LebensmittelindustrieEdit
Im Zusammenhang mit der Lebensmittelverarbeitung ist ein nichtthermisches Plasma (NTP) oder kaltes Plasma insbesondere eine antimikrobielle Behandlung, die für die Anwendung bei Obst, Gemüse und Fleischprodukten mit empfindlichen Oberflächen untersucht wird. Diese Lebensmittel sind entweder nicht ausreichend desinfiziert oder aus anderen Gründen nicht für die Behandlung mit Chemikalien, Hitze oder anderen konventionellen Lebensmittelverarbeitungsmethoden geeignet. Während sich die Anwendungen des nichtthermischen Plasmas zunächst auf die mikrobiologische Desinfektion konzentrierten, werden neuere Anwendungen wie die Inaktivierung von Enzymen, die Veränderung von Proteinen und der Abbau von Pestiziden aktiv erforscht. Auch bei der Sterilisation von Zähnen und Händen, in Händetrocknern sowie in selbstdekontaminierenden Filtern findet nichtthermisches Plasma zunehmend Verwendung. Eine besondere Form der Plasmaentladung, bei der Luft oder ein bestimmtes Gasgemisch im Inneren einer versiegelten Verpackung ionisiert wird, hat in letzter Zeit viel Aufmerksamkeit auf sich gezogen.
Der Begriff „kaltes Plasma“ wurde in letzter Zeit als geeignete Bezeichnung verwendet, um die Plasmaentladungen mit einer Atmosphäre und nahezu Raumtemperatur von anderen Plasmen zu unterscheiden, die bei Hunderten oder Tausenden von Grad über der Umgebungstemperatur arbeiten (siehe Plasma (Physik) § Temperaturen). Im Zusammenhang mit der Lebensmittelverarbeitung kann der Begriff „kalt“ zu irreführenden Vorstellungen über den Kühlungsbedarf als Teil der Plasmabehandlung führen. In der Praxis hat sich diese Verwechslung jedoch nicht bewahrheitet. „Kalte Plasmen“ können sich auch lose auf schwach ionisierte Gase beziehen (Ionisierungsgrad < 0,01 %).
NomenklaturBearbeiten
Die Nomenklatur für nichtthermische Plasmen in der wissenschaftlichen Literatur ist vielfältig. In einigen Fällen wird das Plasma mit der spezifischen Technologie bezeichnet, mit der es erzeugt wird („Gleitlichtbogen“, „Plasmastift“, „Plasmanadel“, „Plasmastrahl“, „dielektrische Barriereentladung“, „piezoelektrisches Direktentladungsplasma“ usw.), während andere Bezeichnungen allgemeiner gehalten sind und sich auf die Eigenschaften des erzeugten Plasmas beziehen („Gleichmäßiges Glimmentladungsplasma bei einer Atmosphäre“, „atmosphärisches Plasma“, „nichtthermische Entladungen bei Umgebungsdruck“, „Nichtgleichgewichtsplasmen bei atmosphärischem Druck“ usw.). Die beiden Merkmale, die NTP von anderen ausgereiften, industriell angewandten Plasmatechnologien unterscheiden, sind, dass sie 1) nichtthermisch sind und 2) bei oder nahe Atmosphärendruck arbeiten.
