Plasma nontermică

Industria alimentarăEdit

În contextul prelucrării alimentelor, plasma nontermică (NTP) sau plasma rece este în mod specific un tratament antimicrobian studiat pentru aplicarea la fructe, legume și produse din carne cu suprafețe fragile. Aceste alimente fie nu sunt dezinfectate în mod corespunzător, fie sunt inadecvate pentru tratamentul cu substanțe chimice, căldură sau alte instrumente convenționale de prelucrare a alimentelor. În timp ce aplicațiile plasmei nontermice s-au axat inițial pe dezinfecția microbiologică, sunt cercetate în mod activ aplicații mai noi, cum ar fi inactivarea enzimelor, modificarea proteinelor și disiparea pesticidelor. Plasma nontermică este, de asemenea, din ce în ce mai mult utilizată în sterilizarea dinților și a mâinilor, în uscătoarele de mâini, precum și în filtrele autodecontaminante. O configurație particulară de descărcare în plasmă care implică ionizarea aerului sau a unui amestec de gaze specific în interiorul unui ambalaj sigilat, denumită „plasmă rece în ambalaj”, a atras recent multă atenție.

Termenul de plasmă rece a fost folosit recent ca un descriptor convenabil pentru a distinge descărcările de plasmă cu o singură atmosferă, aproape de temperatura camerei, de alte plasme, care funcționează la sute sau mii de grade peste temperatura ambiantă (vezi Plasmă (fizică) § Temperaturi). În contextul prelucrării alimentelor, termenul „rece” poate genera imagini înșelătoare cu privire la cerințele de refrigerare ca parte a tratamentului cu plasmă. Cu toate acestea, în practică, această confuzie nu a reprezentat o problemă. „Plasmele reci” se pot referi, de asemenea, în sens larg la gaze slab ionizate (grad de ionizare < 0,01%).

NomenclaturăEdit

Nomenclatura pentru plasmele nontermice întâlnită în literatura științifică este variată. În unele cazuri, plasma este menționată prin tehnologia specifică utilizată pentru a o genera („arc glisant”, „creion de plasmă”, „ac de plasmă”, „jet de plasmă”, „descărcare cu barieră dielectrică”, „plasmă cu descărcare directă piezoelectrică” etc.), în timp ce alte denumiri sunt mai general descriptive, pe baza caracteristicilor plasmei generate („plasmă cu descărcare luminoasă uniformă la o atmosferă”, „plasmă atmosferică”, „descărcări nontermice la presiune ambientală”, „plasme la presiune atmosferică de neechilibru” etc.). Cele două caracteristici care diferențiază NTP de alte tehnologii cu plasmă mature, aplicate la nivel industrial, sunt faptul că acestea sunt 1) nontermice și 2) funcționează la presiune atmosferică sau aproape de aceasta.

TehnologiiEdit

	Clasa de tehnologie NTP
	I. Tratament la distanță	II. Tratament direct	III. Contactul cu electrozii
Natura NTP aplicată	Plasma în descreștere (afterglow) – specii chimice cu durată de viață mai lungă	Plasma activă – specii cu durată de viață scurtă și lungă	Plasma activă – toate speciile chimice, inclusiv cele cu viață mai scurtă și bombardament ionic
Densitatea și energia PNT	Densitate moderată – țintă îndepărtată de electrozi. Cu toate acestea, se poate genera un volum mai mare de NTP cu ajutorul mai multor electrozi	Densitate mai mare – țintă aflată în calea directă a unui flux de NTP activ	Densitate mai mare – țintă aflată în câmpul de generare a NTP
Distanța dintre țintă și electrodul generator de NTP	Aprox. 5 – 20 cm; este puțin probabil ca arcul electric (descărcare filamentoasă) să intre în contact cu ținta la orice setare de putere	Aprox. 1 – 5 cm; arcul electric poate apărea la setări de putere mai mari, poate intra în contact cu ținta	Aprox. ≤ 1 cm; arcul electric poate apărea între electrozi și țintă la setări de putere mai mari
Conducție electrică prin țintă	Nu	Nu în condiții normale de funcționare, dar este posibil în timpul arderii electrice	Da, dacă ținta este folosită ca electrod SAU dacă ținta dintre electrozii montați este conducătoare de electricitate
Aptitudine pentru suprafețe neregulate	Elevată – natura la distanță a generării NTP înseamnă flexibilitate maximă de aplicare a fluxului de postlucire NTP	Moderat ridicată – NTP este transmis către țintă în mod direcțional, necesitând fie rotația țintei, fie mai mulți emițători NTP	Moderat scăzut – este necesară o spațiere strânsă pentru a menține uniformitatea NTP. Cu toate acestea, electrozii pot fi conformați pentru a se potrivi unei suprafețe definite și consistente.
Exemple de tehnologii	Reactor de expunere la distanță, creion cu plasmă	Arc glisant; ac cu plasmă; tub cu plasmă indusă prin microunde	Reactor cu plăci paralele; reactor ac-placă ac; descărcare cu barieră rezistivă; descărcare cu barieră dielectrică
	Gadri et al., 2000. Surface Coatings Technol 131:528-542 Laroussi și Lu, 2005. Appl. phys. lett. 87:113902 Montie și colab., 2000. IEEE Trans Plasma Sci 28:41-50	Lee et al., 2005. Surface Coatings Technol 193:35-38 Niemira et al., 2005. P2. IFT NPD Mtg., Wyndmoor, Pennsylvania NIemira et al., 2005. P2-40. IAFP Mtg., Baltimore, Maryland Sladek și Stoffels, 2005. J Phys D: Appl Phys 38:1716-1721 Stoffels et al., 2002. Plasma Sources Sci. Technol. 11:383-388	Deng et al., 2005. Lucrarea #056149, ASAE Ann. Mtg., Tampa, Florida Kelly-Wintenberg et al., 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., 2005. P2. IFT NPD Mtg., Wyndmoor, Pennsylvania NIemira et al., 2005. P2-40. IAFP Mtg., Baltimore, Maryland

