Netermální plazma - Nonthermal plasma
Netermální plazma , studený plazma nebo nerovnovážné plazmy je plazma , která není v termodynamické rovnováze , protože teplota elektronu je mnohem teplejší, než je teplota těžkých druhů (iontů a neutrálních). Jelikož jsou termalizovány pouze elektrony, jejich distribuce rychlosti Maxwell-Boltzmann je velmi odlišná od distribuce rychlosti iontů. Když jedna z rychlostí druhu nedodržuje Maxwellovu-Boltzmannovu distribuci, plazma je údajně nemaxwellovská.
Druhem běžného netermálního plazmatu je plynný rtuťový plyn ve fluorescenční lampě , kde „elektronový plyn“ dosahuje teploty 20 000 K (19 700 ° C ; 35 500 ° F ), zatímco zbytek plynu, iontů a neutrálních atomů, zůstává sotva nad pokojovou teplotou, takže se žárovky lze během provozu dotýkat dokonce rukama.
Aplikace
Potravinářský průmysl
V kontextu zpracování potravin je netermální plazma ( NTP ) nebo studená plazma specificky antimikrobiální léčbou, která je zkoumána pro aplikaci na ovoce, zeleninu a masné výrobky s křehkými povrchy. Tyto potraviny buď nejsou dostatečně dezinfikovány, nebo jsou jinak nevhodné pro ošetření chemikáliemi, teplem nebo jinými běžnými nástroji pro zpracování potravin. Zatímco aplikace netermální plazmy byly původně zaměřeny na mikrobiologickou dezinfekci, novější aplikace, jako je inaktivace enzymů, modifikace proteinů a rozptyl pesticidů, se aktivně zkoumají. Netermální plazma se také čím dál častěji používá při sterilizaci zubů a rukou, v sušičkách rukou i v dekontaminačních filtrech. Zvláštní konfigurace plazmového výboje zahrnující ionizaci vzduchu nebo specifické plynné směsi uvnitř uzavřeného obalu, označovaná jako "studená plazma v balení", v poslední době přitahuje velkou pozornost.
Pojem studená plazma byl nedávno použit jako vhodný deskriptor k odlišení plazmatických výbojů v jedné atmosféře , blízkých pokojové teplotě od jiných plazmatů, pracujících ve stovkách nebo tisících stupňů nad okolní teplotou (viz Plasma (fyzika) § Teplota ). V kontextu zpracování potravin může termín „studený“ potenciálně vytvářet zavádějící představy o požadavcích na chlazení jako součást úpravy plazmou. V praxi však tento zmatek nebyl problém. "Studená plazma" může také volně odkazovat na slabě ionizované plyny ( stupeň ionizace <0,01%).
Nomenklatura
Názvosloví pro netermální plazmu nalezené ve vědecké literatuře je různé. V některých případech je plazma označována specifickou technologií použitou k jejímu generování („klouzavý oblouk“, „ plazmová tužka “, „plazmová jehla“, „plazmový paprsek“, „ dielektrický bariérový výboj “, „ Piezoelektrické plazma s přímým výbojem “ atd.), zatímco ostatní názvy jsou obecněji popisné na základě charakteristik generovaného plazmatu („jednosměrné rovnoměrné plazmové záření s výbojem “, „atmosférické plazma“, „netermické výboje okolního tlaku“, „nerovnovážné plazmatické atmosférické tlaky“ ", atd.). Dva rysy, které odlišují NTP od jiných vyspělých, průmyslově aplikovaných plazmových technologií, jsou, že jsou 1) netermální a 2) pracují při atmosférickém tlaku nebo v jeho blízkosti.
