LivsmedelsindustriRedigera
I samband med livsmedelsförädling är icke-termisk plasma (NTP) eller kall plasma särskilt en antimikrobiell behandling som undersöks för tillämpning på frukt, grönsaker och köttprodukter med ömtåliga ytor. Dessa livsmedel är antingen inte tillräckligt sanerade eller är på annat sätt olämpliga för behandling med kemikalier, värme eller andra konventionella verktyg för livsmedelsbearbetning. Tillämpningarna av icke-termisk plasma var ursprungligen inriktade på mikrobiologisk desinfektion, men nyare tillämpningar, t.ex. inaktivering av enzymer, modifiering av proteiner och spridning av bekämpningsmedel, undersöks aktivt. Icke-termisk plasma används också allt oftare för sterilisering av tänder och händer, i handtorkare och i självdekontaminerande filter. En särskild konfiguration av plasmaurladdning som innebär jonisering av luft eller en specifik gasblandning inuti en förseglad förpackning, kallad ”kall plasma i förpackningen”, har nyligen väckt stor uppmärksamhet.
Tecknet kall plasma har nyligen använts som en bekväm beskrivare för att särskilja plasmaurladdningar som sker i en atmosfär, nära rumstemperatur, från andra plasmatyper som arbetar vid hundratals eller tusentals grader över den omgivande temperaturen (se Plasma (fysik) § Temperaturer). I samband med livsmedelsbearbetning kan begreppet ”kallt” eventuellt ge en missvisande bild av att det krävs kylning som en del av plasmabehandlingen. I praktiken har denna förvirring dock inte varit något problem. ”Kalla plasmor” kan också löst hänvisa till svagt joniserade gaser (joniseringsgrad < 0,01%).
NomenklaturRedigera
Nomenklaturen för icke-termisk plasma som återfinns i den vetenskapliga litteraturen är varierande. I vissa fall benämns plasman genom den specifika teknik som används för att generera den (”glidande båge”, ”plasmapenna”, ”plasmanål”, ”plasmanål”, ”plasmajet”, ”dielektrisk barriärurladdning”, ”piezoelektrisk direkturladdningsplasma” osv.), medan andra benämningar är mer allmänt beskrivande och grundar sig på egenskaperna hos den genererade plasman (”enhetlig glödurladdningsplasma i en atmosfär”, ”atmosfärisk plasma”, ”icke-termiska urladdningar vid omgivningstryck”, ”plasmor som inte befinner sig i jämvikt vid atmosfärstryck”, etc.). De två egenskaper som skiljer NTP från andra mogna, industriellt tillämpade plasmatekniker är att de är 1) icke-termiska och 2) fungerar vid eller nära atmosfärstryck.
TechnologiesEdit
| NTP-teknologiklass | |||
|---|---|---|---|
| I. Fjärrbehandling | II. Direktbehandling | III. Elektrodekontakt | |
| Natur av tillämpad NTP | Avklingande plasma (efterljus) – långlivade kemiska arter | Aktivt plasma – kort- och långlivade arter | Aktivt plasma – alla kemiska arter, inklusive kortlivade och jonbombardemang |
| NTP-täthet och energi | Måttlig täthet – målet ligger långt från elektroderna. En större volym NTP kan dock genereras med hjälp av flera elektroder | Högre densitet – mål i den direkta vägen för ett flöde av aktiv NTP | Högsta densitet – mål inom NTP-genereringsfältet |
| Målets avstånd från den NTP-genererande elektroden | Underlag: ca. 5 – 20 cm; det är osannolikt att ljusbågar (filamentös urladdning) kommer i kontakt med målet vid alla effektinställningar | Omkring 1 – 5 cm; ljusbågar kan förekomma vid högre effektinställningar, kan komma i kontakt med målet | Omkring ≤ 1 cm; Bågbildning kan uppstå mellan elektroder och mål vid högre effektinställningar |
| Elektrisk ledning genom målet | Nej | Inte vid normal drift, men möjlig vid bågbildning | Ja, om målet används som elektrod ELLER om målet mellan monterade elektroder är elektriskt ledande |
| Lämplighet för oregelbundna ytor | Hög – NTP-genereringens avlägsna karaktär innebär maximal flexibilitet i tillämpningen av NTP-efterglödsströmmen | Måttligt hög – NTP transporteras till målet på ett riktat sätt, kräver antingen rotation av målet eller flera NTP-sändare | Måttligt lågt – Nära avstånd krävs för att bibehålla NTP:s jämnhet. Elektroderna kan dock formas så att de passar en definierad, jämn yta. |
| Exempel på teknik | Fjärrexponeringsreaktor, plasmapenna | Glidbåge; plasmanål; mikrovågsinducerat plasmarör | Parallellplattreaktor; nålplattreaktor; resistiv barriärurladdning; dielektrisk barriärurladdning |
|
|
|
|
MedicineEdit
Ett framväxande område tillför möjligheterna med icke-termisk plasma till tandvård och medicin.
