Ei-terminen plasma

ElintarviketeollisuusEdit

Elintarviketeollisuudessa ei-terminen plasma (NTP) tai kylmäplasma on nimenomaan mikrobilääkekäsittely, jota tutkitaan sovellettavaksi hedelmiin, vihanneksiin ja lihatuotteisiin, joiden pinnat ovat herkkiä. Näitä elintarvikkeita ei joko desinfioida riittävästi tai ne eivät muuten sovellu käsiteltäviksi kemikaaleilla, lämmöllä tai muilla tavanomaisilla elintarvikkeiden käsittelyvälineillä. Vaikka ei-lämpimän plasman sovellukset keskittyivät aluksi mikrobiologiseen desinfiointiin, uusia sovelluksia, kuten entsyymien inaktivointia, proteiinien muokkausta ja torjunta-aineiden hävittämistä, tutkitaan parhaillaan aktiivisesti. Ei-termistä plasmaa käytetään yhä enemmän myös hampaiden ja käsien steriloinnissa, käsienkuivaimissa sekä itsepuhdistuvissa suodattimissa. Viime aikoina on kiinnitetty paljon huomiota tiettyyn plasmapurkauksen konfiguraatioon, johon liittyy ilman tai tietyn kaasuseoksen ionisointi suljetun pakkauksen sisällä ja jota kutsutaan ”pakkauksen sisäiseksi kylmäksi plasmaksi”.

Termiä kylmä plasma on viime aikoina käytetty kätevänä nimityksenä erottamaan yhden ilmakehän, lähellä huoneenlämpötilaa olevat plasmapurkaukset muista plasmapurkauksista, jotka toimivat sadoilla tai tuhansilla asteilla ympäröivän lämpötilan yläpuolella (vrt. plasma (fysiikka), § Lämpötilat). Elintarvikekäsittelyn yhteydessä termi ”kylmä” voi mahdollisesti synnyttää harhaanjohtavia mielikuvia jäähdytysvaatimuksista osana plasmakäsittelyä. Käytännössä tämä sekaannus ei kuitenkaan ole ollut ongelma. ”Kylmillä plasmoilla” voidaan löyhästi viitata myös heikosti ionisoituneisiin kaasuihin (ionisaatioaste < 0,01 %).

NimikkeistöMuutos

Tieteellisessä kirjallisuudessa esiintyvä nimistö ei-termiselle plasmalle on kirjava. Joissakin tapauksissa plasmaan viitataan sen tuottamiseen käytetyn erityistekniikan mukaan (”liukukaari”, ”plasmakynä”, ”plasmaneula”, ”plasmasuihku”, ”dielektrinen sulkupurkaus”, ”pietsosähköinen suorapurkausplasma” jne.), kun taas toiset nimitykset ovat yleisemmin kuvaavia ja perustuvat tuotetun plasman ominaisuuksiin (”yhden ilmakehän tasainen hehkupurkausplasma”, ”ilmakehäplasma”, ”ympäristön paineessa tapahtuvat ei-lämpöpurkaukset”, ”epätasapainossa olevat ilmakehän paineplasmat” jne.) Kaksi piirrettä, jotka erottavat NTP:n muista kypsistä, teollisesti sovellettavista plasmatekniikoista, on se, että ne ovat 1) ei-lämpöisiä ja 2) toimivat ilmakehän paineessa tai lähellä sitä.

