Plasma no térmico
Estado de no equilibrio de la materia

Un plasma no térmico , plasma frío o plasma fuera de equilibrio 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 velocidad de Maxwell-Boltzmann es muy diferente de la distribución de velocidad 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, se mantiene 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 alimentaria

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 en frutas, verduras y productos cárnicos con superficies frágiles. [2] Estos alimentos no están adecuadamente desinfectados o no son adecuados para el tratamiento con productos químicos, calor u otras herramientas de procesamiento de alimentos convencionales. Si bien las aplicaciones del plasma no térmico se centraron inicialmente en la desinfección microbiológica, [3] se están investigando activamente aplicaciones más nuevas como la inactivación de enzimas, la oxidación de biomoléculas, la modificación de proteínas, la activación de profármacos y la disipación de pesticidas. [4] [5] [6] [7] El plasma no térmico también se utiliza cada vez más en la esterilización de dientes [8] [9] y manos, [10] en secadores de manos [11] así como en filtros autodescontaminantes. [12]

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 (ver Plasma (física) § Temperatura . Dentro del 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. Los "plasmas fríos" también pueden referirse vagamente 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 denomina por 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 descriptivos en general, basados ​​en las características del plasma generado (" plasma de descarga luminiscente uniforme de una atmósfera ", "plasma atmosférico", "descargas no térmicas a presión ambiente", "plasmas de presión atmosférica no en equilibrio", etc.). Las dos características que distinguen a los NTP de otras tecnologías de plasma maduras y aplicadas industrialmente son que 1) son no térmicos y 2) funcionan a presión atmosférica o cerca de ella.

Tecnologías

Clase de tecnología NTP
I. Tratamiento a distanciaII. Tratamiento directoIII. Contacto de electrodos
Naturaleza del NTP aplicadoPlasma en descomposición (resplandor): especies químicas de mayor duraciónPlasma activo: especies de vida corta y largaPlasma activo: todas las especies químicas, incluidas las de vida más corta y las de bombardeo iónico.
Densidad y energía de NTPDensidad moderada: el objetivo está alejado de los electrodos. Sin embargo, se puede generar un mayor volumen de NTP utilizando varios electrodosMayor densidad: objetivo en la ruta directa de un flujo de NTP activoMayor densidad: objetivo dentro del campo de generación NTP
Espaciamiento del objetivo con respecto al electrodo generador de NTPAprox. 5–20 cm; es poco probable que se produzca un arco eléctrico (descarga filamentosa) que entre en contacto con el objetivo a cualquier nivel de potenciaAprox. 1–5 cm; se pueden producir arcos eléctricos con configuraciones de mayor potencia, que pueden entrar en contacto con el objetivoAprox. ≤ 1 cm; puede producirse un arco eléctrico entre los electrodos y el objetivo con configuraciones de potencia más altas
Conducción eléctrica a través del objetivoNoNo en condiciones normales de funcionamiento, pero es posible durante el arco eléctrico.Sí, si el objetivo se utiliza como electrodo O si el objetivo entre los electrodos montados es conductor de electricidad
Adecuación para superficies irregularesLa naturaleza altamente remota de la generación de NTP significa máxima flexibilidad en la aplicación del flujo residual de NTPModeradamente alto: el NTP se transmite al objetivo de manera direccional, lo que requiere la rotación del objetivo o múltiples emisores de NTP.Moderadamente bajo: se requiere un espaciado reducido para mantener la uniformidad de NTP. Sin embargo, los electrodos pueden moldearse para adaptarse a una superficie definida y uniforme.
Ejemplos de tecnologíasReactor de exposición remota, lápiz de plasmaArco deslizante; aguja de plasma; tubo de plasma inducido por microondasReactor de placas paralelas; reactor de placas de aguja; descarga de barrera resistiva; descarga de barrera dieléctrica
Referencias

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Medicamento

Un campo emergente incorpora las capacidades del plasma no térmico a la odontología y la medicina . El plasma frío se utiliza para tratar heridas crónicas . [25]

Generación de energía

La generación de energía magnetohidrodinámica, un método de conversión directa de energía a partir de un gas caliente en movimiento dentro de un campo magnético, se desarrolló en los años 1960 y 1970 con generadores MHD pulsados ​​conocidos como tubos de choque , utilizando plasmas de no equilibrio sembrados con vapores de metales alcalinos (como el 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. [26] [27] [28] [29]

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 son mucho más calientes que los electrones. [30] [31]

Aeroespacial

Se están estudiando soluciones de control de flujo activo aerodinámico que involucran plasmas débilmente ionizados no térmicos tecnológicos para vuelo subsónico , supersónico e hipersónico , como actuadores de plasma en el campo de la electrohidrodinámica , y como convertidores magnetohidrodinámicos cuando también están involucrados campos magnéticos. [32]