TechnologienBearbeiten
| NTP-Technologieklasse | |||
|---|---|---|---|
| I. Fernbehandlung | II. Direkte Behandlung | III. Elektrodenkontakt | |
| Natur des angewandten NTP | Abklingendes Plasma (Nachglühen) – längerlebige chemische Spezies | Aktives Plasma – kurz- und langlebige Spezies | Aktives Plasma – alle chemischen Spezies, einschließlich kurzlebiger und Ionenbeschuss |
| NTP-Dichte und -Energie | Mäßige Dichte – Ziel entfernt von Elektroden. Mit mehreren Elektroden kann jedoch ein größeres NTP-Volumen erzeugt werden | Höhere Dichte – Ziel im direkten Pfad eines Stroms von aktivem NTP | Höchste Dichte – Ziel innerhalb des NTP-Erzeugungsfeldes |
| Abstand des Ziels von der NTP-erzeugenden Elektrode | ca. 5 – 20 cm; es ist unwahrscheinlich, dass Lichtbögen (fadenförmige Entladungen) das Ziel bei jeder Leistungseinstellung berühren | ca. 1 – 5 cm; bei höheren Leistungseinstellungen können Lichtbögen auftreten, die das Ziel berühren können | ca. ≤ 1 cm; Lichtbogenbildung kann bei höheren Leistungseinstellungen zwischen Elektroden und Zielobjekt auftreten |
| Elektrische Leitung durch das Zielobjekt | Nein | Nicht bei normalem Betrieb, aber möglich bei Lichtbogenbildung | Ja, wenn das Target als Elektrode verwendet wird ODER wenn das Target zwischen den montierten Elektroden elektrisch leitfähig ist |
| Eignung für unregelmäßige Oberflächen | Hoch – die entfernte Art der NTP-Erzeugung bedeutet maximale Flexibilität bei der Anwendung des NTP-Nachglühstroms | Mäßig hoch – NTP wird in einer gerichteten Weise zum Target geleitet, erfordert entweder eine Drehung des Ziels oder mehrere NTP-Emitter | Mäßig niedrig – ein enger Abstand ist erforderlich, um die NTP-Gleichmäßigkeit zu erhalten. Die Elektroden können jedoch so geformt werden, dass sie auf eine definierte, gleichmäßige Oberfläche passen. |
| Technologiebeispiele | Fernbelichtungsreaktor, Plasmastift | Gleitlichtbogen; Plasmanadel; Mikrowellen-induzierte Plasmaröhre | Parallelplattenreaktor; Nadel-Platten-Reaktor; resistive Barriereentladung; dielektrische Barriereentladung |
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MedicineEdit
Ein aufstrebendes Feld erweitert die Möglichkeiten von nichtthermischem Plasma in der Zahnmedizin und Medizin.
EnergieerzeugungBearbeiten
Die magnetohydrodynamische Stromerzeugung, eine Methode zur direkten Energieumwandlung aus einem heißen Gas, das sich in einem Magnetfeld bewegt, wurde in den 1960er und 1970er Jahren mit gepulsten MHD-Generatoren, den sogenannten Shock Tubes, entwickelt, unter Verwendung von Nichtgleichgewichtsplasmen, die mit Alkalimetalldämpfen (wie Cäsium, um die begrenzte elektrische Leitfähigkeit von Gasen zu erhöhen) geimpft und auf eine begrenzte Temperatur von 2000 bis 4000 Kelvin erhitzt wurden (um die Wände vor thermischer Erosion zu schützen), wobei die Elektronen jedoch mit mehr als 10.000 Kelvin erhitzt wurden.
Ein besonderer und ungewöhnlicher Fall eines „inversen“ nichtthermischen Plasmas ist das von der Z-Maschine erzeugte Hochtemperaturplasma, bei dem Ionen viel heißer sind als Elektronen.
Luft- und RaumfahrtBearbeiten
Aerodynamische Lösungen zur aktiven Strömungssteuerung mit technologischen, nichtthermischen, schwach ionisierten Plasmen für den Unter-, Über- und Hyperschallflug werden untersucht, als Plasmaaktuatoren im Bereich der Elektrohydrodynamik und als magnetohydrodynamische Wandler, wenn auch Magnetfelder beteiligt sind.
Bei den in Windkanälen durchgeführten Studien herrscht meist ein niedriger Atmosphärendruck ähnlich der für Hyperschallflüge typischen Höhe von 20-50 km, in der die elektrische Leitfähigkeit der Luft höher ist, so dass nichtthermische, schwach ionisierte Plasmen leicht und mit geringerem Energieaufwand erzeugt werden können.