Technologie
| Technologická třída NTP | |||
|---|---|---|---|
| I. Dálková léčba | II. Přímá léčba | III. Elektrodový kontakt | |
| Povaha použitého NTP | Rozkládající se plazma (dosvit) - déle žijící chemické druhy | Aktivní plazma - druhy s krátkou a dlouhou životností | Aktivní plazma - všechny chemické druhy, včetně bombardování s nejkratší životností a iontů |
| Hustota a energie NTP | Střední hustota - cíl vzdálený od elektrod. Větší objem NTP však lze generovat pomocí více elektrod | Vyšší hustota - cíl v přímé dráze toku aktivního NTP | Nejvyšší hustota - cíl v poli generování NTP |
| Vzdálenost cíle od elektrody generující NTP | Cca. 5–20 cm; oblouk (vláknitý výboj) je nepravděpodobné, že se dotkne cíle při jakémkoli nastavení výkonu | Cca. 1–5 cm; při vyšším nastavení výkonu může dojít k jiskření, lze kontaktovat cíl | Cca. ≤ 1 cm; při nastavení vyššího výkonu může dojít k oblouku mezi elektrodami a cílem |
| Elektrické vedení přes cíl | Ne | Ne za normálního provozu, ale možné během oblouku | Ano, pokud je cíl použit jako elektroda NEBO pokud je cíl mezi namontovanými elektrodami elektricky vodivý |
| Vhodnost pro nepravidelné povrchy | Vysoká - vzdálená povaha generování NTP znamená maximální flexibilitu aplikace proudu NTP dosvit | Středně vysoká - NTP je přenášena na cíl směrovým způsobem, což vyžaduje buď otočení cíle, nebo více NTP vysílačů | K zachování jednotnosti NTP je vyžadováno středně nízké rozestupy. Elektrody však mohou být tvarovány tak, aby odpovídaly definovanému, konzistentnímu povrchu. |
| Příklady technologií | Dálkový expoziční reaktor, plazmová tužka | Klouzavý oblouk; plazmová jehla; mikrovlnné plazmy | Paralelní deskový reaktor; reaktor s jehlovou deskou; odporový bariérový výboj; dielektrický bariérový výboj |
| Reference |
|
|
|
Lék
Rozvíjející se pole přidává možnosti netermální plazmy do zubního lékařství a medicíny .
Výroba elektřiny
Magnetohydrodynamická generace energie, metoda přímé přeměny energie z horkého plynu v pohybu v magnetickém poli, byla vyvinuta v 60. a 70. letech minulého století pomocí pulzních generátorů MHD známých jako šokové trubice s použitím nerovnovážných plazmat nasazených parami alkalických kovů (jako je cesium , zvýšit omezenou elektrickou vodivost plynů) ohřátých na omezenou teplotu 2 000 až 4 000 kelvinů (k ochraně stěn před tepelnou erozí), ale kde byly elektrony ohřívány na více než 10 000 kelvinů.
Zvláštním a neobvyklým případem „inverzního“ netermálního plazmatu je plazma s velmi vysokou teplotou produkovaná Z strojem , kde jsou ionty mnohem teplejší než elektrony.
Letectví a kosmonautika
Jsou studována řešení aerodynamického aktivního řízení toku zahrnující technologická netermální slabě ionizovaná plazma pro podzvukový , nadzvukový a hypersonický let , jako plazmové akční členy v oblasti elektrohydrodynamiky a jako magnetohydrodynamické převaděče, když jsou zapojena i magnetická pole.
Studie prováděné ve větrných tunelech zahrnují většinu času nízký atmosférický tlak podobný výšce 20–50 km, typický pro hypersonický let , kde je elektrická vodivost vzduchu vyšší, a proto lze snadno vyrobit netermální slabě ionizovaná plazma s menší náklady na energii.
Katalýza
K podpoře chemických reakcí lze použít netermální plazmu atmosférického tlaku. Srážky mezi horkými elektrony a molekulami studeného plynu mohou vést k disociačním reakcím a následnému vzniku radikálů. Tento druh výboje vykazuje reakční vlastnosti, které jsou obvykle pozorovány ve vysokoteplotních výbojových systémech. Netermální plazma se také používá ve spojení s katalyzátorem k dalšímu posílení chemické přeměny reakčních složek nebo ke změně chemického složení produktů.
Mezi různými aplikačními oblastmi je produkce ozonu na komerční úrovni; snižování znečištění, jak pevné ( PM , VOC ), tak plynné ( SOx , NOx ); Přeměna CO 2 v palivech ( methanol , syngas ) nebo chemikáliích s přidanou hodnotou; fixace dusíku ; syntéza methanolu ; syntéza kapalných paliv z lehčích uhlovodíků (např. metanu ), výroba vodíku reformováním uhlovodíků
Konfigurace
Spojení mezi těmito dvěma různými mechanismy lze provést dvěma různými způsoby: dvoustupňovou konfigurací, nazývanou také postplazová katalýza (PPC), a jednostupňovou konfigurací, také nazývanou plazmová katalýza (IPC) nebo plazmaticky vylepšená katalýza (PEC) ).
