Icketermisk plasma
En icke-termisk plasma , kall plasma eller icke-jämviktsplasma är en plasma som inte är i termodynamisk jämvikt , eftersom elektrontemperaturen är mycket varmare än temperaturen för tunga arter (joner och neutrala). Eftersom endast elektroner termaliseras skiljer sig deras Maxwell-Boltzmann-hastighetsfördelning mycket från jonhastighetsfördelningen. När en av hastigheterna för en art inte följer en Maxwell-Boltzmann-fördelning, sägs plasman vara icke-Maxwellsk.
Ett slags vanligt icke-termiskt plasma är kvicksilverånggasen i en lysrör , där "elektrongasen" når en temperatur på 20 000 K (19 700 °C ; 35 500 °F ) medan resten av gasen, joner och neutrala atomer, håller sig knappt över rumstemperatur, så glödlampan kan till och med vidröras med händerna medan den används.
Ansökningar
Livsmedelsindustrin
I samband med livsmedelsbearbetning är en icke-termisk plasma ( NTP ) eller kall plasma specifikt en antimikrobiell behandling som undersöks för applicering 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. Medan tillämpningarna av icke-termisk plasma initialt fokuserade på mikrobiologisk desinfektion, forskas aktivt på nyare tillämpningar som enzyminaktivering, biomolekyloxidation, proteinmodifiering, prodrug-aktivering och spridning av bekämpningsmedel. Icketermisk plasma ser också ökande användning vid sterilisering av tänder och händer, i handtorkar såväl som i självdekontaminerande filter.
Termen kall plasma har nyligen använts som en bekväm deskriptor för att särskilja plasmaurladdningar med en atmosfär , nära rumstemperatur från andra plasma, som arbetar vid hundratals eller tusentals grader över omgivningen (se Plasma (fysik) § Temperatur ). Inom ramen för livsmedelsbearbetning kan termen "kyla" potentiellt skapa vilseledande bilder av kylbehov som en del av plasmabehandlingen. Men i praktiken har denna förvirring inte varit ett problem. "Kalla plasma" kan också löst hänvisa till svagt joniserade gaser ( joniseringsgrad < 0,01%).
Nomenklatur
Nomenklaturen för icke-termisk plasma som finns i den vetenskapliga litteraturen är varierad. I vissa fall hänvisas till plasman av den specifika teknik som används för att generera den ("glidbåge", "plasmapenna", " plasmanål ", "plasmajet", " dielektrisk barriärurladdning ", " piezoelektrisk direkturladdningsplasma " , etc.), medan andra namn är mer allmänt beskrivande, baserat på egenskaperna hos den genererade plasman ("en atmosfärs likformig glödurladdningsplasma", " atmosfärisk plasma", "omgivande tryck icke-termiska urladdningar", "icke-jämviktsplasma med atmosfäriskt tryck". ", etc.). De två egenskaperna som skiljer NTP från andra mogna, industriellt tillämpade plasmateknologier är att de är 1) icke-termiska och 2) fungerar vid eller nära atmosfärstryck.