EnergiproduktionEdit
Magnetohydrodynamisk kraftgenerering, en direkt energiomvandlingsmetod från en varm gas i rörelse inom ett magnetfält utvecklades på 1960- och 1970-talen med pulsade MHD-generatorer som kallas chockrör, med hjälp av icke-jämviktsplasmer som är seedade med alkalimetallångor (t.ex. cesium, för att öka gasers begränsade elektriska ledningsförmåga) som värms upp vid en begränsad temperatur på 2 000-4 000 kelvin (för att skydda väggarna från termisk erosion), men där elektronerna värms upp vid mer än 10 000 kelvin.
Ett särskilt och ovanligt fall av ”omvänd” icke-termisk plasma är den mycket höga temperaturplasma som produceras av Z-maskinen, där joner är mycket varmare än elektroner.
AerospaceEdit
Aerodynamiska aktiva lösningar för flödesreglering som involverar teknologiska icke-termiska svagt joniserade plasmatyper för underljuds-, överljuds- och hypersonisk flygning studeras, som plasmaaktuatorer inom området elektrohydrodynamik, och som magnetohydrodynamiska omvandlare när magnetfält också är inblandade.
Studier som utförs i vindtunnlar innebär för det mesta ett lågt atmosfärstryck som liknar en höjd på 20-50 km, vilket är typiskt för överljudsflygning, där luftens elektriska ledningsförmåga är högre, och därför kan icke-termiska svagt joniserade plasmatyper lätt framställas med en mindre energikostnad.
KatalysisEdit
Atmosfäriskt tryck icke-termiska plasmatyper kan användas för att främja kemiska reaktioner. Kollisioner mellan elektroner med hög temperatur och kalla gasmolekyler kan leda till dissociationsreaktioner och efterföljande bildning av radikaler. Denna typ av urladdning uppvisar reaktionsegenskaper som vanligtvis ses i högtemperatururladdningssystem. Icke-termisk plasma används också tillsammans med en katalysator för att ytterligare förbättra den kemiska omvandlingen av reaktanter eller för att ändra produkternas kemiska sammansättning.
Av de olika tillämpningsområdena kan nämnas ozonproduktion på kommersiell nivå, bekämpning av föroreningar, både i fast form (partiklar, flyktiga organiska föreningar) och i gasform (SOx, NOx), omvandling av koldioxid till bränslen (metanol, syntesgas) eller mervärdeskemikalier, kvävefixering, syntes av metanol, syntes av flytande bränslen från lättare kolväten (t.ex.metan), väteproduktion via reformering av kolväten
KonfigurationerEdit
Kopplingen mellan de två olika mekanismerna kan göras på två olika sätt: tvåstegskonfiguration, även kallad post-plasmakatalys (PPC), och enstegskonfiguration, även kallad in-plasmakatalys (IPC) eller plasmaförstärkt katalys (PEC).
I det första fallet är den katalytiska reaktorn placerad efter plasmakammaren. Detta innebär att endast de långlivade arterna kan nå katalysatorytan och reagera, medan kortlivade radikaler, joner och exciterade arter sönderfaller i den första delen av reaktorn. Som exempel kan nämnas att syreatomen O(3P), som befinner sig i grundtillstånd, har en livslängd på cirka 14 μs i ett plasma med atmosfäriskt tryck i torr luft. Detta innebär att endast en liten del av katalysatorn är i kontakt med aktiva radikaler. I en sådan tvåstegskonfiguration är plasmat i första hand till för att ändra gassammansättningen i den katalytiska reaktorn. I ett PEC-system är synergieffekterna större eftersom kortlivade exciterade arter bildas nära katalysatorytan. Det sätt på vilket katalysatorn sätts in i PEC-reaktorn påverkar den totala prestandan. Den kan placeras i reaktorn på olika sätt: i pulverform (packad bädd), deponerad på skum, deponerad på strukturerat material (honeycomb) och beläggning av reaktorväggarna
Packad bädd plasmakatalytisk reaktor används vanligen för grundläggande studier och en uppskalning till industriella tillämpningar är svår eftersom tryckfallet ökar med flödeshastigheten.
