Plasma non-termică

De la Wikipedia, enciclopedia liberă.
Salt la navigare Salt la căutare

O plasmă non-termică (numită și plasmă rece sau plasmă de neechilibru ) este un tip de plasmă în care electronii nu se află în echilibru termodinamic cu alte specii , deoarece sunt caracterizați de o temperatură mult mai mare decât cea a speciilor mai grele ( ioni și specii neutre). În aceste condiții, energia electronilor poate fi descrisă prin utilizarea funcțiilor de distribuție a probabilităților , cum ar fi distribuțiile Maxwell, Druyvesteyn. [1]

Lampa fluorescentă cu vapori de mercur este un exemplu de aplicare cu plasmă non-termică. În el, electronii ating o temperatură medie de 20.000 K , în timp ce restul gazului rămâne la temperaturi apropiate de cea a mediului înconjurător.

Aplicații

Utilizări alimentare

În industria alimentară, plasma non-termică este utilizată în principal pentru tratamente antibacteriene (sterilizante) pe fructe, legume și alte alimente care au suprafețe delicate. [2] [3] [4] Alimentele supuse acestei proceduri sunt greu de igienizat sau, în orice caz, nu sunt adecvate pentru tratamente cu substanțe chimice sau căldură. Deși aplicațiile cu plasmă non-termică au fost inițial destinate dezinfectării , există acum noi domenii de aplicare, inclusiv dezactivarea enzimatică [5] , modificarea proteinelor [6] și eliminarea pesticidelor . [7]

Alte domenii de utilizare sunt sterilizarea dinților, [8] [9] tratarea aerului în uscătoarele de mâini [10] [11] și decontaminarea filtrelor. [12]

Termenul de plasmă rece este utilizat pentru a indica plasma generată în condiții atmosferice (1 atmosferă și aproximativ 25 ° C). În contextul tratamentului mărfurilor electrice, acest termen poate duce la neînțelegeri, sugerând că refrigerarea este necesară într-un proces cu plasmă.

Chimie

Plasma non-termică la presiune atmosferică poate fi utilizată pentru a promova reacțiile chimice . Procesele colizionale care implică electroni „fierbinți” și molecule de gaz „reci” pot da naștere la reacții de disociere și la formarea de specii radicale. Acest tip de descărcări electrice are proprietăți care sunt de obicei observabile în sistemele caracterizate de temperaturi mai ridicate. [13] Plasma non-termică poate fi, de asemenea, utilizată în combinație cu un catalizator pentru a promova în continuare conversia unui proces chimic sau pentru a-i schimba selectivitatea.

Domeniile de aplicare care pot include utilizarea plasmei non-termice sunt:

Configurări

Utilizarea în comun a unui catalizator și a plasmei poate fi realizată cu două configurații diferite:

  • În două etape, numită și „Cataliză post-plasmatică” (PPC)
  • O etapă, numită și "catalizatoare în plasmă" (IPC) sau "cataliză încântată cu plasmă" (PEC)

În primul caz, secțiunea catalitică este poziționată în aval de descărcarea de plasmă. Aceasta implică faptul că doar cele mai stabile specii cu o durată de viață mai mare sunt capabile să ajungă la suprafața catalitică și să reacționeze. Pentru a da un exemplu, oxigenul atomic O (3P) are o durată medie de viață de 14 µs [19] în aer uscat la presiune atmosferică. Aceasta înseamnă că doar o mică regiune de catalizator este în contact direct cu speciile instabile generate de plasmă. În această configurație, rolul principal al plasmei este de a modifica compoziția gazului care este apoi alimentat cu catalizatorul. [20] Într-un sistem PEC, efectele sinergice create sunt mai mari, deoarece chiar și speciile instabile sunt produse în apropierea suprafeței catalitice. [21] Modul în care este poziționat catalizatorul în raport cu descărcarea electrică afectează performanța procesului. Diferitele moduri posibile sunt:

  • Sub formă de pulbere (pat ambalat)
  • Depus de spume
  • Depus pe materiale structurate (fagure de miere)
  • Acoperirea suprafețelor interne ale reactorului

Reactoarele cu pat ambalat sunt adesea utilizate pentru efectuarea de experimente în laborator, deoarece utilizarea lor în contexte industriale (debituri mai mari) ar produce căderi de presiune prea mari.