KatalyseEdit
Nichtthermische Plasmen bei Atmosphärendruck können zur Förderung chemischer Reaktionen eingesetzt werden. Kollisionen zwischen Elektronen mit hoher Temperatur und kalten Gasmolekülen können zu Dissoziationsreaktionen und der anschließenden Bildung von Radikalen führen. Diese Art der Entladung weist reaktive Eigenschaften auf, die normalerweise in Hochtemperatur-Entladungssystemen zu beobachten sind. Nicht-thermisches Plasma wird auch in Verbindung mit einem Katalysator eingesetzt, um die chemische Umwandlung von Reaktanten weiter zu verbessern oder die chemische Zusammensetzung der Produkte zu verändern.
Zu den verschiedenen Anwendungsbereichen gehören die Ozonerzeugung auf kommerzieller Ebene, die Bekämpfung der Umweltverschmutzung, sowohl in fester (PM, VOC) als auch in gasförmiger Form (SOx, NOx), die Umwandlung von CO2 in Kraftstoffe (Methanol, Synthesegas) oder Chemikalien mit hohem Mehrwert, die Stickstofffixierung, die Methanolsynthese, die Synthese flüssiger Kraftstoffe aus leichteren Kohlenwasserstoffen (z. B. Methan), die Wasserstofferzeugung und die Herstellung von Wasserstoff.z.B. Methan), Wasserstofferzeugung durch Reformierung von Kohlenwasserstoffen
KonfigurationenBearbeiten
Die Kopplung zwischen den beiden verschiedenen Mechanismen kann auf zwei verschiedene Arten erfolgen: zweistufige Konfiguration, auch Post-Plasma-Katalyse (PPC) genannt, und einstufige Konfiguration, auch In-Plasma-Katalyse (IPC) oder plasmaunterstützte Katalyse (PEC) genannt.
Im ersten Fall ist der katalytische Reaktor nach der Plasmakammer angeordnet. Dies bedeutet, dass nur die langlebigen Spezies die Katalysatoroberfläche erreichen und reagieren können, während kurzlebige Radikale, Ionen und angeregte Spezies im ersten Teil des Reaktors zerfallen. So hat beispielsweise das Sauerstoffatom O(3P) im Grundzustand eine Lebensdauer von etwa 14 μs in einem trockenen Luftplasma bei atmosphärischem Druck. Dies bedeutet, dass nur ein kleiner Bereich des Katalysators mit aktiven Radikalen in Kontakt ist. In einer solchen zweistufigen Anlage besteht die Hauptaufgabe des Plasmas darin, die dem katalytischen Reaktor zugeführte Gaszusammensetzung zu verändern. In einem PEC-System sind die Synergieeffekte größer, da kurzlebige angeregte Spezies in der Nähe der Katalysatoroberfläche gebildet werden. Die Art und Weise, wie der Katalysator in den PEC-Reaktor eingesetzt wird, beeinflusst die Gesamtleistung. Er kann auf verschiedene Weise in den Reaktor eingebracht werden: in Pulverform (Packed Bed), auf Schaumstoff, auf strukturiertem Material (Waben) und als Beschichtung der Reaktorwände
Packed Bed Plasma-Catalytic Reactor werden üblicherweise für Grundlagenstudien verwendet, und ein Scale-up auf industrielle Anwendungen ist schwierig, da der Druckabfall mit der Durchflussrate zunimmt.
Wechselwirkungen zwischen Plasma und KatalyseBearbeiten
In einem PEC-System kann die Positionierung des Katalysators im Verhältnis zum Plasma den Prozess auf unterschiedliche Weise beeinflussen. Der Katalysator kann das Plasma positiv beeinflussen und umgekehrt, was zu einem Ergebnis führt, das mit jedem einzelnen Verfahren nicht erreicht werden kann. Die entstehende Synergie wird auf verschiedene Wechselwirkungen zurückgeführt.