TeknologiatEdit

	NTP-teknologialuokka
	I. Etähoito	II. Suora hoito	III. Elektrodikosketus
Käytetyn NTP:n luonne	Hajoava plasma (jälkihehku) – pidempään elävät kemialliset lajit	Aktiivinen plasma – lyhyt- ja pitkäikäiset lajit	Aktiivinen plasma – kaikki kemialliset lajit, mukaan lukien lyhytikäisimmät ja ionipommitus
NTP:n tiheys ja energia	Mittainen tiheys – kohde kaukana elektrodeista. Suurempi määrä NTP:tä voidaan kuitenkin tuottaa käyttämällä useita elektrodeja	Korkeampi tiheys – kohde aktiivisen NTP:n virran suoralla reitillä	Korkein tiheys – kohde NTP:tä tuottavan kentän sisällä
Kohteen etäisyys NTP:tä tuottavasta elektrodista	Noin. 5 – 20 cm; valokaari (sädepurkaus) ei todennäköisesti kosketa kohdetta millään tehoasetuksella	Noin 1 – 5 cm; valokaari voi esiintyä korkeammilla tehoasetuksilla, voi koskettaa kohdetta	Noin 1 – 5 cm. ≤ 1 cm; elektrodien ja kohteen välille voi syntyä valokaari suuremmilla tehoasetuksilla
Sähkön johtuminen kohteen läpi	Ei	Ei normaalikäytössä, mutta mahdollista valokaaren aikana	Kyllä, jos kohdetta käytetään elektrodina TAI jos asennettujen elektrodien välissä oleva kohde on sähköä johtava
Soveltuvuus epäsäännöllisille pinnoille	Suuri – NTP:n tuottamisen etäinen luonne merkitsee maksimaalista joustavuutta NTP:n jälkihehkuvirran soveltamisessa	Kohtalaisen suuri – NTP siirretään kohteeseen suunnatusti, vaatii joko kohteen kiertämistä tai useita NTP-säteilijöitä	Moderately low – NTP:n tasaisuuden ylläpitäminen edellyttää läheisiä etäisyyksiä. Elektrodit voidaan kuitenkin muotoilla siten, että ne sopivat määritellylle, yhtenäiselle pinnalle.
Esimerkkejä tekniikoista	Kaukovalotusreaktori, plasmakynä	Liukuva kaari; plasmaneula; mikroaalto-indusoitu plasmaputki	Rinnakkaislevyreaktori; neulalevyreaktori; resistiivinen sulkupurkaus; dielektrinen sulkupurkaus
	Gadri et al., 2000. Surface Coatings Technol 131:528-542 Laroussi ja Lu, 2005. Appl. Phys. Lett. 87:113902 Montie et al., 2000. IEEE Trans Plasma Sci 28:41-50	Lee et al., 2005. Surface Coatings Technol 193:35-38 Niemira et al., 2005. P2. IFT NPD Mtg., Wyndmoor, Pennsylvania NIemira et al., 2005. P2-40. IAFP Mtg., Baltimore, Maryland Sladek ja Stoffels, 2005. J Phys D: Appl Phys 38:1716-1721 Stoffels et al., 2002. Plasma Sources Sci. Technol. 11:383-388	Deng et al., 2005. Paper #056149, ASAE Ann. Mtg., Tampa, Florida Kelly-Wintenberg et al., 1999. J. Vac. Sci. Technol. A 17(4):1539-44 Laroussi et al., 2003. New J Phys 5:41.1-41.10 Montenegro et al., 2002. J Food Sci 67:646-648 Niemira et al., 2005. P2. IFT NPD Mtg., Wyndmoor, Pennsylvania NIemira et al., 2005. P2-40. IAFP Mtg., Baltimore, Maryland

MedicineEdit

Pääartikkeli: Plasmalääketiede

Tuleva ala lisää ei-lämpimän plasman ominaisuuksia hammaslääketieteeseen ja lääketieteeseen.

EnergiantuotantoEdit

Pääartikkeli: Magnetohydrodynaaminen generaattori

Katso myös: Sähköterminen epävakaus

Magnetohydrodynaaminen sähköntuotanto, suora energianmuuntomenetelmä magneettikentässä liikkeessä olevasta kuumasta kaasusta kehitettiin 1960- ja 1970-luvuilla pulssitetuilla MHD-generaattoreilla, jotka tunnetaan nimellä shokkiputket, joissa käytettiin epätasapainoplasmoja, joihin kylvettiin alkalimetallihöyryjä (kuten cesiumia kaasujen rajoitetun sähkönjohtavuuden lisäämiseksi), joita lämmitettiin rajoitetussa 2000-4000 kelvinin lämpötilassa (seinämien suojaamiseksi lämpöeroosiolta), mutta joissa elektronit lämmitettiin yli 10 000 kelvinin lämpötilassa.

Erikoinen ja epätavallinen tapaus ”käänteisestä” ei-lämpöisestä plasmasta on Z-koneen tuottama erittäin korkean lämpötilan plasma, jossa ionit ovat paljon kuumempia kuin elektronit.

