Un plasma no térmico , plasma frío o plasma en desequilibrio es un plasma que no está en equilibrio termodinámico , porque la temperatura de los electrones es mucho más alta que la temperatura de las especies pesadas (iones y neutros). Como solo los electrones están termalizados, su distribución de velocidades de Maxwell-Boltzmann es muy diferente de la distribución de velocidades de los iones. [1] Cuando una de las velocidades de una especie no sigue una distribución de Maxwell-Boltzmann, se dice que el plasma no es maxwelliano.
Un tipo de plasma no térmico común es el gas de vapor de mercurio dentro de una lámpara fluorescente , donde el "gas de electrones" alcanza una temperatura de 20.000 K (19.700 ° C ; 35.500 ° F ) mientras que el resto del gas, iones y átomos neutros, permanece apenas por encima de la temperatura ambiente, por lo que la bombilla incluso se puede tocar con las manos mientras está en funcionamiento.
Aplicaciones
Industria de alimentos
En el contexto del procesamiento de alimentos , un plasma no térmico ( NTP ) o plasma frío es específicamente un tratamiento antimicrobiano que se está investigando para su aplicación a frutas, verduras y productos cárnicos con superficies frágiles. [2] [3] [4] Estos alimentos no están adecuadamente desinfectados o no son aptos para el tratamiento con productos químicos, calor u otras herramientas convencionales de procesamiento de alimentos. Si bien las aplicaciones del plasma no térmico se centraron inicialmente en la desinfección microbiológica, [5 ] se están investigando activamente aplicaciones más nuevas como la inactivación de enzimas, [6] la modificación de proteínas [7] y la disipación de plaguicidas [8] . El plasma no térmico también se utiliza cada vez más en la esterilización de dientes [9] [10] y manos, [11] en secadores de manos [12] , así como en filtros autodescontaminantes. [13] Una configuración particular de descarga de plasma que implica la ionización del aire o una mezcla de gas específica dentro de un paquete sellado, denominado "plasma frío en el paquete" ha atraído recientemente mucha atención. [14]
El término plasma frío se ha utilizado recientemente como un descriptor conveniente para distinguir las descargas de plasma de una atmósfera , cerca de la temperatura ambiente , de otros plasmas, que operan a cientos o miles de grados por encima de la temperatura ambiente (véase Plasma (física) § Temperaturas ). En el contexto del procesamiento de alimentos, el término "frío" puede generar imágenes engañosas de los requisitos de refrigeración como parte del tratamiento con plasma. Sin embargo, en la práctica, esta confusión no ha sido un problema. "Plasmas fríos" también puede referirse libremente a gases débilmente ionizados ( grado de ionización <0,01%).
Nomenclatura
La nomenclatura del plasma no térmico que se encuentra en la literatura científica es variada. En algunos casos, el plasma se refiere a la tecnología específica utilizada para generarlo ("arco deslizante", " lápiz de plasma ", "aguja de plasma", "chorro de plasma", " descarga de barrera dieléctrica ", " plasma de descarga directa piezoeléctrica ") , etc.), mientras que otros nombres son más generalmente descriptivos, basados en las características del plasma generado (" plasma de descarga luminiscente uniforme de una atmósfera ", "plasma atmosférico", "descargas no térmicas a presión ambiental", "plasmas de presión atmosférica sin equilibrio ", etc.). Las dos características que distinguen al NTP de otras tecnologías de plasma maduras aplicadas industrialmente es que son 1) no térmicas y 2) operan a presión atmosférica o cerca de ella.
