Niet-thermisch plasma

LevensmiddelenindustrieEdit

In de context van de levensmiddelenverwerking is een niet-thermisch plasma (NTP) of koud plasma specifiek een antimicrobiële behandeling die wordt onderzocht voor toepassing op fruit, groenten en vleesproducten met kwetsbare oppervlakken. Deze levensmiddelen zijn niet voldoende ontsmet of zijn om andere redenen ongeschikt voor behandeling met chemicaliën, hitte of andere conventionele levensmiddelenverwerkingsmiddelen. Terwijl de toepassingen van niet-thermisch plasma aanvankelijk gericht waren op microbiologische desinfectie, wordt er actief onderzoek gedaan naar nieuwere toepassingen zoals enzyminactivering, eiwitmodificatie en het verwijderen van pesticiden. Niet-thermisch plasma wordt ook steeds meer gebruikt bij de sterilisatie van tanden en handen, in handendrogers en in zelfontsmettende filters. Een bijzondere configuratie van plasma-ontlading waarbij lucht of een specifiek gasmengsel in een verzegelde verpakking wordt geïoniseerd, “in-package cold plasma” genoemd, heeft onlangs veel aandacht getrokken.

De term koud plasma wordt sinds kort gebruikt als een handige descriptor om de plasma-ontladingen met één atmosfeer, dicht bij kamertemperatuur, te onderscheiden van andere plasma’s, die bij honderden of duizenden graden boven de omgevingstemperatuur werken (zie Plasma (fysica) § Temperaturen). In de context van de levensmiddelenverwerking kan de term “koud” een misleidend beeld oproepen van de noodzaak van koeling als onderdeel van de plasmabehandeling. In de praktijk is deze verwarring echter niet aan de orde geweest. “Koude plasma’s” kunnen ook losjes verwijzen naar zwak geïoniseerde gassen (ionisatiegraad < 0,01%).

NomenclatuurEdit

De nomenclatuur voor niet-thermisch plasma die in de wetenschappelijke literatuur wordt aangetroffen, is gevarieerd. In sommige gevallen wordt het plasma aangeduid met de specifieke technologie die wordt gebruikt om het op te wekken (“glijboog”, “plasmapotlood”, “plasmanaald”, “plasmastraal”, “diëlektrische barrièreontlading”, “piëzo-elektrisch direct ontladingsplasma”, enz.), terwijl andere namen meer algemeen beschrijvend zijn, gebaseerd op de kenmerken van het opgewekte plasma (“one atmosphere uniform glow discharge plasma”, “atmosferisch plasma”, “ambient pressure nonthermal discharges”, “non-equilibrium atmospheric pressure plasmas”, enz.) De twee kenmerken die NTP onderscheiden van andere volgroeide, industrieel toegepaste plasmatechnologieën, zijn dat zij 1) niet-thermisch zijn en 2) werken bij of nabij atmosferische druk.

TechnologieënEdit

MedicineEdit

Een opkomend gebied voegt de mogelijkheden van niet-thermisch plasma toe aan tandheelkunde en geneeskunde.

Power generationEdit

Magnetohydrodynamische energieopwekking, een directe energieomzettingsmethode van een heet gas in beweging binnen een magnetisch veld werd in de jaren zestig en zeventig ontwikkeld met gepulseerde MHD-generatoren die bekend staan als schokbuizen, gebruikmakend van niet-evenwichtsplasma’s bezaaid met dampen van alkalimetalen (zoals cesium, om het beperkte elektrische geleidingsvermogen van gassen te verhogen) verhit bij een beperkte temperatuur van 2000 tot 4000 kelvin (om de wanden te beschermen tegen thermische erosie), maar waarbij de elektronen werden verhit bij meer dan 10.000 kelvin.

Een bijzonder en ongebruikelijk geval van “omgekeerd” niet-thermisch plasma is het plasma bij zeer hoge temperatuur dat wordt geproduceerd door de Z-machine, waar ionen veel heter zijn dan elektronen.

