ПЛАЗМОХИМИЯ
Национальный
исследовательский Томский политехнический университет
Институт физики высоких технологий
Н.с. Лаб.№1 Сазонов Роман Владимирович
Плазмохимия область химии, в которой изучаются химические процессы в низкотемпературной плазме, 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. 2
Что такое плазма?
Плазма = квазинейтральный газ заряженных частиц
плавление испарение ионизация
кристалл жидкость |
газ |
плазма |
термояд. |
|
|
|
плазма |
1 эВ |
1 эВ |
10 эВ |
10 кэВ |
Энергия фазового перехода
4
|
Плазмохимия |
Равновесная |
Неравновесная |
Характеризуется
-Максвелл-больцмановским распределением частиц по энергиям;
-Единой для всех частиц температурой.
Равновесные плазмохимические процессы реализуют при температурах 3000-10000 К и давлениях порядка атмосферного (или выше).
Характерные времена протекания химических реакции при таких температурах становятся одного порядка с характерными временами процессов тепло - и массопереноса.
Механизмы реакций претерпевают значительные изменения; в частности, могут играть существенную роль реакции с участием стенок реактора.
Плазму в этом случае рассматривают лишь как эффективный энергоноситель.
Характеризуется
- Распределением частиц по скоростям и внутренним состояниям отличающимся в общем случае, от распределений Максвелла-Больцмана; -Описывается несколькими температурами для частиц разной массы или для разных типов их движения.
В данной ситуации условно используют набор равновесных распределений Больцмана с разной температурой для разных частиц и состояний. Внутренние состояния частиц разделяют на вращательные, колебательные, электронные, заселенности которых описываются равновесными распределениями Больцмана с температурами Tr, Tv, Te,
соответственно. Если распределения электронов по скоростям является максвелловским с температурой Te, а распределение атомов и молекул по скоростям (поступательная степень
свободы) тоже максвелловское с температурой Тg (газовой температурой), то в общем случае
для неравновесной плазмы:
Tg ≠ Tr ≠ Tv ≠ Te
Обычно такая ситуация наблюдается в плазме при пониженных давлениях (менее 100 Top). Часто бывает, что Tg ≈ Tr < Tv < Te, причем, если Tg и Tr близки к комнатной температуре
(300К), то температура электронов соответствует средней энергии в несколько электронвольт (1эВ=11600К). Неравновесность является следствием термодинамической “открытости” системы. Плазмохимические процессы, проводимые в таких условиях, определяются, как неравновесные процессы.
В этих условиях резко возрастает скорость химических превращений по сравнению с традиционными технологиями.
Высокая удельная энергия плазмы позволяет перерабатывать широкодоступное малоценное или неустойчивое по составу сырье, невыгодное при традиционных технологиях.
Высокие скорости плазмохимических процессов (их времена от 0,1 до 10 мс) позволяют существенно миниатюризировать оборудование.
Как правило, такие процессы легко управляются и оптимизируются.
Пути передачи энергии в плазмохимических процессах
Ee
1.Ионизация E > 30 эВ
2.Возбуждение электронной подсистемы 10 эВ < E <
30 эВ
3.Возбуждение колебательных движений
атомов в молекуле 0.1 эВ < E < 10 эВ
4. Возбуждение вращения молекулы 0.01 эВ < E < 0.1
эВ
6
Плазмохимическая технология - новая область промышленной химической технологии. Её особенности определяются спецификой механизмов и кинетики плазмохимических реакций, а также спецификой химических процессов в низкотемпературной плазме и плазменных струях.
Плазмохимическая технология уничтожения опасных отходов
Промышленный образец установки по уничтожению опасных отходов
Мощность - 500 киловатт (0.5 МВ) Мобильная установка плазменной утилизации токсичных отходов Производительность - до 1500 тонн токсичных отходов в год
Далеко не 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.
Плазмохимическая технология по модификации поверхности
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.
Технология может быть использована по следующим направлениям:
-Изменение 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 технология по обработка органических материалов
При обработке плазмой органических материалов как 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