- Auswirkungen des Plasmas auf den Katalysator:
- Veränderung der physiochemischen Eigenschaften. Plasma verändert das Adsorptions-/Desorptionsgleichgewicht auf der Katalysatoroberfläche, was zu einer höheren Adsorptionsfähigkeit führt. Eine Interpretation dieses Phänomens ist noch nicht klar.
- Größere Katalysatoroberfläche. Ein Katalysator, der einer Entladung ausgesetzt ist, kann zur Bildung von Nanopartikeln führen. Ein höheres Verhältnis von Oberfläche zu Volumen führt zu besseren Katalysatorleistungen.
- Höhere Adsorptionswahrscheinlichkeit.
- Änderung des Oxidationszustands des Katalysators. Einige metallische Katalysatoren (z. B. Ni, Fe) sind in ihrer metallischen Form aktiver. Das Vorhandensein einer Plasmaentladung kann eine Reduktion der Metalloxide des Katalysators bewirken, wodurch die katalytische Aktivität verbessert wird.
- Geringere Koksbildung. Beim Umgang mit Kohlenwasserstoffen führt die Koksbildung zu einer fortschreitenden Deaktivierung des Katalysators. Die verringerte Koksbildung in Gegenwart von Plasma reduziert die Vergiftungs-/Deaktivierungsrate und verlängert somit die Lebensdauer des Katalysators.
- Vorhandensein neuer Gasphasenspezies. In einer Plasmaentladung wird eine breite Palette neuer Spezies erzeugt, denen der Katalysator ausgesetzt werden kann. Ionen, schwingungs- und rotationsangeregte Spezies beeinträchtigen den Katalysator nicht, da sie ihre Ladung und die zusätzliche Energie, die sie besitzen, verlieren, wenn sie eine feste Oberfläche erreichen. Radikale hingegen weisen hohe Haftungskoeffizienten für die Chemisorption auf, was die katalytische Aktivität erhöht.
- Katalysatorwirkungen auf das Plasma:
- Lokale Verstärkung des elektrischen Feldes. Dieser Aspekt bezieht sich hauptsächlich auf eine PEC-Konfiguration mit gepacktem Bett. Das Vorhandensein eines Packungsmaterials innerhalb eines elektrischen Feldes erzeugt lokale Feldverstärkungen aufgrund von Unebenheiten, Inhomogenitäten der Feststoffoberfläche, Poren und anderen physikalischen Aspekten. Dieses Phänomen hängt mit der Akkumulation von Oberflächenladungen auf der Oberfläche des Füllkörpers zusammen und tritt auch dann auf, wenn ein Füllkörperbett ohne Katalysator verwendet wird. Obwohl es sich hierbei um einen physikalischen Aspekt handelt, wirkt er sich auch auf die Chemie aus, da er die Elektronenenergieverteilung in der Nähe der Unebenheiten verändert.
- Bildung von Entladungen in den Poren. Dieser Aspekt ist eng mit dem vorhergehenden verbunden. Kleine Hohlräume innerhalb eines Packungsmaterials beeinflussen die elektrische Feldstärke. Die Verstärkung kann auch zu einer Veränderung der Entladungseigenschaften führen, die sich von den Entladungsbedingungen im Bulk-Bereich (d. h. weit entfernt vom festen Material) unterscheiden können. Die hohe Intensität des elektrischen Feldes kann auch zur Erzeugung verschiedener Spezies führen, die in der Masse nicht beobachtet werden.
- Änderung der Entladungsart. Das Einbringen eines dielektrischen Materials in einen Entladungsbereich führt zu einer Verschiebung des Entladungstyps. Aus einem fadenförmigen Regime wird eine gemischte fadenförmige/Oberflächenentladung. Ionen, angeregte Spezies und Radikale werden in einem größeren Bereich gebildet, wenn ein Oberflächenentladungsregime vorhanden ist.
Katalysatoreffekte auf das Plasma hängen meist mit dem Vorhandensein eines dielektrischen Materials im Entladungsbereich zusammen und erfordern nicht unbedingt das Vorhandensein eines Katalysators.