MedicineEdit

Articolul principal: Medicină cu plasmă

Un domeniu emergent adaugă capacitățile plasmei nontermice în stomatologie și medicină.

Producerea de energieEdit

Articol principal: Generator magnetohidrodinamic

Vezi și: Generator de energie electrică: Instabilitate electrotermică

Generarea de energie magnetohidrodinamică, o metodă de conversie directă a energiei dintr-un gaz fierbinte în mișcare în interiorul unui câmp magnetic a fost dezvoltată în anii 1960 și 1970 cu generatoare MHD pulsatorii cunoscute sub numele de tuburi de șoc, folosind plasme de neechilibru însămânțate cu vapori de metale alcaline (cum ar fi cesiu, pentru a crește conductivitatea electrică limitată a gazelor) încălzite la o temperatură limitată de 2000 până la 4000 kelvins (pentru a proteja pereții de eroziunea termică), dar în care electronii au fost încălziți la mai mult de 10.000 kelvins.

Un caz particular și neobișnuit de plasmă nontermică „inversă” este plasma de temperatură foarte ridicată produsă de mașina Z, unde ionii sunt mult mai fierbinți decât electronii.

AerospațialăEdit

Articolul principal: Convertor magnetohidrodinamic

Vezi și: Convertor magnetohidrodinamic

Vezi și: Convertor magnetohidrodinamic: Legea lui Paschen

Sunt studiate soluții de control activ al fluxului aerodinamic care implică plasme tehnologice nontermice slab ionizate pentru zboruri subsonice, supersonice și hipersonice, ca actuatori de plasmă în domeniul electrohidrodinamicii și ca convertoare magnetohidrodinamice atunci când sunt implicate și câmpuri magnetice.

Studiile efectuate în tunelurile aerodinamice implică de cele mai multe ori o presiune atmosferică scăzută, similară cu o altitudine de 20-50 km, tipică zborului hipersonic, unde conductivitatea electrică a aerului este mai mare, prin urmare plasmele non-termice slab ionizate pot fi produse cu ușurință, cu o cheltuială mai mică de energie.

CatalizăEdit

Plasma non-termică la presiune atmosferică poate fi utilizată pentru a favoriza reacțiile chimice. Coliziunile dintre electronii de temperatură caldă și moleculele reci de gaz pot duce la reacții de disociere și la formarea ulterioară de radicali. Acest tip de descărcare prezintă proprietăți de reacție care sunt de obicei observate în sistemele de descărcare la temperaturi înalte. Plasma non-termică este, de asemenea, utilizată împreună cu un catalizator pentru a spori și mai mult conversia chimică a reactanților sau pentru a modifica compoziția chimică a produselor.

Printre diferitele domenii de aplicare, se numără producția de ozon la nivel comercial; reducerea poluării, atât a celei solide (PM, COV), cât și a celei gazoase (SOx, NOx); conversia CO2 în combustibili (metanol, gaz de sinteză) sau în substanțe chimice cu valoare adăugată; fixarea azotului; sinteza metanolului; sinteza combustibililor lichizi din hidrocarburi mai ușoare (de ex.de exemplu, metan), producția de hidrogen prin reformarea hidrocarburilor

ConfigurațiiEdit

Cuplarea între cele două mecanisme diferite se poate face în două moduri diferite: configurație în două etape, denumită și cataliză post-plasmă (PPC) și configurație într-o singură etapă, denumită și cataliză în plasmă (IPC) sau cataliză îmbunătățită cu plasmă (PEC).

