Industria alimentareModifica
Nel contesto della lavorazione degli alimenti, un plasma non termico (NTP) o plasma freddo è specificamente un trattamento antimicrobico in fase di studio per l’applicazione a frutta, verdura e prodotti a base di carne con superfici fragili. Questi alimenti non sono adeguatamente igienizzati o sono altrimenti inadatti al trattamento con prodotti chimici, calore o altri strumenti convenzionali di lavorazione degli alimenti. Mentre le applicazioni del plasma non termico erano inizialmente focalizzate sulla disinfezione microbiologica, nuove applicazioni come l’inattivazione degli enzimi, la modifica delle proteine e la dissipazione dei pesticidi sono oggetto di ricerca attiva. Il plasma non termico vede anche un uso crescente nella sterilizzazione dei denti e delle mani, negli asciugamani e nei filtri autodecontaminanti. Una particolare configurazione di scarica al plasma che coinvolge la ionizzazione dell’aria o di una specifica miscela di gas all’interno di un pacchetto sigillato, denominata “plasma freddo in-package” ha recentemente attirato molta attenzione.
Il termine plasma freddo è stato recentemente usato come un comodo descrittore per distinguere le scariche al plasma ad una atmosfera, vicino alla temperatura ambiente, da altri plasmi che operano a centinaia o migliaia di gradi sopra la temperatura ambiente (vedi Plasma (fisica) § Temperature). Nel contesto della lavorazione degli alimenti, il termine “freddo” può potenzialmente generare immagini fuorvianti di requisiti di refrigerazione come parte del trattamento al plasma. Tuttavia, in pratica questa confusione non è stata un problema. “Plasmi freddi” possono anche riferirsi vagamente a gas debolmente ionizzati (grado di ionizzazione < 0,01%).
NomenclaturaModifica
La nomenclatura per il plasma non termico trovato nella letteratura scientifica è varia. In alcuni casi, il plasma è indicato con la tecnologia specifica utilizzata per generarlo (“arco scorrevole”, “matita di plasma”, “ago di plasma”, “getto di plasma”, “scarica a barriera dielettrica”, “plasma a scarica diretta piezoelettrica”, ecc.), mentre altri nomi sono più genericamente descrittivi, basati sulle caratteristiche del plasma generato (“plasma a scarica di bagliore uniforme in un’atmosfera”, “plasma atmosferico”, “scariche non termiche a pressione ambiente”, “plasmi a pressione atmosferica non in equilibrio”, ecc.) Le due caratteristiche che distinguono l’NTP da altre tecnologie al plasma mature, applicate industrialmente, è che sono 1) non termiche e 2) operano a o vicino alla pressione atmosferica.
TecnologieModifica
| Classe tecnologica NTP | |||
|---|---|---|---|
| I. Trattamento remoto | II. Trattamento diretto | III. Contatto con gli elettrodi | |
| Natura dell’NTP applicato | Plasma decadente (afterglow) – specie chimiche a vita più lunga | Plasma attivo – specie a vita breve e lunga | Plasma attivo – tutte le specie chimiche, incluse quelle a vita più breve e il bombardamento ionico |
| Densità ed energia dell’NTP | Densità moderata – bersaglio lontano dagli elettrodi. Tuttavia, un volume maggiore di NTP può essere generato usando elettrodi multipli | Densità più alta – bersaglio nel percorso diretto di un flusso di NTP attivo | Densità più alta – bersaglio all’interno del campo di generazione NTP |
| Distanza del bersaglio dall’elettrodo generatore di NTP | Circa 5 – 20 cm; è improbabile che l’arco (scarica filamentosa) entri in contatto con il bersaglio a qualsiasi impostazione di potenza | Circa 1 – 5 cm; l’arco può verificarsi a impostazioni di potenza più elevate, può contattare il bersaglio | Circa ≤ 1 cm; l’arco può verificarsi tra gli elettrodi e il bersaglio a potenze elevate |
| Conduzione elettrica attraverso il bersaglio | No | Non durante il normale funzionamento, ma possibile durante l’arco | Sì, se il bersaglio è usato come elettrodo O se il bersaglio tra gli elettrodi montati è elettricamente conduttivo |
| Adattabilità alle superfici irregolari | Alta – la natura remota della generazione di NTP significa massima flessibilità di applicazione del flusso di postluminescenza NTP | Moderatamente alta – NTP è convogliato al bersaglio in modo direzionale, richiedendo la rotazione del bersaglio o emettitori NTP multipli | Moderatamente basso – è necessaria una stretta spaziatura per mantenere l’uniformità NTP. Tuttavia, gli elettrodi possono essere modellati per adattarsi a una superficie definita e coerente. |
| Esempi di tecnologie | Reattore ad esposizione remota, matita al plasma | Arco scorrevole; ago al plasma; tubo al plasma indotto da microonde | Reattore a piastra parallela; needle-plate reactor; resistive barrier discharge; dielectric barrier discharge |
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MedicineEdit
Un campo emergente aggiunge le capacità del plasma non termico all’odontoiatria e alla medicina.