V prvním případě je katalytický reaktor umístěn za plazmovou komoru. To znamená, že na povrch katalyzátoru mohou reagovat a reagovat pouze druhy s dlouhou životností, zatímco v první části reaktoru se rozpadají radikály, ionty a excitované druhy s krátkou životností. Atom kyslíku v zemním stavu O (3P) má například životnost asi 14 μs v plazmě atmosférického tlaku suchého vzduchu. To znamená, že pouze malá oblast katalyzátoru je v kontaktu s aktivními radikály. Při takovém dvoustupňovém uspořádání je hlavní rolí plazmy změna složení plynu přiváděného do katalytického reaktoru. V systému PEC jsou synergické efekty větší, protože v blízkosti povrchu katalyzátoru se tvoří krátkodobé excitované druhy. Způsob, jakým je katalyzátor vložen do reaktoru PEC, ovlivňuje celkový výkon. Může být umístěn do reaktoru různými způsoby: ve formě prášku ( náplňové lože ), nanesen na pěny, nanesen na strukturovaný materiál (plástev) a potažen stěnami reaktoru
Plazmový katalyzátor s reaktorem s náplní se běžně používá pro základní studie a rozšíření do průmyslových aplikací je obtížné, protože pokles tlaku se zvyšuje s průtokem.
Interakce plazmatické katalýzy
V systému PEC může způsob, jakým je katalyzátor umístěn ve vztahu k plazmě, ovlivnit proces různými způsoby. Katalyzátor může pozitivně ovlivňovat plazmu a naopak, což vede k výstupu, který nelze získat použitím každého procesu jednotlivě. Vytvořená synergie se připisuje různým křížovým účinkům.
- Účinky plazmy na katalyzátor:
- Změna fyziochemických vlastností . Plazma mění adsorpční/desorpční rovnováhu na povrchu katalyzátoru, což vede k vyšším adsorpčním schopnostem. Interpretace tohoto jevu zatím není jasná.
- Vyšší povrch katalyzátoru . Katalyzátor vystavený výboje může vést k tvorbě nanočástic. Vyšší poměr povrch/objem vede k lepším výkonům katalyzátoru.
- Vyšší pravděpodobnost adsorpce .
- Změna oxidačního stavu katalyzátoru . Některé kovové katalyzátory (např. Ni, Fe) jsou aktivnější ve své kovové formě. Přítomnost plazmového výboje může indukovat redukci oxidů kovů katalyzátoru a zlepšit katalytickou aktivitu.
- Snížená tvorba koksu . Pokud jde o uhlovodíky, tvorba koksu vede k postupné deaktivaci katalyzátoru. Snížená tvorba koksu v přítomnosti plazmy snižuje rychlost otravy/deaktivace a tím prodlužuje životnost katalyzátoru.
- Přítomnost nových druhů plynné fáze . V plazmovém výboje se vyrábí široká škála nových druhů, které jim umožňují vystavit katalyzátor. Ionty, vibračně a rotačně excitované druhy, neovlivňují katalyzátor, protože při dosažení pevného povrchu ztrácejí náboj a dodatečnou energii, kterou mají. Radikály místo toho vykazují vysoké koeficienty lepivosti pro chemisorpci, což zvyšuje katalytickou aktivitu.
- Účinky katalyzátoru na plazmu:
- Vylepšení místního elektrického pole . Tento aspekt se týká hlavně konfigurace PEC s baleným lůžkem. Přítomnost obalového materiálu uvnitř elektrického pole generuje místní vylepšení v důsledku přítomnosti asperit, nehomogenit povrchu pevného materiálu, přítomnosti pórů a dalších fyzikálních aspektů. Tento jev souvisí s akumulací povrchového náboje na povrchu obalového materiálu a je přítomen, i když je náplňové lože použito bez katalyzátoru. Přestože se jedná o fyzický aspekt, ovlivňuje také chemii, protože mění distribuci energie elektronů v blízkosti asperit.
- Vypouští tvorbu uvnitř pórů . Tento aspekt úzce souvisí s předchozím. Malé prázdné prostory uvnitř obalového materiálu ovlivňují sílu elektrického pole. Vylepšení může také vést ke změně charakteristik výboje, které se mohou lišit od podmínek vypouštění sypké oblasti (tj. Daleko od pevného materiálu). Vysoká intenzita elektrického pole může také vést k produkci různých druhů, které nejsou pozorovány ve velkém.
- Změna typu výboje . Vložení dielektrického materiálu do výbojové oblasti vede k posunu typu výboje. Z vláknového režimu je vytvořen smíšený vláknový/povrchový výboj. Pokud je k dispozici režim povrchového výboje, v širší oblasti se tvoří ionty, excitované druhy a radikály.
Účinky katalyzátoru na plazmu většinou souvisejí s přítomností dielektrického materiálu uvnitř vypouštěcí oblasti a nemusí nutně vyžadovat přítomnost katalyzátoru.