ÉlelmiszeriparSzerkesztés
A nem termikus plazma (NTP) vagy hideg plazma az élelmiszer-feldolgozásban kifejezetten antimikrobiális kezelés, amelyet a törékeny felületű gyümölcsök, zöldségek és hústermékek esetében vizsgálnak. Ezek az élelmiszerek vagy nem megfelelően fertőtlenítettek, vagy más módon nem alkalmasak vegyi anyagokkal, hővel vagy más hagyományos élelmiszer-feldolgozó eszközökkel történő kezelésre. Míg a nem termikus plazma alkalmazásai kezdetben a mikrobiológiai fertőtlenítésre összpontosítottak, az olyan újabb alkalmazások, mint az enzimek inaktiválása, a fehérjemódosítás és a peszticidek eloszlatása aktívan kutatások tárgyát képezik. A nem termikus plazmát egyre gyakrabban használják a fogak és a kezek sterilizálásában, a kézszárítókban, valamint az önfertőtlenítő szűrőkben is. A közelmúltban nagy figyelmet kapott a plazmakisülések egy sajátos konfigurációja, amely a levegő vagy egy meghatározott gázkeverék ionizációját jelenti egy lezárt csomagoláson belül, és amelyet “csomagoláson belüli hideg plazmának” neveznek.
A hideg plazma kifejezést újabban kényelmes leíróként használják, hogy megkülönböztessék az egy légkörben, közel szobahőmérsékletű plazmakisüléseket más, több száz vagy ezer fokkal a környezeti hőmérséklet felett működő plazmáktól (lásd Plazma (fizika) § Hőmérsékletek). Az élelmiszer-feldolgozás kontextusában a “hideg” kifejezés potenciálisan félrevezető képzeteket kelthet a plazmakezelés részét képező hűtési követelményekről. A gyakorlatban azonban ez a félreértés nem jelent problémát. A “hideg plazma” lazán utalhat gyengén ionizált gázokra is (ionizációs fok < 0,01%).
NómenklatúraSzerkesztés
A tudományos szakirodalomban a nem termikus plazmára vonatkozó nevezéktan változatos. Egyes esetekben a plazmára az előállításához használt konkrét technológiával utalnak (“siklóív”, “plazmaceruza”, “plazmatű”, “plazmasugár”, “plazmasugár”, “dielektromos gátkisülés”, “piezoelektromos közvetlen kisüléses plazma” stb.), míg más elnevezések általánosabb leíró jellegűek, a létrehozott plazma jellemzői alapján (“egy atmoszféra egyenletes izzó kisüléses plazma”, “atmoszférikus plazma”, “környezeti nyomású nem termikus kisülések”, “nem egyensúlyi atmoszférikus nyomású plazmák” stb.). A két jellemző, amely megkülönbözteti az NTP-t más érett, iparilag alkalmazott plazmatechnológiáktól, hogy 1) nem termikus és 2) légköri nyomáson vagy annak közelében működik.
TechnológiákSzerkesztés
| NTP technológiai osztály | |||
|---|---|---|---|
| I. Távkezelés | II. Közvetlen kezelés | III. Elektródokkal való érintkezés | |
| Az alkalmazott NTP jellege | Bomló plazma (utófény) – hosszabb életű kémiai fajok | aktív plazma – rövid és hosszú életű fajok | aktív plazma – minden kémiai faj, beleértve a legrövidebb életűeket és az ionbombázást is |
| NTP sűrűség és energia | Mérsékelt sűrűség – elektródáktól távoli célpont. Több elektróda használatával azonban nagyobb mennyiségű NTP generálható | Nagyobb sűrűség – célpont az aktív NTP áramlás közvetlen útjában | Nagyobb sűrűség – célpont az NTP generáló mezőben |
| A célpont távolsága az NTP generáló elektródától | Kb. 5 – 20 cm; ívképződés (szálas kisülés) nem valószínű, hogy bármely teljesítménybeállításnál érintkezik a célponttal | Kb. 1 – 5 cm; nagyobb teljesítménybeállításnál ívképződés léphet fel, érintkezhet a célponttal | Kb. ≤ 1 cm; nagyobb teljesítménybeállításoknál az elektródák és a céltárgy között ívképződés léphet fel |
| Elektromos vezetés a céltárgyon keresztül | Nem | Normálüzemben nem, de ívképződéskor lehetséges | Igen, ha a céltárgyat elektródaként használják VAGY ha a céltárgy a felszerelt elektródák között elektromosan vezető |
| Megfelelő a szabálytalan felületekhez | magas – az NTP előállításának távoli jellege maximális rugalmasságot jelent az NTP utófényáram alkalmazásának tekintetében | Mértékben magas – az NTP irányítottan jut el a céltárgyhoz, ami vagy a célpont forgatását vagy több NTP-kibocsátót igényel | Közepesen alacsony – az NTP egyenletességének fenntartásához szoros távolságokra van szükség. Az elektródák azonban úgy alakíthatók, hogy illeszkedjenek egy meghatározott, egyenletes felülethez. |
| Példák technológiákra | Távoli expozíciós reaktor, plazma ceruza | Gördülő ív; plazmatű; mikrohullámú indukált plazmacső | Párhuzamos lemezreaktor; tűlemezes reaktor; rezisztív gátkisülés; dielektromos gátkisülés |
|
|
|
|
MedicineEdit
Egy feltörekvő terület a nem termikus plazma képességeit a fogászatban és az orvostudományban is kamatoztatja.