Tecnologias
Clase de tecnología NTP | |||
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I. Tratamiento a distancia | II. Tratamiento directo | III. Contacto de electrodo | |
Naturaleza del NTP aplicado | Plasma en descomposición (resplandor crepuscular): especies químicas de vida más larga | Plasma activo: especies de vida corta y larga | Plasma activo: todas las especies químicas, incluido el bombardeo iónico y de vida más corta |
Densidad y energía NTP | Densidad moderada: objetivo alejado de los electrodos. Sin embargo, se puede generar un mayor volumen de NTP utilizando múltiples electrodos. | Mayor densidad: objetivo en la ruta directa de un flujo de NTP activo | Densidad más alta: objetivo dentro del campo de generación de NTP |
Espaciado del objetivo del electrodo generador de NTP | Aprox. 5 - 20 cm; Es poco probable que la formación de arcos (descarga filamentosa) entre en contacto con el objetivo en cualquier ajuste de potencia | Aprox. 1 - 5 cm; El arco puede ocurrir en configuraciones de potencia más altas, puede entrar en contacto con el objetivo | Aprox. ≤ 1 cm; Puede producirse un arco eléctrico entre los electrodos y el objetivo en configuraciones de potencia más altas |
Conducción eléctrica a través del objetivo | No | No en funcionamiento normal, pero es posible durante la formación de arco. | Sí, si el objetivo se usa como electrodo O si el objetivo entre los electrodos montados es eléctricamente conductor |
Idoneidad para superficies irregulares | La naturaleza altamente remota de la generación de NTP significa la máxima flexibilidad de aplicación del flujo de posluminiscencia de NTP | Moderadamente alto: el NTP se transmite al objetivo de manera direccional, lo que requiere la rotación del objetivo o múltiples emisores NTP | Moderadamente bajo: se requiere un espaciado estrecho para mantener la uniformidad del NTP. Sin embargo, los electrodos pueden moldearse para adaptarse a una superficie definida y consistente. |
Ejemplos de tecnologías | Reactor de exposición remota, lápiz de plasma | Arco deslizante; aguja de plasma; tubo de plasma inducido por microondas | Reactor de placas paralelas; reactor de placa de agujas; descarga de barrera resistiva; descarga de barrera dieléctrica |
Referencias |
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Medicamento
Un campo emergente agrega las capacidades del plasma no térmico a la odontología y la medicina .
Generación de energía
La generación de energía magnetohidrodinámica, un método de conversión de energía directa a partir de un gas caliente en movimiento dentro de un campo magnético, se desarrolló en las décadas de 1960 y 1970 con generadores MHD pulsados conocidos como tubos de choque , utilizando plasmas de desequilibrio sembrados con vapores de metales alcalinos (como cesio , para aumentar la conductividad eléctrica limitada de los gases) calentados a una temperatura limitada de 2000 a 4000 kelvins (para proteger las paredes de la erosión térmica) pero donde los electrones se calentaron a más de 10,000 kelvins. [15] [16] [17] [18]
Un caso particular e inusual de plasma no térmico "inverso" es el plasma de muy alta temperatura producido por la máquina Z , donde los iones están mucho más calientes que los electrones. [19] [20]
Aeroespacial
Aerodinámicos activos de control de flujo soluciones que implican no térmicos tecnológicos plasmas de ionización débil para subsónico , supersónico y hipersónico vuelo están siendo estudiados, como actuadores de plasma en el campo de la electrohidrodinámica , y como convertidores magnetohidrodinámicos cuando los campos magnéticos también están involucrados. [21]
Los estudios realizados en túneles de viento implican la mayor parte del tiempo una presión atmosférica baja similar a una altitud de 20 a 50 km, típica del vuelo hipersónico , donde la conductividad eléctrica del aire es mayor, por lo que los plasmas no térmicos débilmente ionizados se pueden producir fácilmente con un menor gasto energético.
Catálisis
Se puede utilizar plasma no térmico a presión atmosférica para promover reacciones químicas. Las colisiones entre electrones de temperatura caliente y moléculas de gas frío pueden conducir a reacciones de disociación y la consiguiente formación de radicales. Este tipo de descarga exhibe propiedades de reacción que generalmente se ven en los sistemas de descarga de alta temperatura. [22] El plasma no térmico también se utiliza junto con un catalizador para mejorar aún más la conversión química de los reactivos o para alterar la composición química de los productos.
Entre los diferentes campos de aplicación, se encuentran la producción de ozono [23] a nivel comercial; reducción de la contaminación, tanto sólida ( PM , VOC ) como gaseosa ( SOx , NOx ); [24] Conversión de CO 2 [25] en combustibles ( metanol , gas de síntesis ) o productos químicos de valor añadido; fijación de nitrógeno ; síntesis de metanol ; síntesis de combustibles líquidos a partir de hidrocarburos más ligeros (por ejemplo, metano ), [26] producción de hidrógeno mediante reformado de hidrocarburos [27]
Configuraciones
El acoplamiento entre los dos mecanismos diferentes se puede realizar de dos formas diferentes: configuración de dos etapas, también llamada catálisis posplasma (PPC) y configuración de una etapa, también llamada catálisis en plasma (IPC) o catálisis mejorada con plasma (PEC) ).