AerospaceEdit

Pääartikkeli: Magnetohydrodynaaminen muunnin

Katso myös: Paschenin laki

Aerodynaamisia aktiivisia virtauksenohjausratkaisuja, joissa käytetään teknologisia ei-lämpöisiä heikosti ionisoituneita plasmoja aliääni-, yliääni- ja yliäänilentoa varten, tutkitaan plasma-aktuaattoreina sähköhydrodynamiikan alalla ja magnetohydrodynaamisina muuntajina silloin, kun myös magneettikentät ovat mukana.

Tuulitunneleissa tehdyissä tutkimuksissa on useimmiten kyse matalasta ilmanpaineesta, joka vastaa hypersoniselle lennolle tyypillistä 20-50 km:n korkeutta, jossa ilman sähkönjohtavuus on korkeampi, joten ei-lämpöisiä heikosti ionisoituneita plasmoja voidaan tuottaa helposti pienemmillä energiakustannuksilla.

KatalyysiEdit

Atmosfäärin paineessa olevia ei-lämpöisiä plasmoja voidaan käyttää kemiallisten reaktioiden edistämiseen. Kuuman lämpötilan elektronien ja kylmien kaasumolekyylien väliset törmäykset voivat johtaa dissosiaatioreaktioihin ja sitä seuraavien radikaalien muodostumiseen. Tällaisella purkauksella on reagoivia ominaisuuksia, joita tavallisesti nähdään korkean lämpötilan purkausjärjestelmissä. Ei-termistä plasmaa käytetään myös yhdessä katalyytin kanssa tehostamaan reagoivien aineiden kemiallista muuntamista tai muuttamaan tuotteiden kemiallista koostumusta.

Erilaisista sovellusalueista mainittakoon otsonin tuotanto kaupallisella tasolla, saasteiden vähentäminen sekä kiinteissä (hiukkaset, VOC-yhdisteet) että kaasumaisissa (SOx, NOx) kaasuissa, hiilidioksidin muuntaminen polttoaineiksi (metanoliksi, synkaasuksi) tai lisäarvoa tuottaviksi kemiallisiksi aineiksi, typen sitominen, metanolisynteesi, nestemäisten polttoaineiden synteesi kevyemmistä hiilivedyistä (esim.esim. metaani), vedyntuotanto hiilivetyjen reformoinnin avulla

Konfiguraatiot Muokkaa

Kahden eri mekanismin kytkentä voidaan toteuttaa kahdella eri tavalla: kaksivaiheinen konfiguraatio, jota kutsutaan myös plasman jälkeiseksi katalyysiksi (PPC), ja yksivaiheinen konfiguraatio, jota kutsutaan myös plasman sisäiseksi katalyysiksi (IPC, in-plasma catalysis) tai plasmalla tehostetuksi katalyysiksi (PEC, plasma Enhanced Catalysis).”

Ensimmäisessä tapauksessakatalyyttinen reaktori on sijoitettu plasmastokammion jälkeen. Tämä tarkoittaa, että vain pitkäikäiset lajit pääsevät katalyytin pinnalle ja reagoivat, kun taas lyhytikäiset radikaalit, ionit ja innostuneet lajit hajoavat reaktorin ensimmäisessä osassa. Esimerkiksi hapen perustilassa olevan atomin O(3P) elinaika on noin 14 μs kuivassa ilman ilmakehän paineessa olevassa plasmassa. Tämä tarkoittaa, että vain pieni osa katalyytistä on kosketuksissa aktiivisten radikaalien kanssa. Tällaisessa kaksivaiheisessa laitteistossa plasman tärkein tehtävä on muuttaa katalyyttiseen reaktoriin syötettävän kaasun koostumusta. PEC-järjestelmässä synergiavaikutukset ovat suurempia, koska lyhytikäisiä kiihdytettyjä lajeja muodostuu lähellä katalyytin pintaa. Tapa, jolla katalyytti asetetaan PEC-reaktoriin, vaikuttaa kokonaistehoon. Katalyytti voidaan sijoittaa reaktoriin eri tavoin: jauheena (packed bed), vaahtomuovien päälle, strukturoidun materiaalin päälle (hunajakenno) ja reaktorin seinämien pinnoittamiseen

Packed bed -plasmakatalyyttistä reaktoria käytetään yleisesti perustutkimuksiin, ja sen skaalauttaminen teolliseen käyttöön on vaikeaa, koska painehäviö kasvaa virtausnopeuden myötä.