Los estudios realizados en túneles de viento involucran la mayor parte del tiempo presiones atmosféricas bajas, similares a una altitud de 20 a 50 km, típica del vuelo hipersónico , donde la conductividad eléctrica del aire es mayor, por lo tanto, plasmas débilmente ionizados no térmicos se pueden producir fácilmente con un menor gasto de energía. [ cita requerida ]

Catálisis

El plasma no térmico a presión atmosférica se puede utilizar para promover reacciones químicas. Las colisiones entre electrones a alta temperatura y moléculas de gas frío pueden provocar reacciones de disociación y la posterior formación de radicales. Este tipo de descarga exhibe propiedades reactivas que se observan habitualmente en sistemas de descarga a alta temperatura. [33] 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 [34] a nivel comercial; reducción de la contaminación, tanto sólida ( PM , COV ) como gaseosa ( SOx , NOx ); [35] conversión de CO2 [36] 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 (p. ej. metano ), [37] producción de hidrógeno mediante reformado de hidrocarburos [38]

Configuraciones

El acoplamiento entre los dos mecanismos diferentes se puede realizar de dos maneras diferentes: configuración de dos etapas, también llamada catálisis post-plasma (PPC) y configuración de una etapa, también llamada catálisis en plasma (IPC) o catálisis mejorada por plasma (PEC).

En el primer caso, el reactor catalítico se coloca después de la cámara de plasma. Esto significa que solo las especies de larga vida pueden alcanzar la superficie del catalizador y reaccionar, mientras que los radicales de vida corta, los iones y las especies excitadas se desintegran 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 [39] en un plasma de aire seco a presión atmosférica. Esto significa que solo una pequeña región del catalizador está en contacto con radicales activos. En una configuración de dos etapas de este tipo, el papel principal del plasma es alterar la composición del gas alimentado al reactor catalítico. [40] En un sistema PEC, los efectos sinérgicos son mayores ya que las especies excitadas de vida corta se forman cerca de la superficie del catalizador. [41] La forma en que se inserta el catalizador en el reactor PEC influye en el rendimiento general. Puede colocarse dentro del reactor de diferentes formas: en forma de polvo ( lecho empacado ), depositado sobre espumas, depositado sobre material estructurado (panal de abeja) y recubrimiento de las paredes del reactor.

Los reactores catalíticos de plasma de lecho empacado se utilizan comúnmente para estudios fundamentales [33] y su 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 un resultado que no se puede obtener utilizando cada proceso individualmente. La sinergia que se establece se atribuye a diferentes efectos cruzados. [42] [43] [38] [44] [45]

  • Efectos del plasma sobre el catalizador:
    • Cambios en las propiedades fisicoquímicas . El plasma altera el equilibrio de adsorción/desorción en la superficie del catalizador, lo que genera mayores capacidades de adsorción. La interpretación de este fenómeno aún no está clara. [46]
    • Mayor área superficial del catalizador . Un catalizador expuesto a una descarga puede dar lugar a la formación de nanopartículas . [47] La ​​mayor relación superficie/volumen conduce a mejores rendimientos del catalizador.
    • Mayor probabilidad de adsorción .
    • Cambio en el estado de oxidación del catalizador . Algunos catalizadores metálicos (p. ej. 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. [48] La formación reducida de coque en presencia de plasma reduce la tasa de envenenamiento/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 quede expuesto a ellas. Los iones y las especies excitadas vibracional 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 coeficientes de adherencia elevados para la quimisorción, lo que aumenta la actividad catalítica.
  • Efectos del catalizador en el plasma:
    • Mejora del campo eléctrico local . Este aspecto está relacionado principalmente con una configuración PEC de lecho empacado. La presencia de un material de relleno dentro de un campo eléctrico genera mejoras de campo local debido a la presencia de asperezas, inhomogeneidades 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 relleno y está presente incluso si se utiliza un lecho empacado sin un catalizador. A pesar de que este es un aspecto físico, también afecta la química ya que altera la distribución de energía de los electrones en la proximidad de las asperezas.
    • Formación de descargas dentro de los poros . Este aspecto está estrictamente relacionado con el anterior. Los pequeños espacios vacíos dentro de un material de empaque afectan la intensidad del campo eléctrico. La mejora también puede conducir a un cambio en las características de descarga, que pueden ser diferentes de la condición de descarga de la región a granel (es decir, lejos del material sólido). [49] La alta intensidad del campo eléctrico también puede conducir a la producción de diferentes especies que no se observan en la masa.
    • Cambio en el tipo de descarga . La inserción de un material dieléctrico en una región de descarga provoca un cambio en el tipo de descarga. A partir de un régimen filamentoso se establece una descarga filamentosa/superficial mixta. Los iones, las especies excitadas y los radicales se forman en una región más amplia si existe un régimen de descarga superficial. [50]

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.

Véase también

Referencias

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