Badanie właściwości reaktora plazmwego z wyładowaniem wstecznym

Abstract

Poniższa praca dotyczy badań właściwości elektrycznych reaktora plazmowego wykorzystującego zjawisko wyładowania wstecznego w celu uzyskania większej gęstości plazmy, oraz zbadanie jego przydatności w destrukcji zanieczyszczeń w powietrzu.
Autor: Waldemar WITKOWSKI

1. WPROWADZENIE

Ostatnie lata to czas zwiększonych nakładów na badania związane z zastosowaniem reaktorów plazmowych, pracujących pod ciśnieniem atmosferycznym APPS (ang. Atmospheric Pressure Plasma Systems), wykorzystywanych przede wszystkim w procesach rozkładu ale również w syntezie chemicznej. Potrzeba rozwoju systemów destrukcji szkodliwych gazów odlotowych, wynika ze zmian w międzynarodowych normach, dotyczących między innymi emisji gazów cieplarnianych, przemysłowych gazów odlotowych, spalin (normy europejskie EURO3, EURO4, EURO5), szkodliwych oparów alkoholi oraz gazów organicznych VOC’s (ang. Volatile Organic Compouds). Szczególne zainteresowania i nadzieje wiąże się z możliwością rozkładu takich związków jak SOx, NOx, oraz CxHy. Obecnie prowadzone badania mają na celu zoptymalizowanie systemów oczyszczania oraz poszukiwanie możliwie efektywnych i tanich rozwiązań, które można byłoby skomercjalizować i zastosować w procesach technologicznych. Jedną z prężnie rozwijających się dziedzin są metody wykorzystujące plazmę niskotemperaturową. Plazma niskotemperaturowa jest coraz częściej stosowana min. w biomedycynie, mikroelektronice, chemii jako źródło nowych rozwiązań lub też jako modyfikacja istniejących. Plazma obok cieczy, gazów i ciał stałych stanowi czwarty stan materii występujący jako silnie zjonizowany quasi neutralny gaz jonów dodatnich i ujemnych. Badania plazmy rozpoczęto we wczesnych latach dwudziestych XX wieku. Prekursorem w dziedzinie badań plazmy był Langmuir, który po raz pierwszy przeprowadzając badania wyładowań elektrycznych w gazach, użył w roku 1929 terminu „plazma” określając w ten sposób zjonizowany gaz [1]. Poznanie fizyki plazmy na przestrzeni lat pozwoliło zdefiniować podstawowe parametry fizyczne, opisujące jej właściwości. Jednym z podstawowych i zarazem najważniejszych parametrów jest temperatura plazmy Tg. Właśnie ze względu na ten parametr oraz techniki generacji dokonano podziału plazmy na plazmę termiczną (ang. thermal plasma), której temperatura zawiera się w przedziale 106–108K a energia elektronów jest rzędu 102–104 eV oraz plazmę niskotemperaturową (ang. cold plasma) nazywaną również plazmą niezrównoważoną (ang. non equilibrium plasma), której temperatura zawiera się w przedziale 104-105 K a energia elektronów 1-10eV [1].

1. TECHNIKI WYTWARZANIA PLAZMY NISKOTEMPERATUROWEJ

Znanych jest kilka technik wytwarzania plazmy niskotemperaturowej. Do podstawowych należą: wyładowania w gazach - zjawiska wyładowań niezupełnych oraz akceleratory elektronowe [2,3]. Najbardziej znanymi rozwiązaniami są układy reaktorów z barierą dielektryczną, złożem upakowanym (wypełnionym najczęściej tytanianem baru BaTiO3), oraz reaktory koronowe. Poniższa praca dotyczy badań właściwości elektrycznych szczególnego rodzaju reaktora koronowego, pracującego pod ciśnieniem atmosferycznym. Specyfika układu wyładowczego polega na zastosowaniu pokrycia elektrody biernej warstwą perforowanego dielektryka w celu uzyskania efektu wyładowania wstecznego (ang. back corona discharge).

