Zuivere lucht dankzij plasma's?

Zuivere lucht dankzij plasma’s?
Situering

De steeds strenger wordende wetgeving en het groeiend duurzaamheidsbesef stimuleren de zoektocht naar steeds efficiëntere en schonere technologieën. Duurzaamheid houdt eveneens een vermindering in van de emissies van reeds bestaande pollutiebronnen. Per dag eet de “standaardmens” ongeveer 1 kg voedsel, drinkt hij circa 3 kg water en ademt hij 17 kg lucht in. De luchtkwaliteit is dus van cruciaal belang voor de gezondheid van de mens. Vooral de Vluchtige Organische Stoffen (VOS) zijn hierbij van belang. De VOS geven ondermeer aanleiding tot geurhinder, acute of chronische toxiciteit, troposferische ozonvorming, stratosferische ozonafbraak en het broeikaseffect. Prognoses tonen aan dat met de huidige middelen de doelstellingen voor de luchtkwaliteit voor 2010 niet worden gehaald zonder een overmatig grondstoffenverbruik of een hoge kostprijs. Plasmatechnologieën worden voorgesteld als alternatief.

Concept

Een plasma (dikwijls “vierde aggregatietoestand” genoemd) is een deels geïoniseerd gas bestaande uit ongeveer gelijke concentraties positieve en negatieve ladingen. Gewoonlijk wordt een plasma gegenereerd door het instralen van een elektronenbundel of door een ontlading tussen elektroden. De vrije ladingsdragers zullen, onder invloed van het elektrisch veld, versneld worden en botsen met de aanwezige gasmoleculen. Bij die botsingen worden nieuwe geladen deeltjes gevormd. Op die manier ontstaat er een lawine van geladen deeltjes die uiteindelijk in evenwicht wordt gebracht met de optredende ladingsverliezen, waardoor een stabiel plasma ontstaat. Excitaties en het daarop volgend stralingsverval geven aanleiding tot het karakteristieke licht, ionisaties staan in voor de vorming van nieuwe ionen en elektronen.

Een niet-thermisch plasma wordt gekenmerkt door energetische elektronen in een anderzijds koud draaggas, zodat geen energie verloren gaat in de opwarming van het achtergrondgas. Ten gevolge van het aangelegde spanningsverschil tussen de elektroden ondergaan de geladen deeltjes een beweging in het elektrisch veld. De lichtere elektronen bereiken een hogere snelheid – en dus energie – dan de zwaardere ionen, terwijl de neutrale gasmoleculen geen directe invloed ondervinden van het veld.

Er bestaan reeds verschillende reactordesigns om een niet-thermisch plasma bij atmosfeerdruk te stabiliseren. Deze reactor bestaat uit 100 pinnen en een plaat met 100 kuiltjes, waartussen gelijkspanning wordt aangelegd. Een snelle gasstroom tussen de elektroden zorgt voor het afvoeren van thermische instabiliteiten.

multi-pin-plaat-reactor

Wanneer de pinnen negatief worden geladen en de plaat positief krijgt men een glimontlading (elektronen bewegen van pin naar plaat). Bij het omdraaien van de polariteit bekomt men een sproeiontlading (elektronen bewegen van plaat naar pin). De veldsterkte is het grootst rond de scherpe pin. Bij de sproeiontlading zullen de negatieve elektronen die het gas ioniseren ogenblikkelijk door deze positieve pin worden opgenomen. De drift van mobiele elektronen laat positieve ladingen achter die op hun beurt elektronen van secundaire lawines aantrekken, die op hun beurt positieve ladingen nalaten, enzovoort. Het resultaat is een plasmakanaaltje (streamer) dat naar de plaat toegroeit, waar de veldsterkte laag is. Bij de glimontlading zal de negatieve pin omringd worden door een dunne laag van positieve ionen. Een elektron komende van de pin zal slechts een kleine afstand afleggen in dit sterke veld en een grotere in het zwakkere veld van de ontladingsruimte.

sproeiontlading

glimontlading

Beide ontladingen vullen de reactor nagenoeg volledig met plasma. Omdat de duur van de plasmakanaaltjes (streamers) in de sproeiontlading veel kleiner is dan de resolutie van het menselijk oog worden de afzonderlijke kanaaltjes niet expliciet vastgesteld.

glimontlading

De verschillen in plasmafysica en energieverbruik voor beide ontladingstypes werden bestudeerd. Ook werd een tipje van de sluier opgelicht van de complexe plasmachemie, ondermeer wat betreft het verschil in ozonproductie in beide ontladingen. Tot slot werd afvallucht door de reactor gestuurd om zo vervuilende componenten af te breken. Trichloorethyleen (TCE) werd onderzocht als representatief species. TCE wordt gebruikt als oplosmiddel om olie te verwijderen van silicium in de halfgeleiderindustrie, als ontvetter in de metaalindustrie en in de textielindustrie bij droogkuis. TCE heeft nefaste gevolgen voor mens en milieu en is waarschijnlijk ook kankerverwekkend. Gechloreerde organische verbindingen, zoals TCE, zijn moeilijk te behandelen, o.a. omdat ze bij verbranding aanleiding geven tot dioxines.

De afhankelijkheid van stroomsterkte, temperatuur, verblijftijd, vochtgehalte en instroomconcentratie werd onderzocht. Via modellering werd getracht de optredende processen te verklaren.

De glimontlading kan de TCE-concentratie in minder dan een tiende van een seconde met de helft verminderen, terwijl de sproeiontlading vooral ozon blijkt te produceren i.p.v. TCE te consumeren. Een ander constructiemateriaal was dan ook noodzakelijk daar corrosieverschijnselen optraden bij de sproeiontlading. Koper werd vervangen door roestvrij staal. Maar ook hier zorgden het elektronen- en ionenbombardement voor het eroderen van de pintoppen en de daarmee gepaard gaande plasma-instabiliteit. Een optimalisatie van de reactorkamer voor de sproeiontlading lijkt dan ook aangewezen. De sproeiontlading heeft waarschijnlijk een groter potentieel indien de productie van ozon kan worden omgezet in destructie van TCE, mogelijks door toevoegen van een geschikte katalysator, in of na de reactor.

Evaluatie

Plasmatechnieken worden vooral interessant beschouwd voor het behandelen van lage polluentenconcentraties. Andere voordelen, naast de hoge efficiëntie bij lage concentraties, zijn de mogelijkheid om te werken bij omgevingstemperatuur en druk, geen gevoeligheid voor toxische stoffen, geen regeneratiebehoefte, een zeer kleine drukval, een laag gewicht en compacte modulaire systemen die makkelijk naast of achter elkaar kunnen geplaatst worden. Het gebruik van plasma’s in verschillende takken van de milieutechnologie staat op het punt om commercieel door te breken. Naast afvalluchtbehandeling (zowel industriële emissies als uitlaatgassen van auto’s) en klassieke toepassingsgebieden (verlichting, micro-elektronica, materiaalbehandeling) worden plasma’s ook ingezet bij afvalwaterbehandeling, sterilisatie, afvalbehandeling, waterstofproductie, enzovoort. In de nabije toekomst zal ook de biomedische wereld (microchirurgie) gebruik maken van plasmabronnen die zich voorlopig nog in een pril onderzoeksstadium bevinden. Verder weg situeren zich fascinerende toepassingen zoals plasmapropulsiemotoren voor interplanetaire missies en plasmaspiegels voor elektromagnetische golven in de atmosfeer. Tenslotte zullen de recent ontdekte plasma-aërodynamische effecten ongetwijfeld een impact hebben op de huidige vliegtuigtechnologie.