Наука плазмохимия

закономерности протекания реакций в ней и основы плазмохимической технологии.

Взаимодействие между реагентами в плазме приводит к образованию конечных (целевых) продуктов, которые могут выводиться из состояния плазмы путём быстрого охлаждения (закалки). Основной особенностью плазмохимических процессов является то, что в плазме образуются в значительно больших концентрациях, чем при обычных условиях проведения химических реакций, многие реакционноспособные частицы - возбуждённые молекулы, электроны, атомы, атомарные и молекулярные ионы, свободные радикалы (образование некоторых из таких частиц возможно только в плазме), которые обусловливают новые типы химических реакций.

газ заряженных частиц

спецификой механизмов и кинетики плазмохимических реакций, а также спецификой химических процессов в низкотемпературной плазме и плазменных струях.

все виды отходов могут быть утилизированы традиционным сжиганием в мусоросжигательных печах. Например, при обычном сжигании углеводородов, содержащих галогены, образуются высокотоксичные диоксины. Поэтому наиболее токсичные виды отходов помещаются в спецхранилища ввиду их крайней опасности и в связи с отсутствием технологий их утилизации.
Наиболее перспективной технологией утилизации токсичных веществ является плазмохимическая технология, основанная на высокотемпературном плазмохимическом воздействии и полном разложении утилизируемых продуктов с помощью дуговой плазмы с получением полезного продукта, синтез-газа, который представляет собой смесь водорода и оксида углерода и является ценным энергетическим сырьем.
Основным преимуществом плазмохимической технологии является универсальность по отношению к типу вещества и малые габариты, позволяющие создать передвижные технологические модули.

Промышленный образец установки по уничтожению опасных отходов
Мощность - 500 киловатт (0.5 МВ)
Производительность - до 1500 тонн токсичных отходов в год

гидрофобных и гидрофильных свойств тканей, шерсти, кожи и пр. Использование представляемой технологии придаёт материалам или изделиям из них водоотталкивающие или водопоглощающие свойства. Повышает адгезионные свойства материалов при окрашивании.
Плазмохимическая модификация - это эффективная защита ценных рукописей, книг, документов, исторических раритетов, коллекционных экспонатов от разрушительного действия воды, плесени, атмосферы, ультрафиолетового излучения и пр.
- Гидрофобизация или гидрофилизация поверхностей деталей и изделий из дерева, металлов, полимеров, графита.
- Изменение свойств силикатных материалов, модификация сорбентов и тонкослойных пластин для биологии.
- Модификация поверхностей оптических изделий.
- Нанесение защитных плёнок и инертных покрытий на детали и изделия из органических и неорганических материалов.
- Обработка наноматериалов, нанотрубок, фуллеренов

Плазмохимическая модификация поверхностей. Под модификацией поверхности твердого тела подразумевают изменение химического состава и структуры поверхностного слоя.
ПХ-обработка позволяет получить материалы с уникальными свойствами поверхности, обусловленными одновременным воздействием излучения плазмы и химически активных частиц при относительно низкой
температуре поверхности.

искусственного, так и естественного происхождения (полимеров, пластмасс, тканей, бумаги и др.) изменяется состав и реакционная способность их поверхностей, что приводит к изменению их свойств.

Схема устройства для обработки рулонного полотна
коронным разрядом

Обработка натуральных полимеров в плазме коронного разряда приводит к увеличению сцепления волокон между собой, а также с другими материалами. Так, после обработки в кислородной плазме сила сцепления пластин из целлюлозы друг с другом, а также с полимерными пленками возрастает в 5–7 раз

можно получать и снимать как неорганические, так и органические пленки, что
широко используется в различных отраслях промышленности, науки и техники.
Так, например, плазменные методы осаждения и травления пленок широко используются в микроэлектронике при изготовлении элементов тонкопленочных интегральных схем.

Плазменные методы обработки при производстве элементов электронной техники используют сравнительно дешевые газообразные реагенты, имеют высокую производительность и легко поддаются автоматизации

2 – плазменный источник; 3 - подложка

Газовпускной патрубок

температуры осаждения

Температура
осаждения (°С)

Входные газы

Пленка

уменьшать уровень вредных соединений в рабочей зоне цехов, а также уменьшать выбросы в атмосферу из этих же цехов и экономить энергию.
При этом экономия энергии, потраченной на нагрев воздуха, за счёт частичной рециркуляции, может доходить до 70%.