Samverkan mellan plasma och katalysEdit
I ett PEC-system kan det sätt på vilket katalysatorn är placerad i förhållande till plasman påverka processen på olika sätt. Katalysatorn kan påverka plasman positivt och vice versa vilket resulterar i ett resultat som inte kan erhållas genom att använda varje process individuellt. Den synergi som etableras tillskrivs olika korseffekter.
- Plasmaeffekter på katalysatorn:
- Förändring av de fysikalisk-kemiska egenskaperna. Plasma ändrar jämvikten mellan adsorption och desorption på katalysatorytan, vilket leder till högre adsorptionsförmåga. Tolkningen av detta fenomen är ännu inte klar.
- Större katalysatoryta. En katalysator som utsätts för en urladdning kan ge upphov till bildning av nanopartiklar. Det högre förhållandet mellan yta och volym leder till bättre katalysatorprestanda.
- Högre adsorptionssannolikhet.
- Förändring av katalysatorns oxidationstillstånd. Vissa metalliska katalysatorer (t.ex. Ni och Fe) är mer aktiva i sin metalliska form. Närvaron av en plasmaurladdning kan inducera en reduktion av katalysatorns metalloxider, vilket förbättrar den katalytiska aktiviteten.
- Minskad koksbildning. Vid behandling av kolväten leder koksbildning till en gradvis deaktivering av katalysatorn. Den minskade koksbildningen i närvaro av plasma minskar förgiftningen/deaktiveringshastigheten och förlänger därmed livslängden på katalysatorn.
- Närvaro av nya gasfasarter. I en plasmaurladdning produceras ett brett spektrum av nya arter som gör att katalysatorn kan exponeras för dem. Ioner, vibrationellt och rotationsmässigt exciterade arter påverkar inte katalysatorn eftersom de förlorar laddning och den extra energi de har när de når en fast yta. Radikaler uppvisar i stället höga stickkoefficienter för kemisorption, vilket ökar den katalytiska aktiviteten.
- Katalysatoreffekter på plasma:
- Lokal förstärkning av det elektriska fältet. Denna aspekt är huvudsakligen relaterad till en PEC-konfiguration med packad bädd. Närvaron av ett packningsmaterial i ett elektriskt fält genererar lokala fältförstärkningar på grund av förekomsten av asperger, inhomogeniteter i fasta materialytor, förekomst av porer och andra fysikaliska aspekter. Detta fenomen är relaterat till ackumulering av ytladdningar på packningsmaterialets yta och förekommer även om en packad bädd används utan katalysator. Trots att detta är en fysisk aspekt påverkar det också kemin eftersom det förändrar elektronernas energifördelning i närheten av asperiterna.
- Urladdningsbildning i porer. Denna aspekt är strikt relaterad till den föregående. Små hålrum inuti ett packningsmaterial påverkar styrkan i det elektriska fältet. Förstärkningen kan också leda till en förändring av urladdningsegenskaperna, som kan skilja sig från urladdningstillståndet i bulkområdet (dvs. långt från det fasta materialet). Det elektriska fältets höga intensitet kan också leda till produktion av olika arter som inte observeras i bulken.
- Förändring av urladdningstypen. Införandet av ett dielektriskt material i ett urladdningsområde leder till en förskjutning av urladdningstypen. Från en filamentär regim etableras en blandad filamentär/ytans urladdning. Ioner, exciterade arter och radikaler bildas i ett bredare område om en ytavladdning förekommer.
Katalysatoreffekter på plasma är mestadels relaterade till närvaron av ett dielektriskt material inne i urladdningsområdet och kräver inte nödvändigtvis närvaro av en katalysator.