Interacțiuni între plasmă și catalizator

Într-un sistem PEC, se creează o serie de efecte combinate între plasmă și catalizator care induc o îmbunătățire a procesului studiat. Îmbunătățirea obținută cu o utilizare combinată este în general mai mare decât suma contribuțiilor individuale: [18] [20] [22] [23] [24]

  • Efectele plasmei asupra catalizatorului:
    • Modificarea proprietăților fizico-chimice . Plasma modifică condițiile de adsorbție / desorbție ale catalizatorului, îmbunătățind proprietățile sale de adsorbție. Motivul din spatele acestui fenomen nu este pe deplin clar. [25]
    • Creșterea suprafeței active a catalizatorului . Un catalizator expus la o descărcare poate duce la formarea de nanoparticule. [26] În acest mod se observă o creștere a raportului suprafață / volum care duce la performanțe catalitice mai bune.
    • Probabilitate crescută de adsorbție .
    • Modificarea stării de oxidare a catalizatorului . Unii catalizatori metalici (de exemplu, Ni, Fe) sunt mai activi sub forma lor metalică. Prezența unei descărcări de plasmă poate duce la reducerea oxizilor metalici, îmbunătățind astfel activitatea catalitică.
    • Reducerea formării de negru de fum . Atunci când se ocupă de hidrocarburi, carbonul pe care îl conțin se poate aglomera în particule solide care se depun pe catalizator, dezactivându-l progresiv. [27] Reducerea formării de negru de fum cu plasmă reduce otrăvirea / dezactivarea prin creșterea ciclului de viață al unui catalizator.
    • Formarea de noi specii gazoase. O cantitate mare de specii sunt produse în plasmă și sunt puse la dispoziția catalizatorului. Ionii și speciile excitate din punct de vedere vibrațional / rotațional nu afectează catalizatorul, deoarece la lovirea unei suprafețe solide își pierd sarcina / energia în exces. Radicalii, pe de altă parte, au capacitatea de a se atașa chimic de catalizator („chemisorbție”), crescând probabilitatea de adsorbție.
  • Efectele catalizatorului asupra plasmei:
    • Intensificarea locală a câmpului electric . Acest aspect se referă în principal la o configurație cu paturi ambalate PEC. Prezența unui pat ambalat generează intensificări locale în vecinătatea microasperităților, a omogenităților de suprafață, a prezenței porozității și a altor aspecte fizico-morfologice. Acest fenomen este legat de acumularea de suprafață a densității sarcinii și nu necesită prezența unui material catalitic, ci doar a unui dielectric. În ciuda faptului că este un fenomen fizic, acest aspect influențează și chimia procesului, deoarece modifică distribuția densității de energie a electronilor în aceste regiuni (asperitate, ...).
    • Formarea descărcărilor în porozități . Acest aspect este strâns legat de cel anterior. Prezența unor mici goluri într-un material afectează puterea câmpului electric în aceste regiuni. Intensificarea poate duce, de asemenea, la o modificare a tipului de descărcare care are loc în interiorul porilor, care poate fi, prin urmare, diferit de cel care are loc în afara porilor. [28] Schimbarea caracteristicilor electrice ale sistemului poate duce la producerea diferitelor specii.
    • Schimbarea tipului de descărcare . Prin introducerea unui material dielectric se produce o modificare a tipului de depozit de deșeuri. De fapt, trecem de la prezența descărcărilor izolate („descărcare filamentară”) la prezența mixtă a descărcărilor izolate și superficiale („descărcare de suprafață”). În acest fel, ionii, speciile excitate și radicalii au posibilitatea de a se forma în regiuni mai mari ale spațiului. [29]

