Przemysł spożywczyEdit
W kontekście przetwarzania żywności, plazma nietermiczna (NTP) lub zimna plazma jest w szczególności obróbką antybakteryjną badaną w celu zastosowania do owoców, warzyw i produktów mięsnych o delikatnych powierzchniach. Żywność ta nie jest odpowiednio oczyszczona lub z innych powodów nie nadaje się do obróbki chemicznej, cieplnej lub za pomocą innych konwencjonalnych narzędzi do przetwarzania żywności. Podczas gdy zastosowania plazmy nietermicznej były początkowo skoncentrowane na dezynfekcji mikrobiologicznej, nowsze zastosowania, takie jak inaktywacja enzymów, modyfikacja białek i rozpraszanie pestycydów są aktywnie badane. Plazma nietermiczna znajduje również coraz szersze zastosowanie w sterylizacji zębów i rąk, w suszarkach do rąk, jak również w filtrach samodekontaminujących. Szczególna konfiguracja wyładowań plazmowych polegająca na jonizacji powietrza lub określonej mieszaniny gazów wewnątrz zamkniętego opakowania, określana jako „zimna plazma w opakowaniu” przyciągnęła ostatnio wiele uwagi.
Termin „zimna plazma” był ostatnio używany jako wygodny deskryptor do odróżnienia wyładowań plazmowych w jednej atmosferze, w temperaturze zbliżonej do pokojowej od innych plazm, działających w temperaturze setek lub tysięcy stopni powyżej temperatury otoczenia (patrz Plazma (fizyka) § Temperatury). W kontekście przetwarzania żywności termin „zimny” może potencjalnie wywoływać mylne wyobrażenia o konieczności chłodzenia jako części obróbki plazmowej. Jednakże, w praktyce to zamieszanie nie stanowi problemu. „Zimne plazmy” mogą również luźno odnosić się do słabo zjonizowanych gazów (stopień jonizacji < 0,01%).
NomenklaturaEdit
Nomenklatura dla nietermicznej plazmy znaleziona w literaturze naukowej jest zróżnicowana. W niektórych przypadkach, plazma jest określana przez specyficzną technologię użytą do jej wytworzenia („łuk szybujący”, „ołówek plazmowy”, „igła plazmowa”, „strumień plazmowy”, „dielektryczne wyładowanie barierowe”, „plazma z bezpośrednim wyładowaniem piezoelektrycznym”, itp.), podczas gdy inne nazwy są bardziej ogólnie opisujące, oparte na charakterystyce wytwarzanej plazmy („plazma wyładowań jarzeniowych w jednej atmosferze”, „plazma atmosferyczna”, „wyładowania nietermiczne pod ciśnieniem otoczenia”, „plazma o nierównowagowym ciśnieniu atmosferycznym”, itp.) Dwie cechy, które odróżniają NTP od innych dojrzałych, stosowanych przemysłowo technologii plazmowych, to fakt, że są one 1) nietermiczne i 2) działają przy ciśnieniu atmosferycznym lub zbliżonym do atmosferycznego.
TechnologieEdit
| Klasa technologii NTP | |||
|---|---|---|---|
| I. Leczenie na odległość | II. Leczenie bezpośrednie | III. Kontakt z elektrodą | |
| Natura stosowanego NTP | Plazma zanikająca (afterglow) – dłużej żyjące gatunki chemiczne | Plazma aktywna – gatunki krótko i długo żyjące | Plazma aktywna – wszystkie gatunki chem, w tym najkrócej żyjące i bombardowanie jonowe |
| Gęstość i energia NTP | Gęstość umiarkowana – cel oddalony od elektrod. Jednak większa objętość NTP może być generowana przy użyciu wielu elektrod | Wyższa gęstość – cel w bezpośredniej ścieżce przepływu aktywnego NTP | Najwyższa gęstość – cel w polu generowania NTP |
| Odstęp celu od elektrody generującej NTP | Apx. 5 – 20 cm; łuk elektryczny (wyładowanie włókienkowe) prawdopodobnie nie zetknie się z celem przy każdym ustawieniu mocy | Ok. 1 – 5 cm; łuk elektryczny może wystąpić przy wyższych ustawieniach mocy, może zetknąć się z celem | Ok. ≤ 1 cm; łuk elektryczny może wystąpić między elektrodami i celem przy wyższych ustawieniach mocy |
| Przewodzenie elektryczne przez cel | Nie | Nie przy normalnej pracy, ale możliwe podczas łuku | Tak, jeśli cel jest używany jako elektroda LUB jeśli cel pomiędzy zamontowanymi elektrodami jest elektrycznie przewodzący |
| Przydatność do nieregularnych powierzchni | Wysoka – zdalny charakter wytwarzania NTP oznacza maksymalną elastyczność zastosowania strumienia poświaty NTP | Umiarkowanie wysoka – NTP jest przekazywany do celu w sposób kierunkowy, wymaga albo obrotu celu, albo wielu emiterów NTP | Umiarkowanie niska – wymagana jest niewielka odległość w celu utrzymania jednorodności NTP. Jednakże elektrody mogą być ukształtowane tak, aby pasowały do określonej, spójnej powierzchni. |
| Przykłady technologii | Reaktor zdalnego naświetlania, ołówek plazmowy | Łuk ślizgowy; igła plazmowa; tuba plazmowa indukowana mikrofalami | Reaktor równoległopłytkowy; reaktor igłowo-płytkowy; wyładowanie barierowe rezystancyjne; wyładowanie barierowe dielektryczne |
|
|
|
|
MedicineEdit
Wyłaniająca się dziedzina dodaje możliwości plazmy nietermicznej do stomatologii i medycyny.
