بررسی تخصصی پلاسمای غیر حرارتی

یک حالت ماده، پلاسما، از گازهای قابل یونیزاسیون تشکیل شده است که در اثر گرما، تحریک یا شرایط الکترومغناطیسی به دست می آیند. پلاسمای غیر حرارتی از طریق ترکیب گونه های خنثی، یون های مثبت و الکترون ها تولید می شود. پلاسمای غیر حرارتی در هوا پلاسماهای شعله‌دار تولید می‌کند که منابع عالی رادیکال‌ها و گونه‌های برانگیخته هستند که یک محیط اکسیدکننده عمومی، حتی در انرژی تزریق کم، را تشکیل می‌دهند.

بررسی تخصصی پلاسمای غیر حرارتی

یک حالت ماده، پلاسما، از گازهای قابل یونیزاسیون تشکیل شده است که در اثر گرما، تحریک یا شرایط الکترومغناطیسی به دست می آیند. پلاسمای غیر حرارتی از طریق ترکیب گونه های خنثی، یون های مثبت و الکترون ها تولید می شود. پلاسمای غیر حرارتی در هوا پلاسماهای شعله‌دار تولید می‌کند که منابع عالی رادیکال‌ها و گونه‌های برانگیخته هستند که یک محیط اکسیدکننده عمومی، حتی در انرژی تزریق کم، را تشکیل می‌دهند.

واکنش پذیری این پلاسماها در اینجا نیز روی تعداد قابل توجهی از مولکول های آلی نشان داده شده است. به این معنی که، پلاسمای حرارتی دمای تعادل بسیار بالایی را نشان می دهد. علاوه بر این، دمای الکترون‌ها می‌تواند بیشتر از فاز گازی باشد که تقریباً دمای محیطی دارد (مثلاً پلاسمای سرد). در انرژی یونیزاسیون بالا، الکترون‌ها مستقیماً با مولکول‌ها و یون‌های موجود واکنش می‌دهند و ترکیبات و رادیکال‌های برانگیخته تشکیل می‌دهند که به نوبه خود به آنها اجازه می‌دهد تا آلاینده‌های موجود در هوا را در دمای اتاق اکسید کنند. دسته های مختلفی از تخلیه برای تولید پلاسمای سرد استفاده می شود.

پلاسما با تخلیه سد دی الکتریک (DBD) و تخلیه تاج معمولاً برای کاهش آلودگی هوا استفاده می شود.

پلاسما چیست؟

پلاسما ماده ای فوق گرم است – آنقدر داغ که الکترون ها از اتم ها جدا می شوند و یک گاز یونیزه تشکیل می دهند. بیش از 99 درصد از جهان مرئی را پلاسما تشکیل می دهد. در آسمان شب، پلاسما به شکل ستاره‌ها، سحابی‌ها و حتی شفق‌های قطبی می‌درخشد که گاهی در بالای قطب شمال و جنوب موج می‌زند. آن شاخه از رعد و برق که آسمان را می شکافد پلاسما است، تابلوهای نئونی در خیابان های شهر ما نیز همینطور هستند. و همینطور خورشید ما، ستاره ای که زندگی روی زمین را ممکن می کند.

جدول 1- پیکربندی راکتور برای حذف آلاینده ها

آلاینده های هدفطراحی راکتور
استیلنراکتور پیوسته
تتراکلرواتیلن و دکانراکتور حلقوی
اتانول و بنزنراکتور دسته ای
ایزوپروپانولراکتور لوله ای
سیکلوهگزانراکتور بستر ثابت
بنزنراکتور بستر ثابت
تولوئنراکتورهای پیوسته و دسته ای
استون و بنزنراکتور دسته ای
دی کلرومتانراکتورهای سیستم دسته ای همراه با (بیو)
تری متیل آمینراکتور حلقوی
ایزووالرآلدئیدراکتور مسطح و استوانه ای
فرمالدئیدراکتور بستر ثابت پلاسمای غیر حرارتی
بوتیرآلدئیدراکتور مسطح پلاسمای غیر حرارتی
دی متیل دی سولفیدراکتور مسطح  و راکتور استوانه ای پلاسمای غیر حرارتی
2، 3 بوتادیونراکتور مسطح
NOxراکتور لوله ای ،راکتور بستر ثابت و راکتور مستطیلی
H2Sراکتور لوله ای و راکتور مسطح
SO2راکتور بستر ثابت پلاسمای غیر حرارتی
NH3 و H2Sراکتور مستطیلی