Plasma-katalysaattorin vuorovaikutukset Muokkaa

PEC-järjestelmässä tapa, jolla katalyytti on sijoitettu suhteessa plasmaan, voi vaikuttaa prosessiin eri tavoin. Katalyytti voi vaikuttaa positiivisesti plasmaan ja päinvastoin, mikä johtaa tulokseen, jota ei voida saada käyttämällä kumpaakin prosessia erikseen. Syntynyt synergia johtuu erilaisista ristikkäisvaikutuksista.

Plasman vaikutukset katalyyttiin:
- Muutos fysiokemiallisissa ominaisuuksissa. Plasma muuttaa adsorptio-/desorptiotasapainoa katalyytin pinnalla, mikä johtaa adsorptiokyvyn paranemiseen. Tämän ilmiön tulkinta ei ole vielä selvillä.
- Suurempi katalyytin pinta-ala. Purkaukselle altistettu katalyytti voi synnyttää nanohiukkasten muodostumista. Suurempi pinta/tilavuus-suhde johtaa parempiin katalyyttisuorituskykyihin.
- Suurempi adsorptiotodennäköisyys.
- Katalyytin hapetusasteen muutos. Jotkin metalliset katalyytit (esim. Ni, Fe) ovat aktiivisempia metallisessa muodossaan. Plasmapurkauksen läsnäolo voi saada aikaan katalyytin metallioksidien pelkistymisen, mikä parantaa katalyyttistä aktiivisuutta.
- Vähentynyt koksin muodostuminen. Hiilivetyjä käsiteltäessä koksin muodostuminen johtaa katalyytin asteittaiseen deaktivoitumiseen. Vähentynyt koksinmuodostus plasman läsnä ollessa vähentää myrkytys-/deaktivoitumisnopeutta ja pidentää siten katalyytin käyttöikää.
- Uusien kaasufaasilajien esiintyminen. Plasmapurkauksessa syntyy laaja valikoima uusia lajeja, jolloin katalyytti voi altistua niille. Ionit, värähtely- ja rotaatioherkät lajit eivät vaikuta katalysaattoriin, koska ne menettävät varauksensa ja lisäenergiansa saavuttaessaan kiinteän pinnan. Sen sijaan radikaaleilla on korkeat kemisorption tarttumiskertoimet, mikä lisää katalyyttistä aktiivisuutta.

Katalyytin vaikutukset plasmassa:
- Lokaalinen sähkökentän voimistuminen. Tämä näkökohta liittyy pääasiassa pakattua plasmaa käyttävään PEC-konfiguraatioon. Pakkausmateriaalin läsnäolo sähkökentän sisällä synnyttää paikallisia kentän vahvistuksia, jotka johtuvat asperiteeteista, kiinteän materiaalin pinnan inhomogeenisuudesta, huokosten läsnäolosta ja muista fysikaalisista seikoista. Tämä ilmiö liittyy pintavarauksen kertymiseen pakkausmateriaalin pinnalle, ja sitä esiintyy, vaikka pakattua sänkyä käytettäisiin ilman katalyyttiä. Vaikka kyseessä on fysikaalinen näkökohta, se vaikuttaa myös kemiaan, koska se muuttaa elektronien energiajakaumaa asperiteettien läheisyydessä.
- Purkausten muodostuminen huokosten sisällä. Tämä näkökohta liittyy tiukasti edelliseen. Pienet tyhjätilat pakkausmateriaalin sisällä vaikuttavat sähkökentän voimakkuuteen. Voimistuminen voi myös johtaa muutokseen purkauksen ominaisuuksissa, jotka voivat poiketa irtotavaran alueen (eli kaukana kiinteästä materiaalista) purkaustilanteesta. Sähkökentän suuri voimakkuus voi myös johtaa erilaisten lajien syntymiseen, joita ei havaita bulkissa.
- Purkaustyypin muutos. Dielektrisen materiaalin lisääminen purkausalueelle johtaa purkaustyypin muuttumiseen. Filamentaarisesta järjestelmästä muodostuu sekoitettu filamentaarinen/pintapurkaus. Ioneja, kiihdytettyjä lajeja ja radikaaleja muodostuu laajemmalla alueella, jos käytössä on pintapurkausjärjestelmä.

Katalyytin vaikutukset plasmaan liittyvät useimmiten dielektrisen materiaalin läsnäoloon purkausalueella eivätkä välttämättä edellytä katalyytin läsnäoloa.