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plasma no térmico

Un plasma no térmico , plasma frío o plasma en desequilibrio es un plasma que no se encuentra en equilibrio termodinámico , ya que la temperatura de los electrones es mucho mayo...

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Un plasma no térmico , plasma frío o plasma en desequilibrio es un plasma que no se encuentra en equilibrio termodinámico , ya que la temperatura de los electrones es mucho mayor que la de las especies pesadas (iones y neutros). Dado que solo los electrones se termalizan, 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 es no 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 incluso se puede tocar la bombilla con las manos mientras está en funcionamiento.   

Aplicaciones

Industria alimentaria

En el contexto del procesamiento de alimentos , el plasma no térmico ( NTP ) o plasma frío es un tratamiento antimicrobiano específico 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 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, [ 3 ] como la reducción de olores en la producción de carne de cerdo, [ 4 ] se están investigando activamente nuevas aplicaciones como la inactivación de enzimas, la oxidación de biomoléculas , la modificación de proteínas, la activación de profármacos y la disipación de pesticidas . [ 5 ] [ 6 ] [ 7 ] [ 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 ] Los plasmas no térmicos también se utilizan para tratar semillas con el fin de mejorar la tasa de germinación y el rendimiento para la agricultura en ambiente controlado . [ 14 ]

El término plasma frío se ha utilizado recientemente como un descriptor conveniente para distinguir las descargas de plasma de una atmósfera , cercanas a la temperatura ambiente , de otros plasmas que operan a cientos o miles de grados por encima de la temperatura ambiente (véase Plasma (física) §  Temperatura ). En el contexto del procesamiento de alimentos, el término "frío" puede generar imágenes engañosas sobre 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 de forma general a gases débilmente ionizados ( grado de ionización < 0,01%).

Nomenclatura

La nomenclatura para el plasma no térmico que se encuentra en la literatura científica es variada. En algunos casos, el plasma se denomina según 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 a una atmósfera ", "plasma atmosférico", "descargas no térmicas a presión ambiente", "plasmas a presión atmosférica en desequilibrio", etc.). Las dos características que distinguen al plasma no térmico de otras tecnologías de plasma maduras y aplicadas industrialmente son que 1) no es térmico y 2) opera a presión atmosférica o cerca de ella.

Tecnologías

Medicamento

Un campo emergente añade las capacidades del plasma no térmico a la odontología y la medicina . El plasma frío se utiliza para tratar heridas crónicas . [ 27 ]

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 las décadas de 1960 y 1970 con generadores MHD pulsados ​​conocidos como tubos de choque , utilizando plasmas en desequilibrio 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 calentaban a más de 10 000 kelvins. [ 28 ] [ 29 ] [ 30 ] [ 31 ]

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. [ 32 ] [ 33 ]

Aeroespacial

Se están estudiando soluciones de control de flujo activo aerodinámico que involucran plasmas no térmicos débilmente ionizados para vuelo subsónico , supersónico e hipersónico , como actuadores de plasma en el campo de la electrohidrodinámica y como convertidores magnetohidrodinámicos cuando también intervienen campos magnéticos. [ 34 ]

Los estudios realizados en túneles de viento suelen implicar una baja presión atmosférica, similar a la de una altitud de 20 a 50  km, típica del vuelo hipersónico , donde la conductividad eléctrica del aire es mayor, por lo que se pueden producir fácilmente plasmas débilmente ionizados no térmicos con un menor gasto energético.

Catálisis

El plasma no térmico a presión atmosférica puede utilizarse para promover reacciones químicas. Las colisiones entre electrones de alta temperatura y moléculas de gas frías pueden provocar reacciones de disociación y la posterior formación de radicales. Este tipo de descarga presenta propiedades reactivas que suelen observarse en sistemas de descarga de alta temperatura. [ 35 ] El plasma no térmico también se utiliza junto con un catalizador para potenciar aún más la conversión química de los reactivos o para modificar la composición química de los productos.

Entre los diferentes campos de aplicación, se encuentran la producción de ozono [ 36 ] a nivel comercial; la reducción de la contaminación, tanto sólida ( PM , COV ) como gaseosa ( SOx , NOx ); [ 37 ] la conversión de CO2 [ 38 ] en combustibles ( metanol , gas de síntesis ) o productos químicos de valor añadido; la fijación de nitrógeno ; la síntesis de metanol ; la síntesis de combustibles líquidos a partir de hidrocarburos más ligeros (por ejemplo, metano ); [ 39 ] la producción de hidrógeno mediante el reformado de hidrocarburos [ 40 ].