 

(i) پلاسمای غیر حرارتی با تخلیه تاج: این تخلیه با اعمال اختلاف پتانسیل بالا (چند ده کیلوولت) دو الکترود با انحنای متغیر اتفاق می‌افتد. هندسه‌های نوع صفحه سیم، صفحه نقطه و سیلندر پر، عمدتاً برای پلاسمای با تخلیه تاج استفاده می‌شوند. الکترود منحنی تخلیه الکتریکی را آغاز می کند که در مجاورت الکترود مسطح شمارنده پیش می­رود.

تعریف پلاسمای غیرحرارتی

پلاسما اساساً مجموعه‌ای از ذرات باردار مثبت و منفی در یك گاز خنثی است. این ذرات باردار الكترونها و یونهایی هستند كه اتمها یا ملكولها را باردار می‌سازند. در این قسمت ما با پلاسماهایی با میزان یونیزاسیون پایین سروكار داریم. این بدان معنی است كه دانسیته كلی تعداد ذرات باردار بسیار كمتر از دانسیته كلی تعداد ذرات خنثی است. به این پلاسماها شبه خنثی نیز گفته می‌شود. بدین معنی كه دانسیته كلی حاملهای بار مثبت عملاً دانسیته كلی حاملهای بار منفی است. اگر ما به یك چنین پلاسمایی از طریق اختلاف پتانسیل انرژی اعمال كنیم، این میدان الكتریكی بر ذرات باردار وارد شده و انرژی را به آنان منتقل می‌كند.

البته ذرات خنثی (توده گاز) تحت تاثیر این میدان قرار نمی‌گیرند. الكترونها به دلیل سبكی وزن در زمان بین برخوردها فوراً تا سرعتهای بالا شتاب می‌گیرند.
انرژی‌ای كه آنها طی برخورد از دست می‌دهند توسط رقیب آنها جذب می‌شود. اگر فشار كم بوده و یا میدان الكتریكی قوی باشد، متوسط انرژی جنبشی الكترونها و قسمتی از یونها، بیش از انرژی مربوط به حركت تصادفی مولكولها خواهد بود. در اینجاست كه از یك پلاسمای غیرحرارتی یا غیرتعادلی صحبت به میان می‌آید.

از سوی دیگر اگر فشار زیاد باشد و یا میدان الكتریكی ضعیف باشد به نحوی كه این ذرات باردار پیش از برخورد بعدی زیاد دور نشوند، ممكن است انرژی جنبشی ذرات باردار به سمت انرژی جنبشی ذرات خنثی میل كند یعنی حالت تقسیم مساوی انرژی (Equipartition) اتفاق می‌افتد.

به این حالت پلاسمای حرارتی یا پلاسمای تعادلی گویند. یكی از مرسوم‌ترین پلاسماهای تعادلی، پلاسمای در دمای بالا است. در دماهای بالا تعداد برخوردهای بین ذرات بحدی زیاد می‌شود كه انرژی به طور مساوی بین تمام ذرات تقسیم می‌شود. از این رو پلاسماهای تعادلی را می‌توان پلاسمای داغ و پلاسماهای غیرتعادلی را پلاسمای سرد نامگذاری كرد

 