Teknologier
| NTP-teknikklass | |||
|---|---|---|---|
| I. Fjärrbehandling | II. Direkt behandling | III. Elektrodkontakt | |
| Typ av tillämpad NTP | Förmultnande plasma (efterglöd) - längre levde kemiska arter | Aktiv plasma - kort- och långlivade arter | Aktiv plasma - alla kemiska arter, inklusive kortast liv och jonbombning |
| NTP-densitet och energi | Måttlig densitet - mål på avstånd 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 aktivt NTP | Högsta densitet - mål inom NTP-genereringsfält |
| Avstånd mellan mål från NTP-genererande elektrod | Cirka. 5–20 cm; ljusbågsbildning (filamentös urladdning) kommer sannolikt inte att komma i kontakt med målet vid någon effektinställning | Cirka. 1–5 cm; ljusbågsbildning kan uppstå vid högre effektinställningar, kan kontakta målet | Cirka. ≤ 1 cm; bågbildning kan uppstå mellan elektroderna och målet vid högre effektinställningar |
| Elektrisk ledning genom mål | Nej | Inte under normal drift, men möjligt under ljusbågsbildning | Ja, om målet används som en elektrod ELLER om målet mellan monterade elektroder är elektriskt ledande |
| Lämplighet för oregelbundna ytor | Hög - avlägsen karaktär av NTP-generering innebär maximal flexibilitet vid tillämpning av NTP-efterglödström | Måttligt hög - NTP överförs till målet på ett riktat sätt, vilket kräver antingen rotation av målet eller flera NTP-sändare | Måttligt lågt - nära avstånd krävs för att bibehålla NTP-likformighet. Elektroder kan dock formas för att passa en definierad, konsekvent yta. |
| Exempel på tekniker | Fjärrexponeringsreaktor, plasmapenna | Glidbåge; plasmanål; mikrovågsinducerat plasmarör | Parallellplåtsreaktor; nålplatta reaktor; resistiv barriärurladdning; dielektrisk barriärurladdning |
| Referenser |
|
||
Medicin
Ett framväxande område lägger till egenskaperna hos icke-termisk plasma till tandvård och medicin .
Kraftproduktion
Magnetohydrodynamisk kraftgenerering, en direkt energiomvandlingsmetod från en het gas i rörelse inom ett magnetfält utvecklades på 1960- och 1970-talen med pulsade MHD-generatorer , kända som stötrör , med användning av icke-jämviktsplasma ympade med alkalimetallångor (som cesium , till öka den begränsade elektriska ledningsförmågan hos gaser) uppvärmda vid en begränsad temperatur på 2000 till 4000 kelvin (för att skydda väggar från termisk erosion) men där elektroner värmdes till mer än 10 000 kelvin.
Ett speciellt och ovanligt fall av "omvänd" icke-termisk plasma är plasma med mycket hög temperatur som produceras av Z-maskinen , där joner är mycket hetare än elektroner.
Flyg och rymd
Aerodynamiska aktiva flödeskontrolllösningar som involverar tekniska icke-termiska svagt joniserade plasma för subsonisk , överljuds- och hypersonisk flygning studeras, som plasmaaktuatorer inom området elektrohydrodynamik , och som magnetohydrodynamiska omvandlare när magnetfält också är inblandade.
Studier utförda i vindtunnlar involverar för det mesta lågt atmosfärstryck liknande en höjd av 20–50 km, typiskt för hypersonisk flygning , där luftens elektriska ledningsförmåga är högre, varför icke-termiskt svagt joniserad plasma lätt kan produceras med en lägre energikostnader.
Katalys
Atmosfäriskt tryck icke-termisk plasma kan användas för att främja kemiska reaktioner. Kollisioner mellan heta temperaturelektroner och kalla gasmolekyler kan leda till dissociationsreaktioner och efterföljande bildning av radikaler. Denna typ av urladdning uppvisar reagerande egenskaper som vanligtvis ses i högtemperaturutsläppssystem. Icke-termisk plasma används också tillsammans med en katalysator för att ytterligare förbättra den kemiska omvandlingen av reaktanter eller för att förändra produktens kemiska sammansättning.
Bland de olika användningsområdena finns ozonproduktion på kommersiell nivå; minskning av föroreningar, både fasta ( PM , VOC ) och gasformiga ( SOx , NOx ); CO 2 -omvandling i bränslen ( metanol , syngas ) eller förädlade kemikalier; kvävefixering ; metanolsyntes ; syntes av flytande bränslen från lättare kolväten (t.ex. metan ), väteproduktion via kolvätenreformering
Konfigurationer
Kopplingen mellan de två olika mekanismerna kan göras på två olika sätt: tvåstegskonfiguration, även kallad postplasmakatalys (PPC) och enstegskonfiguration, även kallad in-plasmakatalys (IPC) eller plasmaförstärkt katalys (PEC) ).
