Industria alimentariaEditar
En el contexto del procesamiento de alimentos, un plasma no térmico (PNT) o plasma frío es específicamente un tratamiento antimicrobiano que se está investigando para aplicarlo a frutas, verduras y productos cárnicos con superficies frágiles. Estos alimentos no están adecuadamente desinfectados o son inadecuados para el tratamiento con productos químicos, calor u otras herramientas convencionales de procesamiento de alimentos. Aunque las aplicaciones del plasma no térmico se centraron inicialmente en la desinfección microbiológica, se están investigando activamente nuevas aplicaciones como la inactivación de enzimas, la modificación de proteínas y la disipación de pesticidas. El plasma no térmico también se utiliza cada vez más en la esterilización de dientes y manos, en secadores de manos y en filtros autodescontaminantes. Una configuración particular de descarga de plasma que implica la ionización del aire o de una mezcla de gas específica dentro de un paquete sellado, denominada «plasma frío en el paquete», ha atraído recientemente mucha atención.
El término plasma frío se ha utilizado recientemente como un descriptor conveniente para distinguir las descargas de plasma de una atmósfera, cerca de la temperatura ambiente, de otros plasmas que operan a cientos o miles de grados por encima del ambiente (véase Plasma (física) § Temperaturas). En el contexto del procesamiento de alimentos, el término «frío» puede generar imágenes engañosas de los requisitos de refrigeración como parte del tratamiento con plasma. Sin embargo, en la práctica esta confusión no ha sido un problema. «Plasmas fríos» también puede referirse vagamente a gases débilmente ionizados (grado de ionización < 0,01%).
NomenclaturaEditar
La nomenclatura del plasma no térmico que se encuentra en la literatura científica es variada. En algunos casos, se hace referencia al plasma por la tecnología específica utilizada para generarlo («arco deslizante», «lápiz de plasma», «aguja de plasma», «chorro de plasma», «descarga de barrera dieléctrica», «plasma de descarga directa piezoeléctrica», etc.), mientras que otras denominaciones son más generalmente descriptivas, basadas en las características del plasma generado («plasma de descarga luminosa uniforme de una atmósfera», «plasma atmosférico», «descargas no térmicas a presión ambiental», «plasmas a presión atmosférica de no equilibrio», etc.). Las dos características que distinguen a los NTP de otras tecnologías de plasma maduras y de aplicación industrial, es que son 1) no térmicos y 2) operan a presión atmosférica o cerca de ella.
TecnologíasEditar
| Clase de tecnología NTP | |||
|---|---|---|---|
| I. Tratamiento a distancia | II. Tratamiento directo | III. Contacto con electrodos | |
| Naturaleza del NTP aplicado | Plasma en descomposición (afterglow) – especies químicas de vida más larga | Plasma activo – especies de vida corta y larga | Plasma activo – todas las especies químicas, incluyendo las de vida más corta y el bombardeo de iones |
| Densidad y energía del NTP | Densidad moderada – objetivo alejado de los electrodos. Sin embargo, se puede generar un mayor volumen de NTP utilizando múltiples electrodos | Densidad más alta – objetivo en la trayectoria directa de un flujo de NTP activo | Densidad más alta – objetivo dentro del campo de generación de NTP |
| Distancia del objetivo del electrodo generador de NTP | Aprox. 5 – 20 cm; es poco probable que el arco (descarga filamentosa) entre en contacto con el objetivo en cualquier ajuste de potencia | Aproximadamente 1 – 5 cm; el arco puede ocurrir en ajustes de potencia más altos, puede entrar en contacto con el objetivo | Aproximadamente. ≤ 1 cm; puede producirse un arco entre los electrodos y el blanco con ajustes de potencia más elevados |
| Conducción eléctrica a través del blanco | No | No en condiciones normales de funcionamiento, pero es posible durante la formación del arco | Sí, si el blanco se utiliza como electrodo O si el blanco entre los electrodos montados es eléctricamente conductor |
| Adecuación para superficies irregulares | Alta – la naturaleza remota de la generación de NTP significa la máxima flexibilidad de aplicación del flujo de resplandor posterior de NTP | Moderadamente alta – el NTP se transmite al blanco de manera direccional, requiere la rotación del objetivo o múltiples emisores de NTP | Moderadamente bajo – se requiere un espaciado estrecho para mantener la uniformidad del NTP. Sin embargo, los electrodos pueden ser moldeados para adaptarse a una superficie definida y consistente. |
| Ejemplos de tecnologías | Reactor de exposición remota, lápiz de plasma | Arco deslizante; aguja de plasma; tubo de plasma inducido por microondas | Reactor de placa paralela; reactor de placa de aguja; descarga de barrera resistiva; descarga de barrera dieléctrica |
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MedicineEdit
Un campo emergente añade las capacidades del plasma no térmico a la odontología y la medicina.
