非熱プラズマ

by

食品産業編集部

食品加工の文脈では、非熱プラズマ（NTP）または冷プラズマは、特に、表面が壊れやすい果物、野菜、肉製品への適用が検討されている抗菌処理である。 これらの食品は十分に除菌されていないか、化学薬品や熱、その他の従来の食品加工ツールによる処理に適さないものである。 非熱プラズマの応用は、当初は微生物の殺菌が中心であったが、酵素の不活性化、タンパク質の改質、農薬の散布などの新しい応用が活発に研究されている。 また、歯や手の殺菌、ハンドドライヤー、自己除染フィルターなどにも利用されつつある。

冷温プラズマという用語は、最近、1気圧の室温に近いプラズマ放電を、周囲より数百度または数千度高い温度で動作する他のプラズマと区別するための便利な記述子として用いられている（プラズマ（物理）§温度参照）。 食品加工の文脈では、「冷たい」という用語は、プラズマ処理の一部として冷凍の必要性を誤解させるイメージを潜在的に引き起こす可能性がある。 しかし、実際にはこの混乱は問題になっていない。 「

NomenclatureEdit

科学文献に見られる非熱プラズマの命名法は多様である。 いくつかの場合、プラズマはそれを生成するために使用される特定の技術によって参照される（「グライディングアーク」、「プラズマペンシル」、「プラズマ針」、「プラズマジェット」、「誘電体バリア放電」、「圧電直接放電プラズマ」、その他）。また、発生するプラズマの特性から、より一般的に説明できる名称もある（「1気圧均一グロー放電プラズマ」、「大気圧プラズマ」、「常圧非熱放電」、「非平衡大気圧プラズマ」、など）。 NTPを他の成熟した、工業的に適用されるプラズマ技術から区別する2つの特徴は、1）非熱であること、2）大気圧または大気圧付近で動作することです。

TechnologiesEdit

NTP適用の性質（残光）-長寿命化学種。 短寿命、イオンボンバードなど

リモート露出リアクター、プラズマペンシル

NTP技術クラス
I。 リモートトリートメント II. ダイレクトトリートメント III. 電極接触
NTP適用の性質 崩壊プラズマ（残光）-長寿命化学種 活性プラズマ-短・長寿命化学種 活性プラズマ-すべての化学種
NTP 密度とエネルギー 中程度の密度 – 電極から離れたターゲット。 しかし、複数の電極を使用することで、より大量のNTPを発生させることができます 高密度-活性NTPの流れの直接経路上のターゲット 最高密度-NTP生成フィールド内のターゲット
NTP生成電極からのターゲットの間隔 Approx. 5 – 20 cm; どの出力設定でもアーク放電（糸状放電）はターゲットに接触しにくい 約1 – 5 cm; 高出力設定ではアーク放電が発生し、ターゲットに接触することがある 約1.5 cm; 出力設定によっては、ターゲットに接触することがある 約1.5 cm。 ≤ 1 cm。 133>
ターゲットの電気伝導 なし 通常動作時はないが、アーク発生時は可能 あり。 ターゲットが電極として使用されている場合、または取り付けられた電極間のターゲットが導電性の場合
不規則な表面への適合性 高-NTP生成の遠隔性は、NTPアフターグローストリームのアプリケーションの最大の柔軟性を意味します 中-NTPは指向性でターゲットへ伝達されます。 133> Moderately low – NTPの均一性を維持するために狭い間隔を必要とする。 しかし、電極は、定義された一貫性のある表面に適合するように成形することができます。
技術例 グライディングアーク、プラズマ針、マイクロ波誘導プラズマチューブ パラレルプレートリアクター(Parallel plate reactor); 針板リアクター；抵抗性バリア放電；誘電体バリア放電
  • Gadri et al., 2000. Surface Coatings Technol 131:528-542
  • Laroussi and Lu, 2005. Appl.Phys.Lett. 87:113902
  • Montieら、2000年。 IEEE Trans Plasma Sci 28:41-50
  • Lee et al.、2005年。 Surface Coatings Technol 193:35-38
  • Niemira et al. P2. IFT NPD Mtg., Wyndmoor, Pennsylvania
  • NIemira et al.、2005。 P2-40. IAFP Mtg., Baltimore, Maryland
  • Sladek and Stoffels, 2005.を参照。 J Phys D: Appl Phys 38:1716-1721
  • Stoffels et al. プラズマソースサイエンス・テクノロジーズ（Plasma Sources Sci. 11:383-388
  • Deng et al. 論文番号：056149、ASAE Ann. Mtg., Tampa, Florida
  • Kelly-Wintenberg ら, 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. P2. IFT NPD Mtg., Wyndmoor, Pennsylvania
  • NIemira et al., 2005. P2-40. IAFP Mtg., Baltimore, Maryland

MedicineEdit

主な記事です。 プラズマ医学

歯科や医療に非熱プラズマの機能を付加する新しい分野

発電編

主要記事 磁気流体発電機

以下も参照。 電熱不安定性

磁気流体発電は、磁場内で運動する高温ガスから直接エネルギーを変換する方法で、1960年代から1970年代にかけてショックチューブと呼ばれるパルス状のMHD発電機によって開発されました。 アルカリ金属蒸気（気体の限られた電気伝導性を高めるためにセシウムのような）を播種した非平衡プラズマを、2000～4000ケルビンの限られた温度（壁を熱浸食から守るため）で加熱し、電子は1万ケルビン以上で加熱されたものを使用。