Generazione di energiaModifica
Generazione di energia magnetoidrodinamica, un metodo di conversione diretta dell’energia da un gas caldo in movimento all’interno di un campo magnetico è stato sviluppato negli anni ’60 e ’70 con generatori MHD pulsati noti come tubi d’urto, utilizzando plasmi di non-equilibrio seminati con vapori di metalli alcalini (come il cesio, per aumentare la limitata conduttività elettrica dei gas) riscaldati a una temperatura limitata di 2000-4000 kelvin (per proteggere le pareti dall’erosione termica) ma dove gli elettroni erano riscaldati a più di 10.000 kelvin.
Un caso particolare e insolito di plasma non termico “inverso” è il plasma ad altissima temperatura prodotto dalla macchina Z, dove gli ioni sono molto più caldi degli elettroni.
AerospaceEdit
Si stanno studiando soluzioni di controllo attivo del flusso aerodinamico che coinvolgono plasmi tecnologici non termici debolmente ionizzati per il volo subsonico, supersonico e ipersonico, come attuatori di plasma nel campo dell’elettroidrodinamica, e come convertitori magnetoidrodinamici quando sono coinvolti anche campi magnetici.
Gli studi condotti nelle gallerie del vento coinvolgono il più delle volte una bassa pressione atmosferica simile a un’altitudine di 20-50 km, tipica del volo ipersonico, dove la conducibilità elettrica dell’aria è più alta, quindi i plasmi non termici debolmente ionizzati possono essere facilmente prodotti con una minore spesa energetica.
CatalisiModifica
Il plasma non termico a pressione atmosferica può essere usato per promuovere reazioni chimiche. Le collisioni tra gli elettroni a temperatura calda e le molecole di gas freddo possono portare a reazioni di dissociazione e alla successiva formazione di radicali. Questo tipo di scarica presenta proprietà di reazione che di solito si vedono nei sistemi di scarica ad alta temperatura. Il plasma non termico è anche usato in combinazione con un catalizzatore per migliorare ulteriormente la conversione chimica dei reagenti o per alterare la composizione chimica dei prodotti.
Tra i diversi campi di applicazione, ci sono la produzione di ozono a livello commerciale; la riduzione dell’inquinamento, sia solido (PM, VOC) che gassoso (SOx, NOx); la conversione della CO2 in combustibili (metanolo, syngas) o prodotti chimici a valore aggiunto; la fissazione dell’azoto; la sintesi del metanolo; la sintesi dei combustibili liquidi da idrocarburi più leggeri (es.L’accoppiamento tra i due diversi meccanismi può essere fatto in due modi diversi: configurazione a due stadi, chiamata anche catalisi post-plasma (PPC) e configurazione a uno stadio, chiamata anche catalisi in-plasma (IPC) o catalisi potenziata dal plasma (PEC).
Nel primo caso il reattore catalitico è posto dopo la camera del plasma. Questo significa che solo le specie a lunga vita possono raggiungere la superficie del catalizzatore e reagire, mentre i radicali a vita breve, gli ioni e le specie eccitate decadono nella prima parte del reattore. Per esempio, l’atomo di ossigeno allo stato fondamentale O(3P) ha un tempo di vita di circa 14 μs in un plasma a pressione atmosferica di aria secca. Ciò significa che solo una piccola regione del catalizzatore è in contatto con i radicali attivi. In un tale set-up a due stadi, il ruolo principale del plasma è quello di alterare la composizione del gas alimentato al reattore catalitico. In un sistema PEC, gli effetti sinergici sono maggiori poiché le specie eccitate a vita breve si formano vicino alla superficie del catalizzatore. Il modo in cui il catalizzatore è inserito nel reattore PEC influenza le prestazioni complessive. Può essere inserito nel reattore in diversi modi: in polvere (letto impaccato), depositato su schiume, depositato su materiale strutturato (nido d’ape), e rivestimento delle pareti del reattore
I reattori plasma-catalitici a letto impaccato sono comunemente usati per studi fondamentali e uno scale-up per applicazioni industriali è difficile poiché la caduta di pressione aumenta con la portata.