1.1 WYŁADOWANIE NIEZUPEŁNE JAKO PODSTAWA FUNKCJONOWANIA UKŁADU WYŁADOWCZEGO

REAKTORA Jedną z form elektrycznego wyładowania w gazach jest wyładowanie ulotowe, nazywane również wyładowaniem koronowym ze względu na swój charakterystyczny wygląd, przypominający koronę otaczającą powierzchnię słońca. Ulot elektryczny rozprzestrzenia się na taką odległość, na granicy której panuje natężenie pola elektrycznego, umożliwiające jonizację gazu. Obszar ten nazywany jest warstwą ulotu. W warstwie tej zachodzi wyładowanie samodzielne, przebiegają procesy powstawania i wybijania elektronów i jonów gazu, a także wzajemna neutralizacja nośników elektryczności – rekombinacja. Zewnętrzną optyczną cechą wyładowania jest charakterystyczne niebieskie świecenie warstwy ulotu. Oprócz tego występują również charakterystyczne szumy akustyczne, których pochodzenie można wytłumaczyć procesami zachodzącymi w warstwie ulotu. Z obszaru jonizacji samodzielnej jony poruszają się w kierunku przeciwległej elektrody, powodując przepływ prądu. Klasycznym układem, w którym uzyskujemy wyładowania niezupełne, jest układ izolacyjny powietrzny, w którym jedną z elektrod jest pręt o pewnym zaokrągleniu (elektroda ostrzowa), a drugą płyta prostopadła do osi pręta. O przebiegu wyładowania w takim układzie decyduje obszar największych natężeń pola przy powierzchni zaokrąglonego końca elektrody ulotowej i kierunek przepływu ładunków w tym obszarze, a wiec tym samym biegunowość elektrody ostrzowej. Osobno należy zatem rozpatrywać wyładowanie ulotowe przy elektrodzie ostrzowej dla polaryzacji dodatniej i ujemnej [6]. Przeprowadzane przez F. W. Peeka badania procesu wyładowania elektrycznego w gazach pozwoliły stwierdzić różnice w zewnętrznej budowie widzialnej warstwy ulotu w zależności od polaryzacji elektrody ulotowej. Polaryzacja dodatnia elektrody ostrzowej powoduje, że ulot charakteryzuje się równomiernością świecenia warstwy, podczas gdy dla polaryzacji ujemnej świecąca warstwa ulotu pulsuje wzdłuż przewodu (ostrza) jako oddzielne świecące intensywne punkty na całym tle warstwy [4]. Wyładowania niezupełne, których jedną z form jest ulot elektryczny, są nieporządnymi zjawiskami w technikach wysokonapięciowych, sieciach przesyłowych oraz urządzeniach elektroenergetycznych. Jednakże ten sam ulot ma ogromne znaczenie w procesach technologicznych jako źródło plazmy coraz częściej i szerzej wykorzystywanej w aplikacjach przemysłowych. Z możliwością wykorzystania plazmy szczególnie niskotemperaturowej wiąże się w ostatnich latach coraz większe nadzieje, świadczy o tym lawinowo narastająca liczba artykułów poświęconych temu zagadnieniu.

1.2. WYŁADOWANIE WSTECZNE JAKO SZCZEGóLNY TYP WYŁADOWANIA NIEZUPEŁNEGO

Wyładowanie wsteczne jest szczególnym typem wyładowania niezupełnego. Występuje tylko wówczas, gdy elektroda bierna pokryta jest warstwą perforowanego dielektryka wykazującego występowanie mikroszczelin w swej strukturze. Podstawowym kryterium występowania jonizacji wstecznej jest rezystywność pokrycia dielektrycznego, która musi być większa niż 5x108m [5]. Natężenie pola elektrycznego, przy którym dochodzi do przebicia powietrza w szczelinie dielektryka, opisuje równanie [5]:

gdzie Ed (kV/m) jest wartością natężenia pola elektrycznego wywołującego prąd koronujący, id jest gęstością prądu koronowego (A/m2), d (m) jest rezystywnością dielektryka pokrywającego elektrodę bierną, Edb(kV/m) jest natężeniem pola elektrycznego powodującego przebicie szczelin dielektryka. Zjawisko wyładowania wstecznego znane jest również w elektrofiltrach jako zjawisko niekorzystne, obniżające ich sprawność poprzez obniżenie natężenia pola elektrycznego w przestrzeni międzyelektrodowej i reemisję szkodliwych pyłów do atmosfery.

Wykorzystanie mechanizmu wyładowania wstecznego w układzie reaktora, ma na celu uzyskanie większej gęstości jonów oraz zwiększenia prawdopodobieństwa występowania wysokoenergetycznych elektronów. Elektrony te w wyniku zderzeń z molekułami gazu, powodują powstawanie wolnych rodników, wykazujących dużą aktywność chemiczną i umożliwiają przeprowadzenie reakcji chemicznych w gazie, którego temperatura zbliżona jest do temperatury pokojowej.