En el primer caso, el reactor catalítico se coloca después de la cámara de plasma. Esto significa que solo las especies de vida larga pueden alcanzar la superficie del catalizador y reaccionar, mientras que los radicales de vida corta, los iones y las especies excitadas se descomponen en la primera parte del reactor. Como ejemplo, el átomo de oxígeno en estado fundamental O (3P) tiene una vida útil de aproximadamente 14 μs [28] en un plasma de presión atmosférica de aire seco. Esto significa que solo una pequeña región del catalizador está en contacto con los radicales activos. En una configuración de dos etapas de este tipo, la función principal del plasma es alterar la composición del gas que se alimenta al reactor catalítico. [29] En un sistema PEC, los efectos sinérgicos son mayores ya que se forman especies excitadas de vida corta cerca de la superficie del catalizador. [30] La forma en que se inserta el catalizador en el reactor PEC influye en el rendimiento general. Se puede colocar en el interior del reactor de diferentes formas: en forma de polvo ( lecho empacado ), depositado sobre espumas, depositado sobre material estructurado (panal) y revestimiento de las paredes del reactor.
Los reactores catalíticos de plasma de lecho empacado se utilizan comúnmente para estudios fundamentales [22] y una ampliación a aplicaciones industriales es difícil ya que la caída de presión aumenta con el caudal.
Interacciones plasma-catálisis
En un sistema PEC, la forma en que se coloca el catalizador en relación con el plasma puede afectar el proceso de diferentes maneras. El catalizador puede influir positivamente en el plasma y viceversa, lo que da como resultado una salida que no se puede obtener utilizando cada proceso individualmente. La sinergia que se establece se atribuye a diferentes efectos cruzados. [31] [32] [33] [34] [35]
- Efectos del plasma sobre el catalizador:
- Cambio en las propiedades fisicoquímicas . El plasma cambia el equilibrio de adsorción / desorción en la superficie del catalizador, lo que conduce a mayores capacidades de adsorción. Una interpretación de este fenómeno aún no está clara. [36]
- Mayor área superficial del catalizador . Un catalizador expuesto a una descarga puede dar lugar a la formación de nanopartículas. [37] La relación superficie / volumen más alta conduce a mejores rendimientos del catalizador.
- Mayor probabilidad de adsorción .
- Cambio en el estado de oxidación del catalizador . Algunos catalizadores metálicos (por ejemplo, Ni, Fe) son más activos en su forma metálica. La presencia de una descarga de plasma puede inducir una reducción de los óxidos metálicos del catalizador, mejorando la actividad catalítica.
- Reducción de la formación de coque . Cuando se trata de hidrocarburos, la formación de coque conduce a una desactivación progresiva del catalizador. [38] La formación reducida de coque en presencia de plasma reduce la tasa de intoxicación / desactivación y, por lo tanto, extiende la vida útil de un catalizador.
- Presencia de nuevas especies en fase gaseosa . En una descarga de plasma se produce una amplia gama de nuevas especies que permiten que el catalizador se exponga a ellas. Los iones, especies excitadas vibratoria y rotacionalmente, no afectan al catalizador ya que pierden carga y la energía adicional que poseen cuando alcanzan una superficie sólida. Los radicales, en cambio, muestran altos coeficientes de adherencia para la quimisorción, aumentando la actividad catalítica.
- Efectos del catalizador en el plasma:
- Mejora del campo eléctrico local . Este aspecto se relaciona principalmente con una configuración de PEC de lecho empacado. La presencia de un material de empaque dentro de un campo eléctrico genera mejoras de campo local debido a la presencia de asperezas, falta de homogeneidad en la superficie del material sólido, presencia de poros y otros aspectos físicos. Este fenómeno está relacionado con la acumulación de carga superficial en la superficie del material de empaque y está presente incluso si se usa un lecho empaquetado sin catalizador. A pesar de que este es un aspecto físico, también afecta a la química ya que altera la distribución de energía de los electrones en las proximidades de las asperezas.
- Descarga la formación dentro de los poros . Este aspecto está estrictamente relacionado con el anterior. Los pequeños espacios vacíos dentro de un material de embalaje afectan la intensidad del campo eléctrico. La mejora también puede conducir a un cambio en las características de descarga, que puede ser diferente de la condición de descarga de la región a granel (es decir, lejos del material sólido). [39] La alta intensidad del campo eléctrico también puede conducir a la producción de diferentes especies que no se observan a granel.
- Cambio en el tipo de descarga . La inserción de un material dieléctrico en una región de descarga conduce a un cambio en el tipo de descarga. A partir de un régimen filamentario se establece una descarga mixta filamentosa / superficial. Los iones, las especies excitadas y los radicales se forman en una región más amplia si existe un régimen de descarga superficial. [40]
Los efectos del catalizador en el plasma están relacionados principalmente con la presencia de un material dieléctrico dentro de la región de descarga y no requieren necesariamente la presencia de un catalizador.
Ver también
- Plasma anisotermal
- Plasmatron de arco deslizante [41]
Referencias
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