I det första fallet placeras den katalytiska reaktorn efter plasmakammaren. Detta innebär att endast de långlivade arterna kan nå katalysatorytan och reagera, medan kortlivade radikaler, joner och exciterade ämnen sönderfaller i den första delen av reaktorn. Som ett exempel har syregrundtillståndsatomen O(3P) en livslängd på cirka 14 μs i en plasma med torr luftatmosfär. Detta betyder att endast en liten del av katalysatorn är i kontakt med aktiva radikaler. I en sådan tvåstegsuppställning är plasmans huvudroll att förändra gassammansättningen som matas till den katalytiska reaktorn. I ett PEC-system är synergistiska effekter större eftersom kortlivade exciterade ämnen bildas nära katalysatorytan. Sättet som katalysatorn införs i PEC-reaktorn påverkar den totala prestandan. Den kan placeras inuti reaktorn på olika sätt: i pulverform ( packad bed ), avsatt på skum, avsatt på strukturerat material (bikaka) och beläggning av reaktorväggarna
Plasmakatalytiska reaktorer med packad bädd används vanligtvis för grundläggande studier och en uppskalning till industriella tillämpningar är svår eftersom tryckfallet ökar med flödet.
Plasma-katalysinteraktioner
I ett PEC-system kan sättet som katalysatorn är placerad i förhållande till plasman påverka processen på olika sätt. Katalysatorn kan positivt påverka plasman och vice versa vilket resulterar i en effekt som inte kan erhållas med varje process individuellt. Den synergi som etableras tillskrivs olika korseffekter.
- Plasmaeffekter på katalysator:
- Förändring av de fysiokemiska egenskaperna . Plasma förändrar adsorptions/desorptionsjämvikten på katalysatorytan vilket leder till högre adsorptionsförmåga. En tolkning av detta fenomen är ännu inte klar.
- Högre katalysatoryta . En katalysator som utsätts för ett utsläpp kan ge upphov till bildandet av nanopartiklar. Det högre förhållandet yta/volym leder till bättre katalysatorprestanda.
- Högre adsorptionssannolikhet .
- Förändring i katalysatorns oxidationstillstånd . Vissa metalliska katalysatorer (t.ex. Ni, 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 . När det gäller kolväten leder koksbildning till en progressiv deaktivering av katalysatorn. Den minskade koksbildningen i närvaro av plasma minskar förgiftnings-/deaktiveringshastigheten och förlänger således livslängden för en katalysator.
- Förekomst av nya gasfasarter . I en plasmaurladdning produceras ett brett utbud av nya arter som gör att katalysatorn kan exponeras för dem. Joner, vibrations- och rotationsexciterade arter påverkar inte katalysatorn eftersom de tappar laddning och den extra energi de besitter när de når en fast yta. Radikaler uppvisar istället höga vidhäftningskoefficienter för kemisorption, vilket ökar den katalytiska aktiviteten.
- Katalysatoreffekter på plasma:
- Lokal förbättring av det elektriska fältet . Denna aspekt är huvudsakligen relaterad till en packad-bädd PEC-konfiguration. Närvaron av ett packningsmaterial inuti ett elektriskt fält genererar lokala fältförstärkningar på grund av närvaron av ojämnheter, inhomogeniteter i fast material, närvaro av porer och andra fysiska aspekter. Detta fenomen är relaterat till ytladdningsackumulering på packningsmaterialytan och det är närvarande även om en packad bädd används utan katalysator. Trots att detta är en fysisk aspekt, påverkar det också kemin eftersom det förändrar elektronenergifördelningen i närheten av asperiteterna.
- Utsläppsbildning inuti porerna . Denna aspekt är strikt relaterad till den föregående. Små hålrum inuti ett förpackningsmaterial påverkar det elektriska fältets styrka. Förbättringen kan också leda till en förändring av urladdningsegenskaperna, som kan skilja sig från tömningsförhållandet för 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.
- Ändring av utloppstyp . Att införa ett dielektriskt material i ett urladdningsområde leder till en förskjutning av urladdningstypen. Från en filamentär regim etableras en blandad trådliknande/yturladdning. Joner, exciterade arter och radikaler bildas i ett större område om ett ytutsläppsregime är närvarande.
Katalysatoreffekter på plasma är mestadels relaterade till närvaron av ett dielektriskt material inuti urladdningsområdet och kräver inte nödvändigtvis närvaron av en katalysator.