Плазмохимический метод основан на пропускании через высоковольтный разряд воздушной смеси с вредными примесями. Используют, как правило, озонаторы на основе барьерных,коронных или скользящих разрядов, либо импульсные высокочастотные разряды на электрофильтрах. Проходящий низкотемпературную плазму воздух с примесями подвергается бомбардировке электронами и ионами. В результате в газовой среде образуется атомарный кислород, озон, гидроксильные группы, возбуждённые молекулы и атомы, которые и участвуют в плазмохимических реакциях с вредными примесями.
Недостатком данного метода являются:
недостаточно полное разложение вредных веществ до воды и углекислого газа, в случае окисления органических компонентов, при приемлимых энергиях разряда
наличие остаточного озона, который необходимо разлагать термически либо каталитически
существенная зависимость от концентрации пыли при использовании озонаторов с применением барьерного разряда.

Установки по очистки воздуха от вредных газообразных примесей

различного происхождения и доочистки (подготовки) питьевой воды плазмой газового разряда заключается в одновременном воздействии на воду или водный раствор всей совокупности факторов в малом объеме разрядной камеры плазмохимического реактора. Эти факторы представляют собой различные воздействия на обрабатываемую среду в виде электромагнитного излучения (в инфракрасной, ультрафиолетовой и видимой областях спектра), ударных акустических волн, потоков заряженных частиц, а также переменного электрического и магнитного поля.

Большинство исследований процессов очистки сточных от органических соединений (чаще всего фенолов, СПАВ и углеводородов нефти) выполнено или диэлектрическом барьерном разряде (ДБР), или в тлеющем разряде атмосферного давления.
При этом также используются два подхода:
- плазмохимический реактор отделён от зоны реакции, то есть процессы разложения протекают в смесителе, в который подаются активированная газовая смесь для разложения растворённых веществ (недостаток - взаимодействие растворённых соединений только с долгоживущими активными частицами);
- обрабатываемый раствор подаётся непосредственно в плазмохимический реактор на один из электродов (с растворёнными веществами взаимодействует весь ансамбль активных частиц).

потоке

коагуляция

Технологическая схема процесса

1 – ГИН; 2 – ДФЛ ускорителя, согласующий автотрансформатор, сильноточный электронный диод; 3 – камера облучения; 4 – форсунки для распыления; 5 – электронасосы для подачи воды, 6 – резервуар исходной воды; 7 – вакуумный пост

40 имп./сек → 100Гц
Энергия электронов: 300 кэВ
Длительность импульса: 250 ns
Ток пучка: 400 А
Энергия переносимая пучком за импульс: до 15 Дж

Частота повторения импульсов: 20 ÷ 40 имп./сек
Энергия электронов: 300÷500кэВ
Длительность импульса: 20 ns
Ток пучка: 1500 А
Энергия переносимая пучком за импульс: ≤10 Дж

Низкие удельные энергозатраты
- Потенциально высокая производительность
- Высокая производительность
- Универсальность
- Химическая чистота процесса
- Масштабируемость
- Возможность управлять размером УДП
- Высокая однородность условий синтеза в реакторе

Плазмохимический синтез осуществляется с использованием низкотемпературной плазмы дугового или тлеющего разрядов. В качестве исходного сырья используются металлы, галогениды или другие соединения. За счет достаточно высокой температуры плазмы ( до 10000 К) и высоким скоростям взаимодействия обеспечивается переход практически всех исходных веществ в газообразное состояние и их последующим взаимодействием и конденсацией продуктов в виде нанопорошка с частицами правильной формы, имеющими размеры от
10 до 200 нм.

- 17,33 кПа
SiCl4 - 6,42 кПа

технологии в отличие от других известных технологий получения углеродных наноматериалов и водорода используется совмещенное воздействие металлического катализатора и плазмы СВЧ разряда на природный газ метан. За счет возбуждения молекул газа на нагретом катализаторе происходит образование непредельных углеводородов (этилен, ацетилен и т.п.), а в плазме СВЧ разряда окончательное разложение углеводородного газа на углерод и водород, и образование углеродного наноматериала в виде углеродных нанотрубок, фуллеренов, аморфного углерода.

Конкурентные преимущества
-высокая степень конверсии газа на углеродный наноматериал и водород - до 80%;
-высокое содержание в углеродном наноматериале углеродных нанотрубок ~ 70%, фуллеренов ~ 10%, остальное - аморфный углерод;
-увеличение срока работы катализатора без регенерации;
- низкие энергозатраты на 1 кг продукта - 50 кВт•час.