Interazioni plasma-catalisiModifica
In un sistema PEC, il modo in cui il catalizzatore è posizionato rispetto al plasma può influenzare il processo in diversi modi. Il catalizzatore può influenzare positivamente il plasma e viceversa, ottenendo un risultato che non può essere ottenuto utilizzando ciascun processo singolarmente. La sinergia che si stabilisce è attribuita a diversi effetti incrociati.
- Effetti del plasma sul catalizzatore:
- Cambiamento delle proprietà fisiochimiche. Il plasma cambia l’equilibrio di adsorbimento/desorbimento sulla superficie del catalizzatore, portando ad una maggiore capacità di adsorbimento. Un’interpretazione di questo fenomeno non è ancora chiara.
- Maggiore superficie del catalizzatore. Un catalizzatore esposto a una scarica può dare luogo alla formazione di nanoparticelle. Il più alto rapporto superficie/volume porta a migliori prestazioni del catalizzatore.
- Maggiore probabilità di adsorbimento.
- Cambiamento dello stato di ossidazione del catalizzatore. Alcuni catalizzatori metallici (per esempio Ni, Fe) sono più attivi nella loro forma metallica. La presenza di una scarica di plasma può indurre una riduzione degli ossidi metallici del catalizzatore, migliorando l’attività catalitica.
- Riduzione della formazione di coke. Quando si tratta di idrocarburi, la formazione di coke porta a una progressiva disattivazione del catalizzatore. La ridotta formazione di coke in presenza di plasma riduce il tasso di avvelenamento/disattivazione, prolungando così la vita di un catalizzatore.
- Presenza di nuove specie in fase gassosa. In una scarica di plasma viene prodotta una vasta gamma di nuove specie che permettono al catalizzatore di essere esposto ad esse. Gli ioni, le specie eccitate vibrazionalmente e rotazionalmente non influenzano il catalizzatore poiché perdono la carica e l’energia supplementare che possiedono quando raggiungono una superficie solida. I radicali, invece, mostrano alti coefficienti di adesione per il chemisorbimento, aumentando l’attività catalitica.
- Effetti del catalizzatore sul plasma:
- Miglioramento del campo elettrico locale. Questo aspetto è principalmente legato a una configurazione PEC a letto impaccato. La presenza di un materiale impacchettato all’interno di un campo elettrico genera un aumento locale del campo dovuto alla presenza di asperità, disomogeneità della superficie del materiale solido, presenza di pori e altri aspetti fisici. Questo fenomeno è legato all’accumulo di cariche superficiali sulla superficie del materiale da imballaggio ed è presente anche se un letto imballato viene utilizzato senza catalizzatore. Nonostante questo sia un aspetto fisico, influisce anche sulla chimica poiché altera la distribuzione dell’energia elettronica in prossimità delle asperità.
- Formazione di scariche all’interno dei pori. Questo aspetto è strettamente legato al precedente. Piccoli spazi vuoti all’interno di un materiale da imballaggio influenzano l’intensità del campo elettrico. L’aumento può anche portare ad un cambiamento nelle caratteristiche della scarica, che può essere diverso dalla condizione di scarica della regione di massa (cioè lontano dal materiale solido). L’alta intensità del campo elettrico può anche portare alla produzione di specie diverse che non sono osservate nel bulk.
- Cambiamento del tipo di scarica. L’inserimento di un materiale dielettrico in una regione di scarica porta ad uno spostamento del tipo di scarica. Da un regime filamentoso si stabilisce una scarica mista filamentosa/superficiale. Gli ioni, le specie eccitate e i radicali si formano in una regione più ampia se è presente un regime di scarica superficiale.
Gli effetti dei catalizzatori sul plasma sono principalmente legati alla presenza di un materiale dielettrico all’interno della regione di scarica e non richiedono necessariamente la presenza di un catalizzatore.