EnergiatermelésSzerkesztés
A mágneses-hidrodinamikai energiatermelést, a mágneses mezőben mozgásban lévő forró gázból történő közvetlen energiaátalakítási módszert az 1960-as és 1970-es években fejlesztették ki a lökéscsövek néven ismert impulzus MHD-generátorokkal, nem egyensúlyi plazmákat használtak, amelyeket alkálifémgőzökkel (például céziummal, hogy növeljék a gázok korlátozott elektromos vezetőképességét) tápláltak, és amelyeket korlátozott, 2000-4000 kelvin közötti hőmérsékleten melegítettek (hogy megvédjék a falakat a termikus eróziótól), de ahol az elektronokat több mint 10 000 kelvinre hevítették.
A “fordított” nem termikus plazma egy különleges és szokatlan esete a Z-gép által előállított nagyon magas hőmérsékletű plazma, ahol az ionok sokkal forróbbak, mint az elektronok.
RepülésSzerkesztés
Aerodinamikai aktív áramlásszabályozási megoldásokat tanulmányoznak technológiai nem termikus, gyengén ionizált plazmák bevonásával szubszonikus, szuperszonikus és hiperszonikus repüléshez, plazmaaktuátorként az elektrohidrodinamika területén, illetve magnetohidrodinamikai átalakítóként, amikor mágneses mezők is szerepet játszanak.
A szélcsatornákban végzett tanulmányok legtöbbször a hiperszonikus repülésre jellemző 20-50 km-es magassághoz hasonló alacsony légköri nyomással járnak, ahol a levegő elektromos vezetőképessége nagyobb, ezért a nem termikus, gyengén ionizált plazmák könnyen, kisebb energiaráfordítással előállíthatók.
KatalízisSzerkesztés
A légköri nyomású, nem termikus plazma kémiai reakciók elősegítésére használható. A forró hőmérsékletű elektronok és a hideg gázmolekulák közötti ütközések disszociációs reakciókhoz, majd gyökök kialakulásához vezethetnek. Ez a fajta kisülés olyan reakcióképes tulajdonságokat mutat, amelyeket általában a magas hőmérsékletű kisülési rendszerekben látunk. A nem termikus plazmát katalizátorral együtt is használják a reaktánsok kémiai átalakításának további fokozására vagy a termékek kémiai összetételének megváltoztatására.
A különböző alkalmazási területek között szerepel az ózon előállítása kereskedelmi szinten; szennyezéscsökkentés, mind szilárd (PM, VOC), mind gáznemű (SOx, NOx); CO2 átalakítása üzemanyagokká (metanol, szingáz) vagy hozzáadott értékű vegyi anyagokká; nitrogénkötés; metanol szintézis; folyékony üzemanyagok szintézise könnyebb szénhidrogénekből (pl.pl. metán), hidrogén előállítása szénhidrogének reformálásával
KonfigurációkSzerkesztés
A két különböző mechanizmus összekapcsolása kétféle módon történhet: kétlépcsős konfiguráció, más néven plazma utáni katalízis (PPC) és egylépcsős konfiguráció, más néven plazma alatti katalízis (IPC) vagy plazmaerősített katalízis (PEC).
Az első esetben a katalitikus reaktor a plazmakamra után helyezkedik el. Ez azt jelenti, hogy csak a hosszú élettartamú fajok jutnak el a katalizátor felületére és lépnek reakcióba, míg a rövid élettartamú gyökök, ionok és gerjesztett fajok a reaktor első részében bomlanak le. Például az oxigén alapállapotú O(3P) atomjának élettartama körülbelül 14 μs a száraz levegő atmoszférikus nyomású plazmájában. Ez azt jelenti, hogy a katalizátornak csak egy kis területe érintkezik aktív gyökökkel. Egy ilyen kétlépcsős elrendezésben a plazma fő szerepe a katalitikus reaktorba vezetett gáz összetételének megváltoztatása. A PEC-rendszerben a szinergikus hatások nagyobbak, mivel a katalizátor felületének közelében rövid élettartamú gerjesztett fajok képződnek. A katalizátor PEC-reaktorba való beillesztésének módja befolyásolja az általános teljesítményt. A katalizátor különböző módon kerülhet a reaktorba: por alakban (töltött ágy), habokra lerakva, strukturált anyagra (méhsejt) lerakva és a reaktor falának bevonásával
A töltött ágyas plazma-katalitikus reaktorokat általában alapvető vizsgálatokra használják, és az ipari alkalmazásokra való méretnövelés nehézkes, mivel a nyomásesés az áramlási sebességgel együtt nő.
