Ikke -termisk plasma - Nonthermal plasma

Et ikke-termisk plasma , kaldt plasma eller ikke-likevektsplasma er et plasma som ikke er i termodynamisk likevekt , fordi elektrontemperaturen er mye varmere enn temperaturen til tunge arter (ioner og nøytrale). Siden bare elektroner blir termisk, er deres Maxwell-Boltzmann hastighetsfordeling veldig forskjellig fra ionhastighetsfordelingen. Når en av hastighetene til en art ikke følger en Maxwell-Boltzmann-fordeling, sies plasmaet å være ikke-Maxwellian.

En slags vanlig ikke-termisk plasma er kvikksølv-dampgassen i en fluorescerende lampe , der "elektrongassen" når en temperatur på 20.000  K (19.700  ° C ; 35.500  ° F ) mens resten av gassen, ioner og nøytrale atomer, holder seg knapt over romtemperatur, så pæren kan til og med berøres med hendene mens den er i bruk.

applikasjoner

Mat industri

I forbindelse med matvareindustrien , er en termisk plasma ( NTP ) eller kaldt plasma er spesielt en antimikrobiell behandling blir undersøkt for påføring på frukt, grønnsaker og kjøttprodukter med skjøre overflater. Disse matvarene er enten ikke tilstrekkelig renset eller er på annen måte uegnet for behandling med kjemikalier, varme eller andre konvensjonelle matbehandlingsverktøy. Mens applikasjonene av ikke -termisk plasma opprinnelig var fokusert på mikrobiologisk desinfeksjon, forskes det aktivt på nyere applikasjoner som enzyminaktivering, proteinmodifikasjon og sprøytemiddelspredning. Ikke-termisk plasma ser også økende bruk i sterilisering av tenner og hender, i håndtørrere så vel som i selvdekontaminerende filtre. En spesiell konfigurasjon av plasmautladning som involverer ionisering av luft eller en spesifikk gassblanding inne i en forseglet pakning, referert til som "kaldt plasma i pakken", har nylig vakt stor oppmerksomhet.

Begrepet kald plasma har nylig blitt brukt som en praktisk descriptor å skille en- atmosfære , nær romtemperatur plasma utslipp fra andre plasmaer, som opererer på hundrevis eller tusenvis av grader over omgivelses (se Plasma (fysikk) § Temperature ). Innenfor matforedling kan begrepet "kaldt" potensielt skape villedende bilder av kjølekrav som en del av plasmabehandlingen. Imidlertid har denne forvirringen ikke vært et problem i praksis. "Kalde plasma" kan også løst referere til svakt ioniserte gasser ( ioniseringsgrad <0,01%).

Nomenklatur

Nomenklaturen for ikke -termisk plasma som finnes i den vitenskapelige litteraturen er variert. I noen tilfeller blir plasmaet referert til av den spesifikke teknologien som brukes for å generere det ("glidebue", " plasmablyant ", "plasmanål", "plasmastråle", " dielektrisk barriereutladning ", " Piezoelektrisk plasma med direkte utslipp " , etc.), mens andre navn er mer generelt beskrivende, basert på egenskapene til plasmaet som genereres ("ett atmosfærisk jevnt utladningsplasma ", "atmosfærisk plasma", "omgivelsestrykk ikke-termiske utslipp", "ikke-likevekt atmosfæriske trykkplasmaer ", etc.). De to funksjonene som skiller NTP fra andre modne, industrielt anvendte plasmateknologier, er at de er 1) ikke -termiske og 2) opererer ved eller nær atmosfæretrykk.