「逆」非熱プラズマの特別で珍しいケースは、イオンが電子よりはるかに高温であるZマシンが作り出す超高温プラズマです。

AerospaceEdit

主要記事。 磁気流体力学コンバータ
関連項目：磁気流体力学コンバータ。 Paschenの法則

亜音速、超音速、極超音速飛行のための技術的な非熱的弱電離プラズマを含む航空力学的アクティブフロー制御ソリューションは、電気流体力学の分野ではプラズマアクチュエータとして、磁場も関与する場合には磁気流体力学コンバータとして研究されている。

風洞での研究は、ほとんどの場合、空気の電気伝導率が高い極超音速飛行に典型的な高度20-50kmに近い低気圧を伴うため、非熱的な弱電離プラズマを少ないエネルギー消費で容易に生成することができる。 高温の電子と低温のガス分子との衝突により解離反応が起こり、その後にラジカルが生成されることがある。 このような放電は、高温の放電装置で見られるような反応性を示す。

さまざまな応用分野のうち、商業レベルでのオゾン生成、固体（PM、VOC）と気体（SOx、NOx）の両方の汚染軽減、燃料（メタノール、合成ガス）や付加価値化学物質へのCO2変換、窒素固定、メタノール合成、軽い炭化水素（例：NOx）からの液体燃料合成がある。

ConfigurationsEdit

2つの異なるメカニズム間の結合は、ポストプラズマ触媒（PPC）とも呼ばれる2段構成と、インプラズマ触媒（IPC）またはプラズマ強化触媒（PEC）とも呼ばれる1段構成の2つの異なる方法で行うことができます。 これは、長寿命の種のみが触媒表面に到達して反応し、短寿命のラジカル、イオンおよび励起種は反応器の最初の部分で減衰することを意味する。 一例として、酸素の基底状態原子O(3P)は、乾燥した空気の大気圧プラズマでは約14μsの寿命を持つ。 つまり、触媒のわずかな領域しか活性ラジカルと接触していないことになる。 このような2段階のセットアップにおいて、プラズマの主な役割は、触媒反応器に供給されるガス組成を変化させることである。 PECシステムでは、短寿命の励起種が触媒表面近傍で形成されるため、相乗効果がより大きくなる。 PEC反応器への触媒の挿入方法は、全体的な性能に影響を与える。 粉末状（充填床）、発泡体への堆積、構造体（ハニカム）への堆積、反応器壁へのコーティングなど、さまざまな方法で反応器内に配置することができる

充填床プラズマ触媒反応器は、基礎研究によく用いられるが、流速とともに圧力損失が増加するため産業応用へのスケールアップが困難であった。

プラズマと触媒の相互作用編集

PECシステムにおいて、プラズマに対する触媒の位置はプロセスに様々な影響を与えることができる。 触媒がプラズマに良い影響を与え、逆にプラズマが触媒に悪い影響を与えることで、それぞれのプロセスで得ることのできない出力を得ることができる。

  • Plasma effects on catalyst:
    • Change in the physiochemical properties.The synergy that is established to different cross effects(確立された相乗効果は、異なるクロス効果に起因する)。 プラズマは触媒表面の吸着・脱着平衡を変化させ、吸着能力を高める。 この現象に対する解釈はまだ明確になっていない。
    • 触媒の表面積が大きくなる。 放電にさらされた触媒は、ナノ粒子の形成をもたらすことがある。
    • 触媒の酸化状態の変化：表面積と体積の比率が高いほど、触媒の性能が向上する。 金属触媒（Ni、Feなど）の中には、金属状態の方が活性が高いものがある。 プラズマ放電の存在は、触媒の金属酸化物の還元を誘発し、触媒活性を向上させることができる。
    • コークの発生を抑制する。 炭化水素を扱う場合、コークの形成は触媒の不活性化を進行させる。 プラズマの存在下でコーク形成が減少すると、被毒/不活性化率が低下し、その結果、触媒の寿命が延びる。 プラズマ放電では、さまざまな新しい化学種が生成され、触媒がそれらにさらされるようになる。 イオン、振動励起種、回転励起種は、固体表面に到達すると電荷と追加エネルギーを失うため、触媒に影響を与えない。 その代わり、ラジカルは化学吸着に対して高い密着係数を示し、触媒活性を向上させます。 この側面は、主に充填ベッド型PECの構成に関連している。 電界内に充填材が存在すると、アスペリティ、固体材料表面の不均一性、細孔の存在、その他の物理的側面により、局所的な電界増強が発生する。 この現象は充填材表面への表面電荷の蓄積に関連しており、触媒を使用しない充填床であっても存在する。 これは物理的な側面であるにもかかわらず、アスペリティの近傍の電子エネルギー分布を変化させるため、化学にも影響を与える。 この側面は前述と密接な関係がある。 充填材料内部の小さな空隙は電界強度に影響を与える。 この増強は放電特性の変化にもつながり、バルク領域（すなわち固体材料から遠い）の放電状態とは異なることがある。 また、電界の強度が高いため、バルクでは観測されない異なる化学種の生成につながることもあります。
    • 放電型の変化。 放電領域に誘電体を挿入すると、放電形態が変化する。 フィラメント放電から、フィラメントと表面放電の混合放電が成立する。 表面放電領域が存在する場合、イオン、励起種、ラジカルがより広い領域で生成される。

    プラズマの触媒効果は、放電領域内の誘電体材料の存在にほぼ関連しており、必ずしも触媒の存在を必要としない

    。

コメントする