În primul caz, reactorul catalitic este plasat după camera de plasmă. Aceasta înseamnă că numai speciile cu durată lungă de viață pot ajunge la suprafața catalizatorului și pot reacționa, în timp ce radicalii cu durată scurtă de viață, ionii și speciile excitate se descompun în prima parte a reactorului. De exemplu, atomul de oxigen în stare fundamentală O(3P) are o durată de viață de aproximativ 14 μs într-o plasmă de aer uscat la presiune atmosferică. Aceasta înseamnă că doar o mică regiune a catalizatorului este în contact cu radicalii activi. Într-un astfel de montaj în două etape, rolul principal al plasmei este de a modifica compoziția gazului alimentat în reactorul catalitic. Într-un sistem PEC, efectele sinergice sunt mai mari, deoarece speciile excitate de scurtă durată se formează în apropierea suprafeței catalizatorului. Modul în care este introdus catalizatorul în reactorul PEC influențează performanța generală. Acesta poate fi plasat în interiorul reactorului în diferite moduri: sub formă de pulbere (pat împachetat), depus pe spumă, depus pe material structurat (fagure de miere) și acoperirea pereților reactorului

Reactorul catalitic cu plasmă cu pat împachetat este utilizat în mod obișnuit pentru studii fundamentale, iar extinderea la aplicații industriale este dificilă, deoarece căderea de presiune crește odată cu debitul.

Interacțiuni plasmă-catalizăEdit

Într-un sistem PEC, modul în care este poziționat catalizatorul în raport cu plasma poate afecta procesul în diferite moduri. Catalizatorul poate influența pozitiv plasma și viceversa, rezultând un rezultat care nu poate fi obținut folosind fiecare proces în parte. Sinergia care se stabilește este atribuită diferitelor efecte încrucișate.

Efectele plasmei asupra catalizatorului:
- Modificarea proprietăților fizico-chimice. Plasma modifică echilibrul de adsorbție/desorbție pe suprafața catalizatorului, ceea ce conduce la capacități de adsorbție mai mari. O interpretare a acestui fenomen nu este încă clară.
- Suprafață mai mare a catalizatorului. Un catalizator expus la o descărcare poate da naștere la formarea de nanoparticule. Raportul suprafață/volum mai mare conduce la performanțe mai bune ale catalizatorului.
- Probabilitate de adsorbție mai mare.
- Schimbare a stării de oxidare a catalizatorului. Unii catalizatori metalici (de exemplu, Ni, Fe) sunt mai activi în forma lor metalică. Prezența unei descărcări în plasmă poate induce o reducere a oxizilor metalici ai catalizatorului, îmbunătățind activitatea catalitică.
- Reducerea formării de cocs. În cazul hidrocarburilor, formarea de cocs duce la o dezactivare progresivă a catalizatorului. Formarea redusă de cocs în prezența plasmei reduce rata de otrăvire/dezactivare și, astfel, prelungește durata de viață a unui catalizator.
- Prezența unor noi specii în fază gazoasă. Într-o descărcare în plasmă se produce o gamă largă de specii noi, permițând catalizatorului să fie expus la acestea. Ionii, speciile excitate vibrațional și rotațional nu afectează catalizatorul, deoarece pierd sarcina și energia suplimentară pe care o posedă atunci când ating o suprafață solidă. Radicalii, în schimb, prezintă coeficienți mari de aderență pentru chemisorbție, crescând activitatea catalitică.

Efectele catalizatorului asupra plasmei:
- Îmbunătățirea câmpului electric local. Acest aspect este legat în principal de o configurație PEC cu pat împachetat. Prezența unui material de împachetare în interiorul unui câmp electric generează intensificări locale ale câmpului datorită prezenței asperităților, neomogenităților suprafeței materialului solid, prezenței porilor și altor aspecte fizice. Acest fenomen este legat de acumularea de sarcină superficială pe suprafața materialului de împachetare și este prezent chiar dacă se utilizează un pat de împachetare fără catalizator. În ciuda faptului că este un aspect fizic, acesta afectează și chimia, deoarece modifică distribuția energiei electronice în apropierea asperităților.
- Formarea descărcărilor în interiorul porilor. Acest aspect este strict legat de cel precedent. Spațiile mici de goluri din interiorul unui material de împachetare afectează intensitatea câmpului electric. Această îmbunătățire poate duce, de asemenea, la o modificare a caracteristicilor descărcărilor, care pot fi diferite de condițiile de descărcare din regiunea de masă (adică departe de materialul solid). Intensitatea mare a câmpului electric poate duce, de asemenea, la producerea de specii diferite care nu sunt observate în volum.
- Schimbarea tipului de descărcare. Introducerea unui material dielectric într-o regiune de descărcare conduce la o schimbare a tipului de descărcare. Dintr-un regim filamentar se stabilește o descărcare mixtă filamentară/suprafață. Ionii, speciile excitate și radicalii se formează într-o regiune mai largă în cazul în care există un regim de descărcare de suprafață.

Efectele catalizatorilor asupra plasmei sunt legate în principal de prezența unui material dielectric în interiorul regiunii de descărcare și nu necesită neapărat prezența unui catalizator.