Plazma-katalízis kölcsönhatásokSzerkesztés
Egy PEC-rendszerben a katalizátor plazmához viszonyított elhelyezkedése különböző módon befolyásolhatja a folyamatot. A katalizátor pozitívan befolyásolhatja a plazmát és fordítva, ami olyan kimenetet eredményezhet, amely nem érhető el az egyes folyamatok külön-külön történő alkalmazásával. A kialakuló szinergiát különböző kereszthatásoknak tulajdonítják.
- A plazma hatása a katalizátorra:
- A fiziokémiai tulajdonságok megváltozása. A plazma megváltoztatja az adszorpciós/deszorpciós egyensúlyt a katalizátor felületén, ami nagyobb adszorpciós képességet eredményez. Ennek a jelenségnek az értelmezése még nem világos.
- Nagyobb katalizátorfelület. A kisülésnek kitett katalizátor nanorészecskék képződését eredményezheti. A nagyobb felület/térfogat arány jobb katalizátor teljesítményt eredményez.
- Nagyobb adszorpciós valószínűség.
- A katalizátor oxidációs állapotának megváltozása. Egyes fémkatalizátorok (pl. Ni, Fe) fémes formában aktívabbak. A plazmakisülés jelenléte előidézheti a katalizátor fémoxidjainak redukcióját, ami javítja a katalitikus aktivitást.
- Csökkentett kokszképződés. Szénhidrogének kezelése esetén a kokszképződés a katalizátor fokozatos deaktiválódásához vezet. A csökkent kokszképződés plazma jelenlétében csökkenti a mérgezés/deaktiválódás mértékét, és ezáltal meghosszabbítja a katalizátor élettartamát.
- Új gázfázisú fajok jelenléte. A plazmakisülésben új fajok széles skálája keletkezik, lehetővé téve, hogy a katalizátor ki legyen téve ezeknek. Az ionok, a rezgés- és forgásgerjesztett fajok nem hatnak a katalizátorra, mivel a szilárd felületre érve elveszítik töltésüket és a bennük lévő többletenergiát. A radikálisok ehelyett magas kemiszorpciós tapadási együtthatót mutatnak, növelve a katalitikus aktivitást.
- Katalizátor hatása a plazmára:
- Lokális elektromos tér fokozása. Ez a szempont főként a csomagolt ágyas PEC-konfigurációhoz kapcsolódik. Az elektromos mezőben lévő csomagolóanyag jelenléte helyi mezőfokozásokat generál az aszperitások, a szilárd anyag felületi inhomogenitásai, a pórusok jelenléte és más fizikai szempontok miatt. Ez a jelenség a csomagolóanyag felületén felhalmozódó felületi töltéssel függ össze, és akkor is jelen van, ha a csomagolt ágyat katalizátor nélkül használják. Annak ellenére, hogy ez egy fizikai szempont, hatással van a kémiára is, mivel megváltoztatja az elektronenergia-eloszlást az aszperitások közelében.
- Pórusokon belüli kisülések kialakulása. Ez a szempont szorosan kapcsolódik az előzőhöz. A csomagolóanyagon belüli kis üregek befolyásolják az elektromos térerősséget. Az erősödés a kisülés jellemzőinek megváltozásához is vezethet, ami eltérhet az ömlesztett (azaz a szilárd anyagtól távoli) tartomány kisülési állapotától. Az elektromos tér nagy intenzitása különböző, az ömlesztett anyagban nem megfigyelhető fajok keletkezéséhez is vezethet.
- A kisülés típusának megváltozása. Egy dielektromos anyag beillesztése egy kisülési régióba a kisüléstípus eltolódásához vezet. A szálas rendszerből vegyes szálas/felületi kisülés jön létre. Felületi kisülési rezsim esetén ionok, gerjesztett fajok és gyökök képződnek egy szélesebb régióban.
A plazmára gyakorolt katalizátorhatások többnyire a kisülési tartományon belüli dielektromos anyag jelenlétéhez kapcsolódnak, és nem feltétlenül igénylik katalizátor jelenlétét.