Lucht- en ruimtevaartEdit

Aerodynamische actieve stromingsbeheersingsoplossingen waarbij technologische niet-thermische zwak geïoniseerde plasma’s voor subsonische, supersonische en hypersonische vlucht zijn betrokken, worden bestudeerd, als plasma-actuatoren op het gebied van de elektrohydrodynamica, en als magnetohydrodynamische convertoren wanneer er ook magnetische velden bij betrokken zijn.

Bij studies die in windtunnels worden uitgevoerd is meestal sprake van lage atmosferische druk, vergelijkbaar met een hoogte van 20-50 km, typisch voor hypersonische vlucht, waar de elektrische geleidbaarheid van lucht hoger is, zodat niet-thermische zwak geïoniseerde plasma’s gemakkelijk kunnen worden geproduceerd met minder energiekosten.

CatalysisEdit

Een niet-thermisch plasma onder atmosferische druk kan worden gebruikt om chemische reacties te bevorderen. Botsingen tussen elektronen van hete temperatuur en koude gasmoleculen kunnen leiden tot dissociatiereacties en de daaropvolgende vorming van radicalen. Dit soort ontlading vertoont reactie-eigenschappen die gewoonlijk worden waargenomen in ontladingssystemen met hoge temperatuur. Niet-thermisch plasma wordt ook gebruikt in combinatie met een katalysator om de chemische omzetting van reactanten verder te verbeteren of de chemische samenstelling van de produkten te wijzigen.

Van de verschillende toepassingsgebieden zijn er de produktie van ozon op commercieel niveau; bestrijding van verontreiniging, zowel vast (PM, VOC) als gasvormig (SOx, NOx); omzetting van CO2 in brandstoffen (methanol, syngas) of chemicaliën met toegevoegde waarde; stikstoffixatie; methanolsynthese; synthese van vloeibare brandstoffen uit lichtere koolwaterstoffen (bijv.b. methaan), waterstofproductie via reforming van koolwaterstoffen

ConfiguratiesEdit

De koppeling tussen de twee verschillende mechanismen kan op twee verschillende manieren worden uitgevoerd: tweefasenconfiguratie, ook post-plasmakatalyse (PPC) genoemd en eentrapsconfiguratie, ook in-plasmakatalyse (IPC) of plasma enhanced catalysis (PEC) genoemd.

In het eerste geval wordt de katalytische reactor na de plasmakamer geplaatst. Dit betekent dat alleen de langlevende soorten het katalysatoroppervlak kunnen bereiken en reageren, terwijl kortlevende radicalen, ionen en aangeslagen soorten in het eerste deel van de reactor vergaan. Het zuurstofatoom O(3P) in de grondtoestand heeft bijvoorbeeld een levensduur van ongeveer 14 microseconden in een atmosferisch plasma in droge lucht. Dit betekent dat slechts een klein gebied van de katalysator in contact is met actieve radicalen. In een dergelijke tweefasenopstelling is de voornaamste rol van het plasma de wijziging van de gassamenstelling die aan de katalytische reactor wordt toegevoerd. In een PEC-systeem zijn de synergetische effecten groter aangezien kortlevende geëxciteerde soorten nabij het katalysatoroppervlak worden gevormd. De manier waarop de katalysator in de PEC-reactor wordt geplaatst, beïnvloedt de algemene prestaties. De katalysator kan op verschillende manieren in de reactor worden geplaatst: in poedervorm (gepakt bed), afgezet op schuim, afgezet op gestructureerd materiaal (honingraat), en bekleding van de reactorwanden

Pakbed plasmakatalytische reactor worden gewoonlijk gebruikt voor fundamentele studies en een opschaling naar industriële toepassingen is moeilijk omdat de drukval toeneemt met de stroomsnelheid.

Interacties tussen plasma en katalyseEdit

In een PEC-systeem kan de manier waarop de katalysator ten opzichte van het plasma is geplaatst, het proces op verschillende manieren beïnvloeden. De katalysator kan het plasma positief beïnvloeden en vice versa, hetgeen resulteert in een resultaat dat niet kan worden verkregen met elk proces afzonderlijk. De synergie die tot stand komt, wordt toegeschreven aan verschillende kruiseffecten.

