Industrie alimentaireEdit
Dans le contexte de la transformation des aliments, un plasma non thermique (PNT) ou plasma froid est spécifiquement un traitement antimicrobien étudié pour être appliqué aux fruits, aux légumes et aux produits carnés dont les surfaces sont fragiles. Ces aliments ne sont pas suffisamment désinfectés ou ne peuvent pas être traités par des produits chimiques, la chaleur ou d’autres outils de traitement alimentaire conventionnels. Si les applications du plasma non thermique étaient initialement axées sur la désinfection microbiologique, de nouvelles applications telles que l’inactivation des enzymes, la modification des protéines et la dissipation des pesticides font l’objet de recherches actives. Le plasma non thermique est également de plus en plus utilisé dans la stérilisation des dents et des mains, dans les sèche-mains ainsi que dans les filtres autodécontaminants. Une configuration particulière de décharge plasma impliquant l’ionisation de l’air ou d’un mélange gazeux spécifique à l’intérieur d’un emballage scellé, appelée « plasma froid dans l’emballage » a récemment attiré beaucoup d’attention.
Le terme plasma froid a été récemment utilisé comme un descripteur pratique pour distinguer les décharges plasma à une atmosphère, proche de la température ambiante, des autres plasmas, fonctionnant à des centaines ou des milliers de degrés au-dessus de l’ambiante (voir Plasma (physique) § Températures). Dans le contexte de la transformation des aliments, le terme « froid » peut potentiellement engendrer des images trompeuses sur les besoins de réfrigération dans le cadre du traitement par plasma. Toutefois, dans la pratique, cette confusion n’a pas été un problème. « Les plasmas froids » peuvent également désigner de manière vague des gaz faiblement ionisés (degré d’ionisation < 0,01%).
NomenclatureEdit
La nomenclature du plasma non thermique que l’on trouve dans la littérature scientifique est variée. Dans certains cas, le plasma est désigné par la technologie spécifique utilisée pour le générer (« arc glissant », « crayon plasma », « aiguille plasma », « jet plasma », « décharge à barrière diélectrique », « plasma à décharge directe piézoélectrique », etc.), tandis que d’autres noms sont plus généralement descriptifs, basés sur les caractéristiques du plasma généré (« plasma à décharge luminescente uniforme dans une atmosphère », « plasma atmosphérique », « décharges non thermiques à pression ambiante », « plasmas à pression atmosphérique non équilibrée », etc.) Les deux caractéristiques qui distinguent les NTP des autres technologies de plasma matures et appliquées industriellement, sont qu’ils sont 1) non thermiques et 2) fonctionnent à ou près de la pression atmosphérique.
TechnologiesEdit
| Classe de technologie NTP | |||
|---|---|---|---|
| I. Traitement à distance | II. Traitement direct | III. Contact avec l’électrode | |
| Nature du PNT appliqué | Plasma décroissant (rémanence) – espèces chimiques à plus longue durée de vie | Plasma actif – espèces à courte et longue durée de vie | Plasma actif – toutes les espèces chimiques, y compris les plus courtes et le bombardement ionique |
| Densité et énergie du NTP | Densité modérée – cible éloignée des électrodes. Cependant, un plus grand volume de NTP peut être généré en utilisant plusieurs électrodes | Densité plus élevée – cible dans le chemin direct d’un flux de NTP actif | Densité la plus élevée – cible dans le champ de génération de NTP |
| Espacement de la cible par rapport à l’électrode générant le NTP | Approx. 5 – 20 cm ; arc (décharge filamenteuse) peu susceptible d’entrer en contact avec la cible, quel que soit le réglage de puissance | Approximativement 1 – 5 cm ; l’arc peut se produire à des réglages de puissance plus élevés, peut entrer en contact avec la cible | Approx. ≤ 1 cm ; Un arc peut se produire entre les électrodes et la cible à des réglages de puissance plus élevés |
| Conduction électrique à travers la cible | Non | Pas en fonctionnement normal, mais possible pendant l’arc | Oui, si la cible est utilisée comme électrode OU si la cible entre les électrodes montées est électriquement conductrice |
| Suitability for irregular surfaces | High – la nature à distance de la génération de NTP signifie une flexibilité maximale de l’application du flux de rémanence de NTP | Modérément élevé – le NTP est transporté vers la cible de manière directionnelle, nécessitant soit une rotation de la cible, soit de multiples émetteurs de NTP | Modérément faible – un espacement étroit est nécessaire pour maintenir l’uniformité du NTP. Cependant, les électrodes peuvent être façonnées pour s’adapter à une surface définie et uniforme. |
| Exemples de technologies | Réacteur d’exposition à distance, crayon à plasma | Arc glissant ; aiguille à plasma ; tube à plasma induit par micro-ondes | Réacteur à plaques parallèles ; Réacteur à plaque aiguille ; décharge à barrière résistive ; décharge à barrière diélectrique |
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MedicineEdit
Un domaine émergent ajoute les capacités du plasma non thermique à la dentisterie et à la médecine.