EnergetykaEdit
Magnetohydrodynamiczna energetyka, metoda bezpośredniej konwersji energii z gorącego gazu będącego w ruchu w polu magnetycznym została opracowana w latach 60. i 70. XX wieku za pomocą impulsowych generatorów MHD znanych jako rury uderzeniowe, wykorzystując plazmy nierównowagowe nasycone parami metali alkalicznych (takich jak cez, w celu zwiększenia ograniczonej przewodności elektrycznej gazów) ogrzewane w ograniczonej temperaturze 2000 do 4000 kelwinów (w celu ochrony ścianek przed erozją termiczną), ale w których elektrony były ogrzewane w temperaturze ponad 10 000 kelwinów.
Szczególnym i nietypowym przypadkiem „odwróconej” plazmy nietermicznej jest bardzo wysokotemperaturowa plazma wytwarzana przez maszynę Z, w której jony są znacznie gorętsze od elektronów.
AerospaceEdit
Badane są rozwiązania aktywnego sterowania przepływem aerodynamicznym z udziałem technologicznych nietermicznych słabo zjonizowanych plazm dla lotów poddźwiękowych, naddźwiękowych i hipersonicznych, jako aktuatory plazmowe w dziedzinie elektrohydrodynamiki oraz jako konwertery magnetohydrodynamiczne, gdy w grę wchodzą również pola magnetyczne.
Badania prowadzone w tunelach aerodynamicznych dotyczą najczęściej niskiego ciśnienia atmosferycznego, podobnego do tego na wysokości 20-50 km, typowego dla lotów hipersonicznych, gdzie przewodnictwo elektryczne powietrza jest wyższe, stąd nietermiczna słabo zjonizowana plazma może być łatwo wytwarzana przy mniejszym wydatku energetycznym.
KatalizaEdit
Nietermiczna plazma pod ciśnieniem atmosferycznym może być użyta do promowania reakcji chemicznych. Zderzenia pomiędzy elektronami o gorącej temperaturze i zimnymi cząsteczkami gazu mogą prowadzić do reakcji dysocjacji i późniejszego tworzenia się rodników. Ten rodzaj wyładowań wykazuje właściwości reakcyjne, które zazwyczaj obserwuje się w systemach wyładowań wysokotemperaturowych. Plazma nietermiczna jest również używana w połączeniu z katalizatorem w celu dalszego wzmocnienia konwersji chemicznej reaktantów lub zmiany składu chemicznego produktów.
Pośród różnych obszarów zastosowań, można wymienić produkcję ozonu na poziomie komercyjnym; redukcję zanieczyszczeń, zarówno stałych (PM, VOC) jak i gazowych (SOx, NOx); konwersję CO2 w paliwa (metanol, syngaz) lub chemikalia o wartości dodanej; wiązanie azotu; syntezę metanolu; syntezę paliw płynnych z lżejszych węglowodorów (np. metanu), wodór.np. metan), produkcja wodoru poprzez reforming węglowodorów
KonfiguracjeEdit
Sprzężenie pomiędzy dwoma różnymi mechanizmami może być wykonane na dwa różne sposoby: konfiguracja dwustopniowa, zwana również katalizą post-plazmową (PPC) i konfiguracja jednostopniowa, zwana również katalizą w plazmie (IPC) lub katalizą wzmocnioną plazmą (PEC).