Notă

  1. ^ von Engel, A. și Cozens, JR (1976) „Flame Plasma” în Advances in electronic and electron physics , LL Marton (ed.), Academic Press, ISBN 978-0-12-014520-1 , p. 99 Arhivat 2 decembrie 2016 la Internet Archive .
  2. ^ Decontaminarea producției proaspete cu plasmă rece , în Departamentul Agriculturii din SUA . Adus 28-07-2006 .
  3. ^ NN Misra, Inactivarea plasmatică nontermică a agenților patogeni alimentari , pe arrow.dit.ie , Springer. Adus la 6 ianuarie 2013 .
  4. ^ Plasma rece în alimente și agricultură: fundamentale și aplicații , Misra, NN, Schlüter, Oliver ,, Cullen, PJ (Patrick J.) ,, Londra, Marea Britanie, ISBN 978-0-12-801489-9 ,OCLC 954222385 .
  5. ^ NN Misra, SK Pankaj, Annalisa Segat și Kenji Ishikawa, Interacțiuni plasmatice reci cu enzime în alimente și sisteme model , în Trends in Food Science & Technology , vol. 55, pp. 39-47, DOI : 10.1016 / j.tifs.2016.07.001 .
  6. ^ Annalisa Segat, NN Misra, PJ Cullen și Nadia Innocente, Tratamentul cu plasmă rece sub presiune atmosferică (ACP) a soluției model izolat de proteine ​​din zer , în Innovative Food Science & Emerging Technologies , vol. 29, pp. 247-254, DOI : 10.1016 / j.ifset.2015.03.014 .
  7. ^ NN Misra, Contribuția tehnologiilor de oxidare non-termice și avansate la disiparea reziduurilor de pesticide , în Trends in Food Science & Technology , vol. 45, n. 2, pp. 229-244, DOI : 10.1016 / j.tifs.2015.06.005 .
  8. ^ Plasma smulge bacteriile tenace ale dinților , pe rdmag.com , 11 iunie 2009. Accesat la 20 iunie 2009 (arhivat din original la 15 iunie 2009) .
  9. ^ Beth Dunham, Cool plasma packs heat against biofilm , uscnews.usc.edu , 5 iunie 2009. Accesat la 20 iunie 2009 (arhivat dinoriginal la 18 iunie 2009) .
  10. ^ Anne Eisenberg, Hospital-Clean Hands, Without All the Scrubbing , în The New York Times , 13 februarie 2010. Accesat la 28 februarie 2011 .
  11. ^ American Dryer UK Set To Transform Hygiene Hand With Pioneering 'Germ Destroying' , Bloomberg , 27 martie 2015 (arhivat din original la 3 aprilie 2015) .
  12. ^ IA Kuznetsov, Saveliev, AV, Rasipuram, S., Kuznetsov, AV, Brown, A. și Jasper, W., Dezvoltarea filtrelor active medii poroase bazate pe materiale textile plasmatice , în medii poroase și aplicațiile sale în știință, inginerie și industrie , AIP Conf. Proc. 1453 , 2012, pp. 265-270, DOI : 10.1063 / 1.4711186 .
  13. ^ J Christopher Whitehead, Plasma - cataliza: cunoscutele cunoscute, necunoscutele cunoscute și necunoscutele necunoscute , în Journal of Physics D: Physics Applied , vol. 49, nr. 24, 22 iunie 2016, p. 243001, DOI : 10.1088 / 0022-3727 / 49/24/243001 .
  14. ^ B Eliasson, M Hirth și U Kogelschatz, Sinteza ozonului din oxigen în descărcările de bariere dielectrice , în Journal of Physics D: Physics Applied , vol. 20, nr. 11, 14 noiembrie 1987, pp. 1421-1437, DOI : 10.1088 / 0022-3727 / 20/11/010 .
  15. ^ Jen-Shih Chang, Dezvoltarea recentă a tehnologiei de control al poluării cu plasmă: o revizuire critică , în Știința și tehnologia materialelor avansate , vol. 2, nr. 3-4, decembrie 2001, pp. 571-576, DOI : 10.1016 / S1468-6996 (01) 00139-5 .
  16. ^ Bryony Ashford și Xin Tu, Tehnologie plasmatică non-termică pentru conversia CO 2 , în Opinia curentă în chimia verde și durabilă , vol. 3, februarie 2017, pp. 45-49, DOI : 10.1016 / j.cogsc.2016.12.001 .
  17. ^ Christophe De Bie, Bert Verheyde, Tom Martens, Jan van Dijk, Sabine Paulussen și Annemie Bogaerts, Modelarea fluidelor de conversie a metanului în hidrocarburi superioare într-o descărcare barieră dielectrică de presiune atmosferică , în Procese și polimeri de plasmă , vol. 8, nr. 11, 23 noiembrie 2011, pp. 1033-1058, DOI : 10.1002 / ppap.201100027 .