Génération d’énergieEdit
Génération d’énergie magnétohydrodynamique, une méthode de conversion directe d’énergie à partir d’un gaz chaud en mouvement dans un champ magnétique a été développée dans les années 1960 et 1970 avec des générateurs MHD pulsés connus sous le nom de tubes à chocs, utilisant des plasmas de non-équilibre ensemencés avec des vapeurs de métaux alcalins (comme le césium, pour augmenter la conductivité électrique limitée des gaz) chauffés à une température limitée de 2000 à 4000 kelvins (pour protéger les parois de l’érosion thermique) mais où les électrons étaient chauffés à plus de 10 000 kelvins.
Un cas particulier et inhabituel de plasma non thermique « inverse » est le plasma à très haute température produit par la machine Z, où les ions sont beaucoup plus chauds que les électrons.
AérospatialeEdit
Des solutions de contrôle actif de l’écoulement aérodynamique impliquant des plasmas technologiques non thermiques faiblement ionisés pour les vols subsoniques, supersoniques et hypersoniques sont étudiées, en tant qu’actionneurs plasma dans le domaine de l’électrohydrodynamique, et en tant que convertisseurs magnétohydrodynamiques lorsque des champs magnétiques sont également impliqués.
Les études menées dans les souffleries impliquent la plupart du temps une faible pression atmosphérique similaire à une altitude de 20-50 km, typique du vol hypersonique, où la conductivité électrique de l’air est plus élevée, donc les plasmas non thermiques faiblement ionisés peuvent être facilement produits avec une moindre dépense d’énergie.
CatalyseEdit
Un plasma non thermique à pression atmosphérique peut être utilisé pour promouvoir des réactions chimiques. Les collisions entre les électrons de température chaude et les molécules de gaz froid peuvent conduire à des réactions de dissociation et à la formation ultérieure de radicaux. Ce type de décharge présente des propriétés de réaction que l’on observe habituellement dans les systèmes de décharge à haute température. Le plasma non thermique est également utilisé en conjonction avec un catalyseur pour améliorer la conversion chimique des réactifs ou pour modifier la composition chimique des produits.
Parmi les différents domaines d’application, il y a la production d’ozone à un niveau commercial ; la réduction de la pollution, à la fois solide (PM, COV) et gazeuse (SOx, NOx) ; la conversion du CO2 en carburants (méthanol, gaz de synthèse) ou en produits chimiques à valeur ajoutée ; la fixation de l’azote ; la synthèse du méthanol ; la synthèse de carburants liquides à partir d’hydrocarbures plus légers (par ex. le méthane), la production d’hydrogène, la production de chaleur et de froid, la production de chaleur et de froid, la production de chaleur et de froid, la production de chaleur et de froid, la production de chaleur et de froid.par exemple le méthane), production d’hydrogène par reformage d’hydrocarbures
ConfigurationsEdit
Le couplage entre les deux différents mécanismes peut se faire de deux manières différentes : configuration à deux étapes, également appelée catalyse post-plasma (PPC) et configuration à une étape, également appelée catalyse in-plasma (IPC) ou catalyse renforcée par plasma (PEC).
Dans le premier cas, le réacteur catalytique est placé après la chambre à plasma. Cela signifie que seules les espèces à longue durée de vie peuvent atteindre la surface du catalyseur et réagir, tandis que les radicaux à courte durée de vie, les ions et les espèces excitées se décomposent dans la première partie du réacteur. À titre d’exemple, l’atome d’état fondamental de l’oxygène O(3P) a une durée de vie d’environ 14 μs dans un plasma d’air sec à pression atmosphérique. Cela signifie que seule une petite région du catalyseur est en contact avec les radicaux actifs. Dans une telle installation à deux étages, le rôle principal du plasma est de modifier la composition du gaz alimentant le réacteur catalytique. Dans un système PEC, les effets synergiques sont plus importants car les espèces excitées à courte durée de vie sont formées près de la surface du catalyseur. La manière dont le catalyseur est inséré dans le réacteur PEC influence les performances globales. Il peut être placé à l’intérieur du réacteur de différentes manières : sous forme de poudre (lit tassé), déposé sur des mousses, déposé sur un matériau structuré (nid d’abeille), et revêtement des parois du réacteur
Le réacteur plasma-catalytique à lit tassé est couramment utilisé pour des études fondamentales et une mise à l’échelle vers des applications industrielles est difficile car la chute de pression augmente avec le débit.
