, exciterede arter og radikaler dannes i et større område, hvis der er tale om en overfladeudladning.

Katalysatorvirkninger på plasma er for det meste relateret til tilstedeværelsen af et dielektrisk materiale inde i udladningsområdet og kræver ikke nødvendigvis tilstedeværelsen af en katalysator.