Plasma não térmico

Indústria alimentarEditar

No contexto do processamento alimentar, um plasma não térmico (NTP) ou plasma frio é especificamente um tratamento antimicrobiano a ser investigado para aplicação em frutas, vegetais e produtos cárneos com superfícies frágeis. Esses alimentos ou não são adequadamente higienizados ou são inadequados para tratamento com produtos químicos, calor ou outras ferramentas convencionais de processamento de alimentos. Enquanto as aplicações de plasma não térmico foram inicialmente focadas na desinfecção microbiológica, novas aplicações como inativação enzimática, modificação de proteínas e dissipação de pesticidas estão sendo ativamente pesquisadas. O plasma não térmico também vê uso crescente na esterilização de dentes e mãos, em secadores de mãos, bem como em filtros auto-decontaminantes. Uma configuração particular de descarga de plasma envolvendo ionização do ar ou uma mistura de gás específica dentro de uma embalagem selada, referida como “in-package cold plasma” tem recentemente atraído muita atenção.

O termo plasma frio tem sido usado recentemente como um descritor conveniente para distinguir as descargas de plasma de uma atmosfera, perto da temperatura ambiente, de outros plasmas, operando a centenas ou milhares de graus acima do ambiente (ver Plasma (física) § Temperaturas). No contexto do processamento de alimentos, o termo “frio” pode potencialmente gerar imagens enganosas dos requisitos de refrigeração como parte do tratamento do plasma. Contudo, na prática, esta confusão não tem sido um problema. “Plasmas frios” também podem se referir vagamente a gases fracamente ionizados (grau de ionização < 0,01%).

NomenclatureEdit

A nomenclatura para plasma não térmico encontrada na literatura científica é variada. Em alguns casos, o plasma é referido pela tecnologia específica utilizada para gerá-lo (“arco deslizante”, “lápis de plasma”, “agulha de plasma”, “jato de plasma”, “descarga de barreira dielétrica”, “plasma piezoelétrico de descarga direta”, etc.), enquanto outros nomes são mais geralmente descritivos, baseados nas características do plasma gerado (“plasma de descarga uniforme de um brilho atmosférico”, “plasma atmosférico”, “descargas não térmicas de pressão ambiente”, “plasmas de pressão atmosférica não-equilibrada”, etc.). As duas características que distinguem o NTP de outras tecnologias de plasma maduras, aplicadas industrialmente, é que elas são 1) não térmicas e 2) operam à pressão atmosférica ou perto dela.

TecnologiasEditar

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MedicineEdit

Um campo emergente adiciona as capacidades do plasma não térmico à odontologia e medicina.

Geração de energiaEditar

Geração de energia magneto-hidrodinâmica, um método de conversão direta de energia de um gás quente em movimento dentro de um campo magnético foi desenvolvido nos anos 60 e 70 com geradores de MHD pulsados conhecidos como tubos de choque, usando plasmas não-equilibéricos semeados com vapores de metais alcalinos (como o césio, para aumentar a condutividade eléctrica limitada dos gases) aquecidos a uma temperatura limitada de 2000 a 4000 kelvins (para proteger as paredes da erosão térmica) mas onde os electrões foram aquecidos a mais de 10.000 kelvins.

Um caso particular e incomum de plasma não térmico “inverso” é o plasma de temperatura muito alta produzido pela máquina Z, onde os íons são muito mais quentes que os elétrons.

AerospaceEdit

Soluções de controle de fluxo ativo aerodinâmico envolvendo plasmas tecnológicos não térmicos fracamente ionizados para vôo subsônico, supersônico e hipersônico estão sendo estudados, como atuadores de plasma no campo da eletro-hidrodinâmica, e como conversores magnetohidrodinâmicos quando campos magnéticos também estão envolvidos.

Estudos realizados em túneis de vento envolvem na maioria das vezes uma baixa pressão atmosférica semelhante a uma altitude de 20-50 km, típica do voo hipersónico, onde a condutividade eléctrica do ar é mais elevada, daí que plasmas não térmicos fracamente ionizados possam ser facilmente produzidos com um menor gasto de energia.

DiáliseEditar

Plasma não térmico de pressão atmosférica pode ser usado para promover reacções químicas. Colisões entre elétrons de temperatura quente e moléculas de gás frio podem levar a reações de dissociação e a subsequente formação de radicais. Este tipo de descarga exibe propriedades de reacção que são normalmente observadas em sistemas de descarga a alta temperatura. O plasma não térmico é também utilizado em conjunto com um catalisador para melhorar ainda mais a conversão química dos reagentes ou para alterar a composição química dos produtos.

Dentre os diferentes campos de aplicação, há produção de ozono a nível comercial; redução da poluição, tanto sólida (PM, COV) como gasosa (SOx, NOx); conversão de CO2 em combustíveis (metanol, syngas) ou produtos químicos de valor acrescentado; fixação de nitrogénio; síntese de metanol; síntese de combustíveis líquidos a partir de hidrocarbonetos mais leves (e.g. metano), produção de hidrogênio via reforma de hidrocarbonetos

ConfiguraçõesEditar

O acoplamento entre os dois mecanismos diferentes pode ser feito de duas formas diferentes: configuração em dois estágios, também chamada de catálise pós-plasma (PPC) e configuração em um estágio, também chamada de catálise em plasma (PEC).

