Modeling of dielectric barrier discharge (DBD) plasma reactor for soil remediation
Authors: Μπαλή Κωνσταντίνα 
Published: September 2021

Οι περιοχές ρύπανσης αυξάνονται διαρκώς εξαιτίας των επεκτεινόμενων βιομηχανικών ζωνών, έχοντας σημαντικό αντίκτυπο στην ανθρώπινη υγεία. Πρόσφατες έρευνες για την αποκατάσταση των εδαφών αυτών έδειξαν ενθαρρυντικά αποτελέσματα για την αντιμετώπιση της ρύπανσης, μέσω της τεχνολογίας πλάσματος. Συγκεκριμένα, η χρήση αντιδραστήρα διηλεκτρικού φράγματος οδηγεί στη δημιουργία πολύ ενεργών οξειδωτικών μέσων, τα οποία επιτίθενται άμεσα στο ρύπο. Στην παρούσα διατριβή, η μοντελοποίηση της παραγωγής πλάσματος, των οξειδωτικών μέσων, καθώς και των διεργασιών που συντελούνται για την απορρύπανση και εν τέλει την αποκατάσταση του εδάφους, είναι στο επίκεντρο της μελέτης. Η μελέτη αυτή επεκτείνεται σε ένα σημαντικό χρονικό εύρος διεργασίας, από την κλίμακα νανοδευτερολέπτων έως την κλίμακα λεπτών, ερευνώντας τόσο τις διεργασίες πλάσματος που λαμβάνουν χώρα σε μικρούς χαρακτηριστικούς χρόνους, όσο τις αντιδράσεις απορρύπανσης και τα φαινόμενα μεταφοράς που συμβαίνουν σε κλίμακα λεπτών. Αρχικά αναπτύχθηκαν μοντέλα μελέτης των ηλεκτρικών εκκενώσεων του αντιδραστήρα διηλεκτρικού φράγματος σε συνθήκες ατμοσφαιρικής πίεσης (για την παραγωγή ψυχρού πλάσματος) σε μια κύρια διάσταση. Εξετάστηκαν σημαντικές παράμετροι της διεργασίας, όπως η συσχέτιση των διαφορετικών διηλεκτρικών μέσων, το πάχος αυτών, οι αποστάσεις μεταξύ τους, καθώς και η εφαρμοζόμενη υψηλή τάση για την παραγωγή πλάσματος. Οι περιπτώσεις αυτές μελετήθηκαν με εξειδικευμένα αριθμητικά μοντέλα. Δημιουργήθηκε ένα καινοτόμο μοντέλο ιεραρχικής προσέγγισης για να μελετήσει και να συνδέσει τα φαινόμενα μεταφοράς θερμότητας σε επίπεδο πλάσματος με το μακροσκοπικό επίπεδο. Η δημιουργία ενεργών μέσων από τις αντιδράσεις πλάσματος μοντελοποιήθηκε στη μικρο-χρονοκλίμακα (μs), ενώ οι μηχανισμοί συναγωγής και μεταφοράς θερμότητας στη μακρο-χρονοκλίμακα (min). Η θεωρία συνεχούς μέσου χρησιμοποιήθηκε για την εκτίμηση χρονικά μεταβαλλόμενων ιδιοτήτων μεταφοράς μέσα στο πορώδες έδαφος. Εν τέλει, δημιουργήθηκε ένα προγνωστικό μοντέλο, χρονικά εξελισσόμενο, για τη διεργασία της απορρύπανσης. Το μοντέλο αυτό συγκρίθηκε με αντίστοιχα πειραματικά δεδομένα. Aναπτύχθηκε, επίσης, ένα ιεραρχικό μοντέλο για χαμηλές θερμοκρασίες παραγωγής πλάσματος, λαμβάνοντας υπόψη μόνο τους σημαντικούς μηχανισμούς απορρύπανσης με χαρακτηριστικούς χρόνους από την νανο- έως τη μακρο-χρονοκλίμακα. Χρησιμοποιώντας κατάλληλες τεχνικές, οι διεργασίες σε επίπεδο ψυχρού πλάσματος συνδέθηκαν με αυτές στη μακρο-κλίμακα μέσω των τοπικών συγκεντρώσεων των χημικών στοιχείων. Μια σύνθετη αλληλουχία, αποτελούμενη από 100 αντιδράσεις, δημιουργήθηκε για τον προσομοιωτή του πλάσματος, με σκοπό την εκτίμηση των συγκεντρώσεων των πολύ ενεργών οξειδωτικών μέσων, υπό τις νέες συνθήκες λειτουργίας του αντιδραστήρα. Αυτές οι συγκεντρώσεις των χημικών στοιχείων χρησιμοποιήθηκαν στη συνέχεια σαν πηγές σωματιδίων για το μακροσκοπικό πρόβλημα. Επιπλέον, χρησιμοποιήθηκε ένας ισοδύναμος συντελεστής ευκινησίας (mobility) για να περιγράψει την κίνηση των φορτισμένων σωματιδίων μέσα στο πορώδες έδαφος κατά τη διάρκεια της διεργασίας πλάσματος. Μελετήθηκε ένα ευρύ φάσμα ειδικών παροχών αερίου για τον αντιδραστήρα, καταδεικνύοντας τη σημαντική επίδραση της ροής στο πρόβλημα της απορρύπανσης. Επιπλέον, μελετήθηκε η επίδραση του πορώδους του εδάφους και της διαπερατότητας αυτού στην απορρύπανση. Τέλος, μελετώνται περιπτώσεις βελτίωσης των συνθηκών λειτουργίας του αντιδραστήρα και προτείνονται τρόποι που θα ενίσχυαν το ρυθμό απορρύπανσης.