Configuraciones

El acoplamiento entre los dos mecanismos diferentes se puede realizar de dos maneras distintas: configuración de dos etapas, también llamada catálisis post-plasma (PPC), y configuración de una etapa, también llamada catálisis intraplasma (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 duración pueden alcanzar la superficie del catalizador y reaccionar, mientras que los radicales, iones y especies excitadas de corta duración se descomponen en la primera parte del reactor. Por ejemplo, el átomo de oxígeno en estado fundamental O(3P) tiene una vida media de aproximadamente 14 μs [ 41 ] 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 como esta, la función principal del plasma es modificar la composición del gas alimentado al reactor catalítico. [ 42 ] En un sistema PEC, los efectos sinérgicos son mayores, ya que las especies excitadas de corta duración se forman cerca de la superficie del catalizador. [ 43 ] La forma en que se inserta el catalizador en el reactor PEC influye en el rendimiento general. Puede colocarse dentro del reactor de diferentes maneras: en forma de polvo ( lecho compacto ), depositado sobre espumas, depositado sobre material estructurado (panal de abeja) y recubriendo las paredes del reactor.

Los reactores plasma-catalíticos de lecho empacado se utilizan comúnmente para estudios fundamentales [ 35 ] y una ampliación a aplicaciones industriales es difícil ya que la caída de presión aumenta con el caudal.

Interacciones de catálisis plasmática

En un sistema PEC, la posición del catalizador con respecto al plasma puede afectar el proceso de diversas maneras. El catalizador puede influir positivamente en el plasma y viceversa, lo que resulta en un resultado que no se puede obtener utilizando cada proceso individualmente. La sinergia que se establece se atribuye a diferentes efectos cruzados. [ 44 ] [ 45 ] [ 40 ] [ 46 ] [ 47 ]

  • Efectos del plasma sobre el catalizador:
    • Cambio en las propiedades fisicoquímicas . El plasma modifica el equilibrio de adsorción/desorción en la superficie del catalizador, lo que conduce a una mayor capacidad de adsorción. La interpretación de este fenómeno aún no está clara. [ 48 ]
    • Mayor área superficial del catalizador . Un catalizador expuesto a una descarga puede dar lugar a la formación de nanopartículas . [ 49 ] 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 así la actividad catalítica.
    • Reducción de la formación de coque . Al trabajar con hidrocarburos, la formación de coque provoca una desactivación progresiva del catalizador. [ 50 ] La reducción de la formación de coque en presencia de plasma disminuye la tasa de envenenamiento/desactivación y, por lo tanto, prolonga la vida útil del catalizador.
    • Presencia de nuevas especies en fase gaseosa . En una descarga de plasma se produce una amplia gama de nuevas especies que exponen el catalizador a ellas. Los iones y las especies vibracional y rotacionalmente excitadas no afectan al catalizador, ya que pierden carga y la energía adicional que poseen al alcanzar una superficie sólida. Los radicales, en cambio, presentan altos coeficientes de adhesión para la quimisorción, lo que incrementa la actividad catalítica.
  • Efectos de los catalizadores sobre el plasma:
    • Intensificación del campo eléctrico local . Este aspecto se relaciona principalmente con la configuración de un reactor fotoelectroquímico (PEC) de lecho fijo. La presencia de un material de relleno dentro de un campo eléctrico genera intensificaciones del campo local debido a la presencia de asperezas, inhomogeneidades en la superficie del material sólido, poros y otros aspectos físicos. Este fenómeno se relaciona con la acumulación de carga superficial en la superficie del material de relleno y se presenta incluso cuando se utiliza un lecho fijo sin catalizador. Si bien se trata de un aspecto físico, también afecta a la química, ya que altera la distribución de energía electrónica en las proximidades de las asperezas.
    • Formación de descargas dentro de los poros . Este aspecto está estrechamente relacionado con el anterior. Los pequeños espacios vacíos dentro de un material de empaque afectan la intensidad del campo eléctrico. El aumento también puede conducir a un cambio en las características de la descarga, que pueden ser diferentes de la condición de descarga de la región del volumen (es decir, lejos del material sólido). [ 51 ] La alta intensidad del campo eléctrico también puede conducir a la producción de diferentes especies que no se observan en el volumen.
    • Cambio en el tipo de descarga . La inserción de un material dieléctrico en una región de descarga produce un cambio en el tipo de descarga. De un régimen filamentario se establece una descarga mixta filamentaria/superficial. Si existe un régimen de descarga superficial, se forman iones, especies excitadas y radicales en una región más amplia. [ 52 ]

Los efectos catalíticos sobre 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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