No primeiro caso o reator catalítico é colocado após a câmara de plasma. Isto significa que apenas as espécies de vida longa podem alcançar a superfície do catalisador e reagir, enquanto os radicais de vida curta, iões e espécies excitadas decaem na primeira parte do reactor. Como exemplo, o átomo de oxigênio O(3P) tem uma vida útil de cerca de 14 μs em um plasma de pressão atmosférica de ar seco. Isto significa que apenas uma pequena região do catalisador está em contato com radicais ativos. Em uma configuração de dois estágios, o papel principal do plasma é alterar a composição do gás alimentado ao reator catalítico. Em um sistema PEC, os efeitos sinérgicos são maiores, uma vez que espécies excitadas de curta duração são formadas perto da superfície do catalisador. A forma como o catalisador é inserido no reator PEC influencia o desempenho geral. Ele pode ser colocado dentro do reator de diferentes maneiras: na forma de pó (leito embalado), depositado em espumas, depositado em material estruturado (favo de mel), e revestimento das paredes do reator

Reator plasmático-catalítico de leito embalado são comumente usados para estudos fundamentais e uma escalada para aplicações industriais é difícil uma vez que a queda de pressão aumenta com a vazão.

Interacções plasma-catáliseEditar

Num sistema PEC, a forma como o catalisador é posicionado em relação ao plasma pode afectar o processo de diferentes formas. O catalisador pode influenciar positivamente o plasma e vice-versa resultando em uma saída que não pode ser obtida usando cada processo individualmente. A sinergia que é estabelecida é atribuída a diferentes efeitos cruzados.

• Efeitos do plasma no catalisador:
  • Alteração das propriedades físico-químicas. O plasma altera o equilíbrio de adsorção/dessorção na superfície do catalisador levando a uma maior capacidade de adsorção. Uma interpretação para este fenómeno ainda não é clara.
  • Maior área de superfície do catalisador. Um catalisador exposto a uma descarga pode dar origem à formação de nanopartículas. A maior relação superfície/volume leva a um melhor desempenho do catalisador.
  • Maior probabilidade de adsorção.
  • Alteração do estado de oxidação do catalisador. Alguns catalisadores metálicos (por exemplo Ni, Fe) são mais ativos em sua forma metálica. A presença de uma descarga de plasma pode induzir uma redução dos óxidos metálicos do catalisador, melhorando a atividade catalítica.
  • Redução da formação de coque. Quando se trata de hidrocarbonetos, a formação de coque leva a uma progressiva desativação do catalisador. A reduzida formação de coque na presença de plasma reduz a taxa de envenenamento/desativação e, portanto, estendendo a vida útil de um catalisador.
  • Presença de novas espécies de fase gasosa. Em uma descarga de plasma é produzida uma ampla gama de novas espécies, permitindo que o catalisador seja exposto a elas. Os íons, as espécies excitadas por vibração e rotação não afetam o catalisador, pois perdem carga e a energia adicional que possuem quando atingem uma superfície sólida. Os radicais, pelo contrário, apresentam coeficientes de aderência elevados para a quimiorção, aumentando a actividade catalítica.

• Efeitos catalisadores no plasma:
  • Aumento do campo eléctrico local. Este aspecto está principalmente relacionado com uma configuração PEC em leito compactado. A presença de um material de embalagem dentro de um campo elétrico gera melhorias locais do campo devido à presença de asperezas, falta de homogeneidade da superfície do material sólido, presença de poros e outros aspectos físicos. Este fenômeno está relacionado ao acúmulo de carga superficial na superfície do material de embalagem e está presente mesmo que um leito de embalagem seja utilizado sem um catalisador. Apesar de ser um aspecto físico, também afecta a química uma vez que altera a distribuição de energia dos electrões na proximidade das asperezas.
  • Formação de descargas no interior dos poros. Este aspecto está estritamente relacionado com o anterior. Pequenos espaços vazios no interior de um material de embalagem afectam a resistência do campo eléctrico. A melhoria também pode levar a uma mudança nas características de descarga, que pode ser diferente da condição de descarga da região a granel (ou seja, longe do material sólido). A alta intensidade do campo elétrico também pode levar à produção de diferentes espécies que não são observadas no bulk.
  • Mudança no tipo de descarga. A inserção de um material dielétrico em uma região de descarga leva a uma mudança no tipo de descarga. A partir de um regime filamentar é estabelecida uma descarga mista filamentar/superficial. Iões, espécies excitadas e radicais são formados em uma região mais ampla se um regime de descarga superficial estiver presente.

Os efeitos catalizadores no plasma estão principalmente relacionados com a presença de um material dielétrico dentro da região de descarga e não necessariamente requerem a presença de um catalisador.