W pierwszym przypadku reaktor katalityczny jest umieszczony za komorą plazmową. Oznacza to, że tylko długożyciowe gatunki mogą dotrzeć do powierzchni katalizatora i wejść w reakcję, podczas gdy krótkożyciowe rodniki, jony i wzbudzone gatunki rozpadają się w pierwszej części reaktora. Przykładowo, atom tlenu w stanie podstawowym O(3P) ma czas życia około 14 μs w plazmie suchego powietrza pod ciśnieniem atmosferycznym. Oznacza to, że tylko niewielki obszar katalizatora jest w kontakcie z aktywnymi rodnikami. W takim dwustopniowym układzie główną rolą plazmy jest zmiana składu gazu podawanego do reaktora katalitycznego. W układzie PEC efekty synergistyczne są większe, ponieważ krótkożyciowe wzbudzone formy powstają w pobliżu powierzchni katalizatora. Sposób umieszczenia katalizatora w reaktorze PEC ma wpływ na jego ogólną wydajność. Może on być umieszczony wewnątrz reaktora na różne sposoby: w postaci proszku (złoże upakowane), osadzony na piankach, osadzony na materiale strukturalnym (plaster miodu) oraz powlekający ściany reaktora
Reaktor plazmowo-katalityczny ze złożem upakowanym jest powszechnie stosowany do badań podstawowych, a jego rozbudowa do zastosowań przemysłowych jest trudna, ponieważ spadek ciśnienia wzrasta wraz z prędkością przepływu.
Interakcje plazma-katalizaEdit
W systemie PEC, sposób w jaki katalizator jest umieszczony w stosunku do plazmy może wpływać na proces na różne sposoby. Katalizator może pozytywnie wpływać na plazmę i vice versa, dając wynik, którego nie można uzyskać stosując każdy proces osobno. Synergia, która jest ustanowiona jest przypisywana różnym efektom krzyżowym.
- Wpływ plazmy na katalizator:
- Zmiana właściwości fizykochemicznych. Plazma zmienia równowagę adsorpcji/desorpcji na powierzchni katalizatora prowadząc do zwiększenia zdolności adsorpcyjnych. Interpretacja tego zjawiska nie jest jeszcze jasna.
- Wyższa powierzchnia katalizatora. Katalizator wystawiony na działanie wyładowań może powodować powstawanie nanocząstek. Wyższy stosunek powierzchni do objętości prowadzi do lepszej wydajności katalizatora.
- Wyższe prawdopodobieństwo adsorpcji.
- Zmiana stanu utlenienia katalizatora. Niektóre katalizatory metaliczne (np. Ni, Fe) są bardziej aktywne w formie metalicznej. Obecność wyładowania plazmowego może wywołać redukcję tlenków metali katalizatora, poprawiając jego aktywność katalityczną.
- Ograniczenie tworzenia się koksu. Podczas pracy z węglowodorami, tworzenie się koksu prowadzi do stopniowej dezaktywacji katalizatora. Zmniejszone tworzenie się koksu w obecności plazmy zmniejsza stopień zatrucia/dezaktywacji, a tym samym wydłuża żywotność katalizatora.
- Obecność nowych gatunków w fazie gazowej. W wyładowaniu plazmowym powstaje szeroki zakres nowych gatunków, dzięki czemu katalizator może być na nie narażony. Jony, gatunki wzbudzone wibracyjnie i rotacyjnie nie mają wpływu na katalizator, ponieważ tracą ładunek i dodatkową energię, którą posiadają po dotarciu do powierzchni ciała stałego. Rodniki natomiast wykazują wysokie współczynniki przylegania dla chemisorpcji, zwiększając aktywność katalityczną.
- Wpływ katalizatora na plazmę:
- Lokalne wzmocnienie pola elektrycznego. Ten aspekt jest głównie związany z konfiguracją PEC typu packed-bed. Obecność materiału upakowanego wewnątrz pola elektrycznego generuje lokalne wzmocnienie pola z powodu obecności asperytów, niejednorodności powierzchni materiału stałego, obecności porów i innych aspektów fizycznych. Zjawisko to jest związane z akumulacją ładunku powierzchniowego na powierzchni materiału szczeliwa i występuje nawet wtedy, gdy złoże szczeliwa jest stosowane bez katalizatora. Pomimo, że jest to aspekt fizyczny, wpływa on również na chemię, ponieważ zmienia rozkład energii elektronów w pobliżu asperytur.
- Tworzenie się wyładowań wewnątrz porów. Ten aspekt jest ściśle związany z poprzednim. Małe puste przestrzenie wewnątrz materiału upakowanego wpływają na natężenie pola elektrycznego. Wzmocnienie to może również prowadzić do zmiany charakterystyki wyładowania, która może być odmienna od stanu wyładowania w obszarze objętościowym (tj. z dala od materiału stałego). Duże natężenie pola elektrycznego może również prowadzić do wytwarzania różnych gatunków, które nie są obserwowane w obszarze objętościowym.
- Zmiana typu wyładowania. Wstawienie materiału dielektrycznego w rejon wyładowania prowadzi do zmiany typu wyładowania. Z reżimu filamentowego powstaje wyładowanie mieszane filamentowe/powierzchniowe. Jony, wzbudzone gatunki i rodniki są formowane w szerszym regionie, jeśli obecny jest reżim wyładowania powierzchniowego.
Wpływ katalizatora na plazmę jest głównie związany z obecnością materiału dielektrycznego wewnątrz regionu wyładowania i niekoniecznie wymaga obecności katalizatora.