Область применения
Медицинская, химическая, полупроводниковая, электронная, строительная, лакокрасочная и другие промышленности.

прикладной плазмохимии. Данное направление сформировалось несколько лет назад и включает в себя работы, связанные с непосредственным воздействием низкотемпературной атмосферной плазмы на ткани организма с целью различного терапевтического (неразрушающего) воздействия. Таким воздействием может быть стерилизация ран, свёртывания крови, лечение косметологических заболеваний, восстановление разрушенных тканей, селективное разрушение раковых клеток (apoptosis) и др.
Важно отметить, что данная область охватывает в основном исследования, касающиеся неразрушающего направленно-стимулирующего действия плазмы на ткани, клетки и другие биологические объекты.

Прямое воздействие диэлектрического баръерного разряда на кожу человека

Прямое воздействие плазмы на организм означает, что живая ткань организма непосредственно участвует в процессе создания разряда, являясь вторым электродом, находящимся под плавающим потенциалом. Такую ситуацию можно реализовать, например, используя диэлектрический барьерный разряд, в котором высоковольтный электрод покрыт защитным слоем диэлектрика, а вторым электродом является обрабатываемая ткань, например кожа человека.

Типичная средняя мощность используемого разряда составляла 3-6 Вт (поверхностная плотность 0.5 - 1 Вт/см2 ), расстояние между электродами 2-3 мм при напряжении в 25 – 30 кВ. Такой маломощный разряд по всем своим параметрам абсолютно безопасен для организма человека.

давления давно используется для стерилизации медицинских изделий in vitro . Однако, при стерилизации живых тканей, можно использовать только плазму атмосферного давления, т.к. объект обработки не может быть в этом случае помещён в вакуумную камеру. Для плазмы атмосферного давления необходимо подобрать такие условия разряда, в которых погибают все болезнетворные микроорганизмы, при этом живая ткань остаётся неповреждённой. Для этих целей был использован диэлектрический барьерный разряд низкой мощности. В результате экспериментов на животных были найдены оптимальные условия, при которых за 5- 10 секунд обработки было зарегистрировано значительное уменьшение содержания живых бактерий на коже при сохранении обработанных кожных тканей неповреждёнными

Обработка кожного покрова мыши диэлектрическим барьерным разрядом

Было показано также, что обработка диэлектрическим барьерным разрядом значительно ускоряет процесс свёртывания крови. Капля крови здорового донора самостоятельно свёртывается на стальной подложке за 15 мин. Обработка поверхности капли ДБД разрядом приводит к полному свёртыванию крови через 1 минуту

технологии в медицине

Динамика лечения трофической язвы при NO терапии

Низкотемпературная плазма может инициировать, стимулировать и контролировать сложные биохимические процессы в живых системах. Низкотемпературная плазма атмосферного давления может быть использована для неразрушающей обработки живых тканей и ран с целью их стерилизации или быстрого свёртывания крови. Плазменное воздействие в определённых условиях может приводить к вылечиванию ран и регенерации тканей.

В настоящее время широко известна роль NO, выполняющего в организме человека важнейшие биологические функции: регулирования сосудистого тонуса и свёртывания крови, иммунитета и апоптоза клеток, нейронных коммуникаций и памяти, обеспечивающего антимикробную и антиопухолевую защиту и т.д. В связи с этим большой интерес, как источник экзогенного NO, представляет собой воздушная плазма, которая может быть использована для генерации значительной концентрации 36 NO в потоке атмосферного воздуха. Аппарат «Плазон», созданный для этих целей коллективом авторов из Московского Государственного Технического Университета им. Н.В. Баумана и Московской медицинской академии им. И.М. Сеченова, был широко апробирован не только на животных, но и прошёл клинические испытания по использованию в различных областях медицины.

технологии имеют следующие преимущества:
– высокие скорости процессов приводят к значительному увеличению производительности оборудования вплоть до тысяч раз;
– ПХ-процессы в большинстве случаев являются малостадийными, не требуют промежуточных обработок, соответствующих реагентов и их производств;
– ПХ-технологии менее чувствительны к составу сырья и могут работать на менее дефицитном сырье, включая отходы производств;
– с помощью ПХ-технологий можно более полно и глубоко переработать сырье, что важно для создания малоотходных и ресурсосберегающих технологий (например, для получения 1 т. ацетилена при низкотемпературном окислительном пиролизе требуется 4–5 т нефти, а по ПХ-технологии – около 2 т)