Generación de energíaEditar
La generación de energía magnetohidrodinámica, un método de conversión directa de energía a partir de un gas caliente en movimiento dentro de un campo magnético se desarrolló en las décadas de 1960 y 1970 con generadores MHD pulsados conocidos como tubos de choque, utilizando plasmas de no equilibrio sembrados con vapores de metales alcalinos (como el cesio, para aumentar la limitada conductividad eléctrica de los gases) calentados a una temperatura limitada de 2000 a 4000 kelvins (para proteger las paredes de la erosión térmica) pero en los que los electrones se calentaban a más de 10.000 kelvins.
Un caso particular e inusual de plasma no térmico «inverso» es el plasma de muy alta temperatura producido por la máquina Z, donde los iones son mucho más calientes que los electrones.
AeroespacialEditar
Se están estudiando soluciones de control activo del flujo aerodinámico que implican plasmas tecnológicos no térmicos débilmente ionizados para el vuelo subsónico, supersónico e hipersónico, como actuadores de plasma en el campo de la electrohidrodinámica, y como convertidores magnetohidrodinámicos cuando también intervienen campos magnéticos.
Los estudios realizados en túneles de viento implican la mayoría de las veces una baja presión atmosférica similar a la de una altitud de 20-50 km, típica del vuelo hipersónico, donde la conductividad eléctrica del aire es mayor, por lo que se pueden producir fácilmente plasmas no térmicos débilmente ionizados con un menor gasto energético.
CatálisisEditar
El plasma no térmico a presión atmosférica puede utilizarse para promover reacciones químicas. Las colisiones entre los electrones de temperatura caliente y las moléculas de gas frío pueden dar lugar a reacciones de disociación y a la posterior formación de radicales. Este tipo de descarga presenta propiedades de reacción que suelen observarse en los sistemas de descarga de alta temperatura. El plasma no térmico también se utiliza junto con un catalizador para mejorar la conversión química de los reactivos o para alterar la composición química de los productos.
Entre los diferentes campos de aplicación, se encuentran la producción de ozono a nivel comercial; la reducción de la contaminación, tanto sólida (PM, VOC) como gaseosa (SOx, NOx); la conversión de CO2 en combustibles (metanol, syngas) o productos químicos de valor añadido; la fijación de nitrógeno; la síntesis de metanol; la síntesis de combustibles líquidos a partir de hidrocarburos más ligeros (por ejemplo, el metano), el hidrógeno y la reducción de la contaminación.p. ej. metano), producción de hidrógeno a través del reformado de hidrocarburos
ConfiguracionesEditar
El acoplamiento entre los dos mecanismos diferentes puede hacerse de dos maneras distintas: configuración de dos etapas, también llamada catálisis post-plasma (PPC) y configuración de una etapa, también llamada catálisis en el plasma (IPC) o catálisis mejorada por plasma (PEC).
En el primer caso el reactor catalítico se coloca después de la cámara de plasma. Esto significa que sólo las especies de vida larga pueden llegar a la superficie del catalizador y reaccionar, mientras que los radicales de vida corta, los iones y las especies excitadas se descomponen en la primera parte del reactor. Como ejemplo, el átomo de oxígeno en estado básico O(3P) tiene un tiempo de vida de unos 14 μs en un plasma de aire seco a presión atmosférica. Esto significa que sólo una pequeña región del catalizador está en contacto con los radicales activos. En una configuración de dos etapas de este tipo, el papel principal del plasma es alterar la composición del gas alimentado al reactor catalítico. En un sistema PEC, los efectos sinérgicos son mayores ya que se forman especies excitadas de corta duración cerca de la superficie del catalizador. La forma de insertar el catalizador en el reactor PEC influye en el rendimiento global. Puede colocarse dentro del reactor de diferentes maneras: en forma de polvo (lecho empacado), depositado sobre espumas, depositado sobre material estructurado (nido de abeja), y recubriendo las paredes del reactor
Los reactores plasma-catalíticos de lecho empacado se utilizan comúnmente para estudios fundamentales y su ampliación a aplicaciones industriales es difícil ya que la caída de presión aumenta con el caudal.