Teknologier

NTP -teknologi klasse
I. Fjernbehandling II. Direkte behandling III. Elektrodekontakt
NTP -typen brukes Forfallende plasma (etterglød) - kjemiske arter med lengre levetid Aktivt plasma - kort- og langlivede arter Aktivt plasma - alle kjemiske arter, inkludert korteste levetid og ionebombardement
NTP -tetthet og energi Moderat tetthet - mål fjernet fra elektroder. Imidlertid kan et større volum NTP genereres ved bruk av flere elektroder Høyere tetthet - mål i den direkte banen til en strøm av aktiv NTP Høyeste tetthet - mål innenfor NTP -generasjonsfeltet
Målavstand fra NTP-genererende elektrode Ca. 5–20 cm; lysbue (filamentøs utladning) kommer neppe i kontakt med målet ved noen effektinnstilling Ca. 1–5 cm; lysbue kan oppstå ved høyere effektinnstillinger, kan kontakte målet Ca. ≤ 1 cm; lysbue kan oppstå mellom elektroder og mål ved høyere effektinnstillinger
Elektrisk ledning gjennom målet Nei Ikke under normal drift, men mulig under lysbue Ja, hvis målet brukes som en elektrode ELLER hvis målet mellom monterte elektroder er elektrisk ledende
Egnet for uregelmessige overflater NTP -genereringens høye ekstern karakter betyr maksimal fleksibilitet ved bruk av NTP etterglødestrøm Moderat høy - NTP formidles til mål på en retningsbestemt måte, som krever enten rotasjon av målet eller flere NTP -sendere Moderat lav - tett mellomrom er nødvendig for å opprettholde NTP -enhetlighet. Imidlertid kan elektroder formes for å passe til en definert, konsistent overflate.
Eksempler på teknologier Ekstern eksponeringsreaktor, plasma blyant Glidebue; plasma nål; mikrobølgeindusert plasma-rør Parallellplatereaktor; nål-plate reaktor; resistiv barriereutladning; dielektrisk barriereutslipp
Referanser
  • Gadri et al. , 2000. Surface Coatings Technol 131: 528-542
  • Laroussi og Lu, 2005. Appl. Fys. Lett. 87: 113902
  • Montie et al. , 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 og Stoffels, 2005. J Phys D: Appl Phys 38: 1716-1721
  • Stoffels et al. , 2002. Plasmakilder Sci. Technol. 11: 383-388
  • Deng et al. , 2005. Paper #056149, ASAE Ann. Mtg., Tampa, Florida
  • Kelly-Wintenberg et al. , 1999. J. Vac. Sci. Technol. A 17 (4): 1539-44
  • Laroussi et al. , 2003. Ny 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

Medisin

Et voksende felt legger til evnen til ikke -termisk plasma til tannbehandling og medisin .

Kraftproduksjon

Magnetohydrodynamisk kraftproduksjon, en direkte energiomdannelsesmetode fra en varm gass i bevegelse i et magnetfelt ble utviklet på 1960- og 1970-tallet med pulserende MHD-generatorer kjent som sjokkrør , ved bruk av ikke-likevektsplasmaer frøet med alkalimetalldamp (som cesium , til øke den begrensede elektriske ledningsevnen til gasser) oppvarmet ved en begrenset temperatur på 2000 til 4000 kelvin (for å beskytte vegger mot termisk erosjon), men hvor elektroner ble oppvarmet til mer enn 10.000 kelvin.

Et spesielt og uvanlig tilfelle av "invers" ikke -termisk plasma er plasmaet ved høy temperatur produsert av Z -maskinen , hvor ioner er mye varmere enn elektroner.

Luftfart

Aerodynamiske løsninger for aktiv strømningskontroll som involverer teknologiske, ikke -termiske, svakt ioniserte plasmaer for subsonisk , supersonisk og hypersonisk flyging studeres som plasmaaktuatorer innen elektrohydrodynamikk og som magnetohydrodynamiske omformere når magnetfelt også er involvert.

Studier utført i vindtunneler involverer det meste av tiden lavt atmosfæretrykk som ligner på en høyde på 20–50 km, typisk for hypersonisk flyging , der luftens elektriske ledningsevne er høyere, og derfor kan ikke-termisk svakt ioniserte plasma lett produseres med en færre energikostnader.

Katalyse

Atmosfærisk trykk ikke-termisk plasma kan brukes til å fremme kjemiske reaksjoner. Kollisjoner mellom varme temperaturelektroner og kalde gassmolekyler kan føre til dissosieringsreaksjoner og påfølgende dannelse av radikaler. Denne typen utslipp har reagerende egenskaper som vanligvis sees i utslippssystemer med høy temperatur. Ikke-termisk plasma brukes også sammen med en katalysator for å ytterligere forbedre den kjemiske omdannelsen av reaktanter eller for å endre produktets kjemiske sammensetning.

Blant de forskjellige applikasjonsfeltene er det ozonproduksjon på kommersielt nivå; forurensningsreduksjon, både fast ( PM , VOC ) og gassformig ( SOx , NOx ); CO 2 -konvertering i drivstoff ( metanol , syntetisk gass ) eller verdiskapende kjemikalier; nitrogen fiksering ; metanolsyntese ; flytende brensel syntese fra lettere hydrokarboner (f.eks. metan ), hydrogenproduksjon via hydrokarboner

Konfigurasjoner

Koblingen mellom de to forskjellige mekanismene kan gjøres på to forskjellige måter: to-trinns konfigurasjon, også kalt post-plasma katalyse (PPC) og en-trinns konfigurasjon, også kalt in-plasma katalyse (IPC) eller plasma forbedret katalyse (PEC ).

