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Plasma no térmico

Un plasma no térmico , plasma frío o plasma de no 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 sólo 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 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 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] Estos alimentos no están adecuadamente desinfectados o no son aptos para ser tratados 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] 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 , casi a temperatura ambiente , de otros plasmas, que operan a cientos o miles de grados por encima de la temperatura ambiente (consulte Plasma (física) § Temperatura . En el contexto de En el 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 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, se hace referencia al plasma por la tecnología específica utilizada para generarlo ("arco deslizante", " lápiz de plasma ", "aguja de plasma", "chorro de plasma", " descarga de barrera dieléctrica ", " plasma piezoeléctrico de descarga directa " , etc.), mientras que otros nombres son más generalmente descriptivos, basados ​​en las características del plasma generado (" plasma de descarga luminosa uniforme de una atmósfera ", "plasma atmosférico", "descargas no térmicas a presión ambiental", "plasmas a presión atmosférica sin equilibrio"). ", etc.). Las dos características que distinguen a NTP de otras tecnologías de plasma maduras y aplicadas industrialmente son que son 1) no térmicas y 2) operan 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 . [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 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 2.000 a 4.000 kelvin (para proteger las paredes de la erosión térmica), pero donde los electrones se calentaban a más de 10.000 kelvin. [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 están mucho más calientes que los electrones. [30] [31]

Aeroespacial

Se están estudiando soluciones aerodinámicas de control activo de flujo que utilizan plasmas tecnológicos no térmicos débilmente ionizados para vuelos subsónicos , supersónicos e hipersónicos , como actuadores de plasma en el campo de la electrohidrodinámica , y como convertidores magnetohidrodinámicos cuando también intervienen campos magnéticos. [32]

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 de un vuelo hipersónico , donde la conductividad eléctrica del aire es mayor, por lo que se pueden producir fácilmente plasmas no térmicos débilmente ionizados con un menor gasto energético. [ cita necesaria ]

Catálisis

Se puede utilizar plasma no térmico a presión atmosférica para promover reacciones químicas. Las colisiones entre electrones a alta temperatura y moléculas de gas frías pueden provocar reacciones de disociación y la posterior formación de radicales. Este tipo de descarga exhibe propiedades reactivas que generalmente se observan en sistemas de descarga de 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; abatimiento de la contaminación, tanto sólida ( PM , VOC ) como gaseosa ( SOx , NOx ); [35] Conversión de CO 2 [36] en combustibles ( metanol , gas de síntesis ) o productos químicos con valor añadido; fijación de nitrogeno ; síntesis de metanol ; síntesis de combustibles líquidos a partir de hidrocarburos más ligeros (por ejemplo, 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 en dos etapas, también llamada catálisis post-plasma (PPC) y configuración en una etapa, también llamada catálisis en plasma (IPC) o catálisis mejorada con plasma (PEC). ).

En el primer caso el reactor catalítico se sitúa después de la cámara de plasma. Esto significa que sólo las especies de vida larga pueden alcanzar la superficie del catalizador y reaccionar, mientras que los radicales, iones y especies excitadas de vida corta 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 presión atmosférica de aire seco. Esto significa que sólo una pequeña región del catalizador está en contacto con los radicales activos. En tal configuración de dos etapas, la función 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 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 empaquetado 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]

Los efectos del catalizador sobre el plasma están relacionados principalmente con la presencia de un material dieléctrico dentro de la región de descarga y no necesariamente requieren la presencia de un catalizador.

Ver también

Referencias

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