Interacciones plasma-catálisisEditar
En un sistema PEC, la forma en que el catalizador se coloca en relación con el plasma puede afectar el proceso de diferentes maneras. El catalizador puede influir positivamente en el plasma y viceversa dando lugar a un resultado que no puede obtenerse utilizando cada proceso por separado. La sinergia que se establece se atribuye a diferentes efectos cruzados.
- Efectos del plasma sobre el catalizador:
- Cambio en las propiedades fisicoquímicas. El plasma cambia el equilibrio de adsorción/desorción en la superficie del catalizador, lo que conduce a una mayor capacidad de adsorción. La interpretación de este fenómeno aún no está clara.
- Mayor superficie del catalizador. Un catalizador expuesto a una descarga puede dar lugar a la formación de nanopartículas. La mayor relación superficie/volumen conduce a un mejor rendimiento del catalizador.
- Mayor probabilidad de adsorción.
- Cambio en el estado de oxidación del catalizador. Algunos catalizadores metálicos (por ejemplo, Ni, Fe) son más activos en su forma metálica. La presencia de una descarga de plasma puede inducir una reducción de los óxidos metálicos del catalizador, mejorando la actividad catalítica.
- Reducción de la formación de coque. Cuando se trata de hidrocarburos, la formación de coque conduce a una desactivación progresiva del catalizador. La menor formación de coque en presencia de plasma reduce la tasa de envenenamiento/desactivación y, por tanto, prolonga la vida de un catalizador.
- Presencia de nuevas especies en fase gaseosa. En una descarga de plasma se produce una amplia gama de nuevas especies que permiten que el catalizador esté expuesto a ellas. Los iones y las especies vibracionalmente y rotacionalmente excitadas no afectan al catalizador ya que pierden carga y la energía adicional que poseen al llegar a una superficie sólida. Los radicales, en cambio, presentan elevados coeficientes de adherencia por quimisorción, aumentando la actividad catalítica.
- Efectos del catalizador sobre el plasma:
- Aumento del campo eléctrico local. Este aspecto está relacionado principalmente con una configuración PEC de lecho empacado. La presencia de un material empaquetado dentro de un campo eléctrico genera aumentos locales del campo debido a la presencia de asperidades, inhomogeneidades de la superficie del material sólido, presencia de poros y otros aspectos físicos. Este fenómeno está relacionado con la acumulación de cargas superficiales en la superficie del material de empaquetamiento y está presente incluso si se utiliza un lecho de empaquetamiento sin catalizador. A pesar de ser un aspecto físico, también afecta a la química ya que altera la distribución de energía de los electrones en la proximidad de las asperidades.
- Formación de descargas en el interior de los poros. Este aspecto está estrictamente relacionado con el anterior. Los pequeños espacios vacíos dentro de un material de empaquetamiento afectan a la intensidad del campo eléctrico. El aumento también puede conducir a un cambio en las características de la descarga, que puede ser diferente de la condición de descarga de la región del bulto (es decir, lejos del material sólido). La alta intensidad del campo eléctrico también puede conducir a la producción de diferentes especies que no se observan en el bulto.
- Cambio en el tipo de descarga. La inserción de un material dieléctrico en una región de descarga conduce a un cambio en el tipo de descarga. De un régimen filamentario se pasa a una descarga mixta filamentaria/superficial. Los iones, las especies excitadas y los radicales se forman en una región más amplia si existe un régimen de descarga superficial.
Los efectos de los catalizadores en el plasma están principalmente relacionados con la presencia de un material dieléctrico dentro de la región de descarga y no requieren necesariamente la presencia de un catalizador.