• Plasma-effecten op katalysator:
  • Verandering in de fysiochemische eigenschappen. Plasma verandert het adsorptie/desorptie-evenwicht op het katalysatoroppervlak, wat leidt tot hogere adsorptiecapaciteiten. Een interpretatie van dit verschijnsel is nog niet duidelijk.
  • Hoger katalysatoroppervlak. Een katalysator die aan een ontlading wordt blootgesteld, kan aanleiding geven tot de vorming van nanodeeltjes. De hogere oppervlakte/volumeverhouding leidt tot betere katalysatorprestaties.
  • Hogere adsorptiewaarschijnlijkheid.
  • Verandering in de oxidatietoestand van de katalysator. Sommige metallische katalysatoren (b.v. Ni, Fe) zijn actiever in hun metallische vorm. De aanwezigheid van een plasmaontlading kan een reductie van de metaaloxiden van de katalysator teweegbrengen, waardoor de katalytische activiteit verbetert.
  • Verminderde cokesvorming. Bij de behandeling van koolwaterstoffen leidt cokesvorming tot een geleidelijke deactivering van de katalysator. De verminderde cokesvorming in aanwezigheid van plasma vermindert de vergiftigings/deactiveringssnelheid en verlengt zo de levensduur van een katalysator.
  • Aanwezigheid van nieuwe gasfasesoorten. Bij een plasmaontlading wordt een breed scala van nieuwe soorten geproduceerd, waaraan de katalysator kan worden blootgesteld. Ionen, trilling- en rotatie-geëxciteerde soorten hebben geen invloed op de katalysator omdat zij lading en de extra energie die zij bezitten verliezen wanneer zij een vast oppervlak bereiken. Radicalen daarentegen vertonen hoge kleefcoëfficiënten voor chemisorptie, waardoor de katalytische activiteit toeneemt.

• Effecten van de katalysator op het plasma:
  • Lokale elektrische veldversterking. Dit aspect houdt voornamelijk verband met een PEC-configuratie met gepakte bedden. De aanwezigheid van een pakkingsmateriaal binnen een elektrisch veld genereert lokale veldverhogingen als gevolg van de aanwezigheid van asperiteiten, vaste materiaaloppervlak inhomogeniteiten, aanwezigheid van poriën en andere fysische aspecten. Dit verschijnsel houdt verband met de accumulatie van oppervlaktelading op het oppervlak van het verpakkingsmateriaal en is zelfs aanwezig als een gepakte bedding wordt gebruikt zonder katalysator. Hoewel dit een fysisch aspect is, beïnvloedt het ook de chemie omdat het de elektronenenergieverdeling in de nabijheid van de asperiteiten wijzigt.
  • Ontladingsvorming binnen de poriën. Dit aspect is strikt verwant met het vorige. Kleine holle ruimten binnen een pakkingsmateriaal beïnvloeden de elektrische veldsterkte. De verhoging kan ook leiden tot een verandering in de ontladingskarakteristieken, die kunnen verschillen van de ontladingstoestand van het bulkgebied (d.w.z. ver van het vaste materiaal). De hoge intensiteit van het elektrische veld kan ook leiden tot de produktie van verschillende soorten die in de bulk niet worden waargenomen.
  • Verandering in het ontladingstype. Het inbrengen van een diëlektrisch materiaal in een ontladingsgebied leidt tot een verschuiving in het ontladingstype. Van een filamentair regime wordt een gemengde filamentaire/oppervlakteontlading tot stand gebracht. Ionen, geëxciteerde soorten en radicalen worden gevormd in een breder gebied indien een oppervlakte-ontladingsregime aanwezig is.

Effecten van katalysatoren op plasma houden meestal verband met de aanwezigheid van een diëlektrisch materiaal binnen het ontladingsgebied en vereisen niet noodzakelijk de aanwezigheid van een katalysator.