(ii) پلاسمای غیر حرارتی با تخلیه مانع دی الکتریک (DBD): برای تولید DBD، موانع دی الکتریک مانند مواد جدا کننده خاص یا تکیه گاه ها، مانند: سرامیک، کوارتز، شیشه یا تفلون برای جداسازی دو الکترود استفاده می شود. تنظیمات مختلفی برای DBD موجود است، مانند نوع سیلندرهای کواکسیال، صفحه- صفحه، صفحه- سیم و صفحه- نقطه. بسته به نوع سد دی الکتریک و آرایش خاص الکترودها، DBD را می توان به پلاسمای حجمی DBD یا پلاسمای سطحی DBD بسته به نوع مانع دی الکتریک و آرایش خاص الکترودها طبقه بندی کرد. در شکل 1، فهرستی غیر جامع از برخی پیکربندی های مختلف راکتورهای DBD پلاسمای غیر حرارتی استوانه ای و مسطح ارائه شده است.

پلاسمای غیر حرارتی

شکل 1- فهرستی از پیکربندی های مختلف راکتورهای پلاسمایDBD مقاله (پلاسمای غیر حرارتی )

به طور ایده آل، برای جلوگیری از تولید محصولات جانبی نامطلوب و سمی، آلاینده ها باید با تغییر ترکیب و ساختار شیمیایی که با تشکیل CO2 و H2O مشخص می شود، اکسید شوند. با این حال، در سطح عملی، راکتورهای پلاسما امکان تخریب جزئی با تشکیل قابل توجه محصولات جانبی اکسید شده را فراهم می‌کنند، که گاهی اوقات در خروجی تصفیه شده شناسایی نمی‌شوند و احتمالاً مشکلات بیشتری نسبت به آلاینده اولیه ایجاد می‌کنند.

علاوه بر این، پلاسمای غیر حرارتی به تنهایی دارای اشکالاتی در رابطه با بهره وری انرژی و تولید محصول جانبی است که با انتخاب ضعیف CO2 حتی در نرخ تبدیل بالا ارائه می شود. وجود ازن و اکسیدهای نیتروژن در پساب خروجی از سیستم‌های تصفیه هوا پلاسمایی غیرحرارتی، بزرگترین اشکال این فناوری است که برای از بین بردن این محصولات جانبی سمی و بیشتر، به‌ویژه ازن، نیاز به تصفیه پس از عملیات دارد. همراهی روش اصلاحی دیگر (مانند ماوراء بنفش) با پلاسما امکان ترکیب کارایی آنها و کاهش تخریب و اشکالات هر فرآیند را ممکن می سازد.

اخیراً، بسیاری از محققین بر تکامل تغییر ترکیب و ساختار شیمیایی برای داشتن اکسیداسیون کامل در حالی که پلاسمای سرد را با کاتالیزورها ترکیب می کنند تمرکز کرده اند. در منابع علمی، کاتالیزورهای متعددی با استفاده از گروه بندی‌های متنوع با آلاینده‌های مختلف (مانند آمونیاک، سولفید هیدروژن و VOCs) بررسی شده‌اند. به طورغیرقابل انکار، جفت شدن پلاسمای سرد و فوتوکاتالیست عملکرد بهتری نسبت به کارآیی هر فرآیند (در زمانی که جداگانه به کار گرفته می شود)، نشان داده است. در نتیجه، این نوشتار اثرات هم افزایی استفاده از ترکیب فناوری‌های فوتوکاتالیز و پلاسمای سرد برای تخریب آلاینده‌ها را بررسی می‌کند.

 

 

منبع

non-thermal plasma

دیدگاهتان را بنویسید

نشانی ایمیل شما منتشر نخواهد شد. بخش‌های موردنیاز علامت‌گذاری شده‌اند *

این سایت از اکیسمت برای کاهش هرزنامه استفاده می کند. بیاموزید که چگونه اطلاعات دیدگاه های شما پردازش می‌شوند.