Interactions plasma-catalyseEdit
Dans un système PEC, la façon dont le catalyseur est positionné par rapport au plasma peut affecter le processus de différentes manières. Le catalyseur peut influencer positivement le plasma et vice versa, résultant en un résultat qui ne peut être obtenu en utilisant chaque processus individuellement. La synergie qui s’établit est attribuée à différents effets croisés.
- Effets du plasma sur le catalyseur:
- Changement des propriétés physico-chimiques. Le plasma modifie l’équilibre d’adsorption/désorption sur la surface du catalyseur conduisant à des capacités d’adsorption plus élevées. Une interprétation à ce phénomène n’est pas encore claire.
- Surface de catalyseur plus élevée. Un catalyseur exposé à une décharge peut donner lieu à la formation de nanoparticules. Le rapport surface/volume plus élevé conduit à de meilleures performances du catalyseur.
- Probabilité d’adsorption plus élevée.
- Changement de l’état d’oxydation du catalyseur. Certains catalyseurs métalliques (par exemple Ni, Fe) sont plus actifs sous leur forme métallique. La présence d’une décharge plasma peut induire une réduction des oxydes métalliques du catalyseur, améliorant ainsi l’activité catalytique.
- Réduction de la formation de coke. Lors du traitement des hydrocarbures, la formation de coke conduit à une désactivation progressive du catalyseur. La formation réduite de coke en présence de plasma réduit le taux d’empoisonnement/désactivation et prolonge ainsi la durée de vie d’un catalyseur.
- Présence de nouvelles espèces en phase gazeuse. Dans une décharge de plasma, une large gamme de nouvelles espèces est produite permettant au catalyseur d’être exposé à celles-ci. Les ions, les espèces excitées vibratoirement et rotationnellement n’affectent pas le catalyseur puisqu’ils perdent leur charge et l’énergie supplémentaire qu’ils possèdent lorsqu’ils atteignent une surface solide. Les radicaux, au contraire, présentent des coefficients d’adhérence élevés pour la chimisorption, ce qui augmente l’activité catalytique.
- Effets du catalyseur sur le plasma:
- Augmentation du champ électrique local. Cet aspect est principalement lié à une configuration PEC à lit tassé. La présence d’un matériau de garnissage à l’intérieur d’un champ électrique génère des renforcements de champ locaux dus à la présence d’aspérités, d’inhomogénéités de surface du matériau solide, à la présence de pores et à d’autres aspects physiques. Ce phénomène est lié à l’accumulation de charges de surface sur la surface du matériau de garnissage et il est présent même si un lit de garnissage est utilisé sans catalyseur. Bien qu’il s’agisse d’un aspect physique, il affecte également la chimie puisqu’il modifie la distribution d’énergie des électrons à proximité des aspérités.
- Formation de décharges à l’intérieur des pores. Cet aspect est strictement lié au précédent. Les petits espaces vides à l’intérieur d’un matériau d’emballage affectent l’intensité du champ électrique. L’amélioration peut également conduire à un changement des caractéristiques de la décharge, qui peuvent être différentes de la condition de décharge de la région de masse (c’est-à-dire loin du matériau solide). L’intensité élevée du champ électrique peut également conduire à la production de différentes espèces qui ne sont pas observées dans la masse.
- Changement du type de décharge. L’insertion d’un matériau diélectrique dans une région de décharge conduit à un déplacement du type de décharge. D’un régime filamentaire s’établit une décharge mixte filamentaire/surface. Les ions, les espèces excitées et les radicaux sont formés dans une région plus large si un régime de décharge superficielle est présent.
Les effets du catalyseur sur le plasma sont principalement liés à la présence d’un matériau diélectrique à l’intérieur de la région de décharge et ne nécessitent pas nécessairement la présence d’un catalyseur.