  18. ^ a b H CHEN, H LEE, S CHEN, Y CHAO și M CHANG, Revizuirea catalizei plasmatice privind reformarea hidrocarburilor pentru producția de hidrogen - Interacțiune, integrare și perspective , în Cataliza aplicată B: mediu , vol. 85, nr. 1-2, 17 decembrie 2008, pp. 1-9, DOI : 10.1016 / j.apcatb.2008.06.021 .
  19. ^ F Holzer, Combinație de plasmă non-termică și cataliză eterogenă pentru oxidarea compușilor organici volatili Partea 1. Accesibilitatea volumului intra-particulelor , în Cataliza aplicată B: Mediu , vol. 38, nr. 3, septembrie 2002, pp. 163-181, DOI : 10.1016 / S0926-3373 (02) 00040-1 .
  20. ^ a b EC Neyts și A Bogaerts, Înțelegerea catalizei plasmatice prin modelare și simulare - o revizuire , în Jurnalul de fizică D: fizică aplicată , vol. 47, nr. 22, 4 iunie 2014, p. 224010, DOI : 10.1088 / 0022-3727 / 47/22/224010 .
  21. ^ Alice M. Harling, David J. Glover, J. Christopher Whitehead și Kui Zhang, Rolul ozonului în distrugerea catalitică a plasmei a poluanților din mediu , în Cataliza aplicată B: mediu , vol. 90, n. 1-2, iulie 2009, pp. 157-161, DOI : 10.1016 / j.apcatb.2009.03.005 .
  22. ^ Hsin Liang Chen, How Ming Lee, Shiaw Huei Chen, Moo Been Chang, Sheng Jen Yu și Shou Nan Li, îndepărtarea compușilor organici volatili prin sisteme de cataliză plasmatică cu o singură etapă și cu două etape: o revizuire a mecanismelor de îmbunătățire a performanței, Stare actuală și aplicații adecvate , în Știința și tehnologia mediului , vol. 43, nr. 7, aprilie 2009, pp. 2216-2227, DOI : 10.1021 / es802679b .
  23. ^ Jim Van Durme, Jo Dewulf, Christophe Leys și Herman Van Langenhove, Combinarea plasmei non-termice cu cataliza eterogenă în tratarea gazelor reziduale: O revizuire , în Applied Catalysis B: Environmental , vol. 78, nr. 3-4, februarie 2008, pp. 324-333, DOI : 10.1016 / j.apcatb.2007.09.035 .
  24. ^ Arne M. Vandenbroucke, Rino Morent, Nathalie De Geyter și Christophe Leys, Plasme non-termice pentru reducerea VOC non-catalitică și catalitică , în Journal of Hazardous Materials , vol. 195, noiembrie 2011, pp. 30-54, DOI : 10.1016 / j.jhazmat.2011.08.060 .
  25. ^ Nicole Blin-Simiand, Pierre Tardiveau, Aurore Risacher, François Jorand și Stéphane Pasquiers, Eliminarea 2-Heptanonei prin descărcări de bariere dielectrice - Efectul unui suport catalizator , în Procese și polimeri de plasmă , vol. 2, nr. 3, 31 martie 2005, pp. 256-262, DOI : 10.1002 / ppap . 200400088 .
  26. ^ Jingping Hong, Wei Chu, Petr A. Chernavskii și Andrei Y. Khodakov, Specii de cobalt și interacțiunea de cobalt-suport în catalizatori Fischer - Tropsch asistate de plasmă cu descărcare strălucitoare , în Journal of Catalysis , vol. 273, nr. 1, 7 iulie 2010, pp. 9-17, DOI : 10.1016 / j.jcat.2010.04.015 .
  27. ^ H. Beuther, OA Larson și AJ Perrotta, The Mechanism of Coke Formation on Catalysts , în Catalyst Deactivation , Elsevier, 1980, pp. 271-282, DOI : 10.1016 / s0167-2991 (08) 65236-2 .
  28. ^ Yu-Ru Zhang, Koen Van Laer, Erik C. Neyts și Annemie Bogaerts, se poate forma plasma în porii catalizatorului? O investigație de modelare , în Cataliză aplicată B: mediu , vol. 185, mai 2016, pp. 56-67, DOI : 10.1016 / j.apcatb.2015.12.009 .
  29. ^ Nikola Bednar, Jovan Matović și Goran Stojanović, Proprietăți ale generatorului de plasmă de descărcare a barierei dielectrice de suprafață pentru fabricarea nanomaterialelor , în Journal of Electrostatics , vol. 71, nr. 6, decembrie 2013, pp. 1068-1075, DOI : 10.1016 / j.elstat.2013.10.010 .
Adus din „ https://it.wikipedia.org/w/index.php?title=Plasma_non_termico&oldid=121933074 ”