I det første tilfellet plasseres den katalytiske reaktoren etter plasmakammeret. Dette betyr at bare de langlivede artene kan nå katalysatoroverflaten og reagere, mens kortlivede radikaler, ioner og eksiterte arter forfaller i den første delen av reaktoren. Som et eksempel har oksygenjordtilstandsatomet O (3P) en levetid på omtrent 14 μs i et atmosfærisk trykkplasma i tørr luft. Dette betyr at bare et lite område av katalysatoren er i kontakt med aktive radikaler. I et slikt to-trinns oppsett er plasmaets hovedrolle å endre gassammensetningen som mates til den katalytiske reaktoren. I et PEC-system er synergistiske effekter større siden kortlivede eksiterte arter dannes nær katalysatoroverflaten. Måten katalysatoren settes inn i PEC -reaktoren på, påvirker den generelle ytelsen. Den kan plasseres inne i reaktoren på forskjellige måter: i pulverform ( pakket seng ), avsatt på skum, avsatt på strukturert materiale (bikake) og belegg av reaktorveggene

Plasmakatalytisk reaktor med pakket seng brukes ofte til grunnleggende studier, og en oppskalering til industrielle applikasjoner er vanskelig siden trykkfallet øker med strømningshastigheten.

Plasma-katalyse-interaksjoner

I et PEC -system kan måten katalysatoren er plassert i forhold til plasma påvirke prosessen på forskjellige måter. Katalysatoren kan positivt påvirke plasmaet og omvendt, noe som resulterer i en utgang som ikke kan oppnås ved å bruke hver prosess individuelt. Synergien som etableres tilskrives forskjellige krysseffekter.

  • Plasmaeffekter på katalysator:
    • Endring i de fysiokjemiske egenskapene . Plasma endrer likevekten for adsorpsjon/desorpsjon på katalysatoroverflaten, noe som fører til høyere adsorpsjonsevner. En tolkning av dette fenomenet er ennå ikke klar.
    • Høyere katalysatoroverflate . En katalysator som utsettes for utslipp kan gi opphav til dannelse av nanopartikler. Det høyere overflate/volumforholdet fører til bedre katalysatorytelse.
    • Høyere sannsynlighet for adsorpsjon .
    • Endring i katalysatoroksidasjonstilstanden . Noen metalliske katalysatorer (f.eks. Ni, Fe) er mer aktive i sin metalliske form. Tilstedeværelsen av en plasmautladning kan indusere en reduksjon av katalysatormetalloksydene, noe som forbedrer den katalytiske aktiviteten.
    • Redusert koksdannelse . Når det gjelder hydrokarboner, fører koksdannelse til en progressiv deaktivering av katalysatoren. Den reduserte koksdannelsen i nærvær av plasma reduserer forgiftnings-/deaktiveringshastigheten og forlenger dermed levetiden til en katalysator.
    • Tilstedeværelse av nye gassfasearter . I en plasmautladning produseres et bredt spekter av nye arter som gjør at katalysatoren kan utsettes for dem. Ioner, vibrasjons- og rotasjonsopphissede arter påvirker ikke katalysatoren siden de mister ladningen og den ekstra energien de har når de når en fast overflate. Radikaler viser i stedet høye koblingskoeffisienter for kjemisorpsjon, noe som øker den katalytiske aktiviteten.
  • Katalysatoreffekter på plasma:
    • Lokal forbedring av elektrisk felt . Dette aspektet er hovedsakelig relatert til en PEC-konfigurasjon med pakket seng. Tilstedeværelsen av et pakkemateriale inne i et elektrisk felt genererer lokale feltforbedringer på grunn av tilstedeværelsen av asperiteter, inhomogeniteter i fast materialeoverflate, tilstedeværelse av porer og andre fysiske aspekter. Dette fenomenet er relatert til overflateladningsakkumulering på emballasjematerialets overflate, og det er tilstede selv om en pakket seng brukes uten katalysator. Til tross for at dette er et fysisk aspekt, påvirker det også kjemi siden det endrer elektronenergifordelingen i nærheten av asperitetene.
    • Utslippdannelse inne i porene . Dette aspektet er strengt relatert til det forrige. Små tomrom inne i emballasjen påvirker den elektriske feltstyrken. Forbedringen kan også føre til en endring i utslippskarakteristikkene, som kan være forskjellige fra utslippstilstanden for bulkområdet (dvs. langt fra det faste materialet). Den høye intensiteten til det elektriske feltet kan også føre til produksjon av forskjellige arter som ikke observeres i bulk.
    • Endring i utslippstypen . Å sette inn et dielektrisk materiale i et utslippsområde fører til en forskyvning i utslippstypen. Fra et filamentært regime etableres en blandet filament-/overflateutladning. Ioner, eksiterte arter og radikaler dannes i et større område hvis et overflateutslippsregime er tilstede.

Katalysatoreffekter på plasma er hovedsakelig relatert til tilstedeværelsen av et dielektrisk materiale inne i utslippsområdet og krever ikke nødvendigvis tilstedeværelse av en katalysator.

Se også

Referanser