Plazma termiczna dla inżynierii materiałowej

Plazma termiczna w stanie LTE (Lokalna Równowaga Termodynamiczna) lub w stanie bliskim LTE (pod zmniejszonym ciśnieniem) jest niezwykle skutecznym medium zdolnym do łamania wiązań niepożądanych łańcuchów molekularnych. Może być ona stosowana do niszczenia odpadów gazowych i płynnych oraz do przetwarzania odpadów stałych w cenne materiały lub produkty. W artykule przedstawiono kilka procesowych reaktorów plazmowych z cylindrycznymi i rozbieżnymi kanałami wyładowczymi, które zostały zaprojektowane do testów laboratoryjnych. Łuk elektryczny jest w nich wprowadzany magnetycznie w wirowanie pomiędzy elektrodami, co skutkuje wytwarzaniem strumienia plazmy w stanie LTE. Te reaktory plazmowe zostały z powodzeniem zastosowane do termicznej destrukcji odpadów zawierających chlor. Piec, w którym plazma łukowa została wytworzona we wnętrzu tygla zasypanego odpadami w stanie skupienia stałym został opracowany do przetwarzania tych odpadów. Teoria termicznej utylizacji i przetwarzania materiałów w łuku elektrycznym została zweryfikowana eksperymentalnie poprzez zaprezentowanie kilku cennych produktów końcowych, takich jak płytki ceramiczne i porowate elementy izolacyjne. Ten sposób utylizacji odpadów ukierunkowany jest na zapewnienie zerowej emisji jakichkolwiek szkodliwych pozostałości w procesie przetwarzania. Końcowy materiał uzyskany po plazmowej utylizacji jest całkowicie bezpieczny w użytkowaniu i może powrócić do środowiska jako użyteczny produkt. Takie podejście zostało szeroko zaprezentowane w ramach projektu unijnego o akronimie WASTILE. Celem projektu było zademonstrowanie technologii utylizacji mieszaniny składającej się z odpadów niebezpiecznych – azbestu lub skażonych popiołów oraz toksycznych środków chemicznych, aby wytworzyć materiały budowlane określonego kształtu. Zostały wykonane udane testy laboratoryjne. Urządzenie demonstrujące proces technologiczny zostało zaprojektowane i zbudowane. Produkty końcowe, takie jak płytki ceramiczne lub porowate materiały izolacyjne o różnych kształtach przekazano do Dyrektoriatu Komisji Europejskiej ds. Badań Naukowych. Drugim, prezentowanym tutaj, zastosowaniem plazmy w stanie bliskim LTE jest synteza nanorurek węglowych (CNTs). CNTs wytworzone na różnych podłożach są pilnie potrzebne dla wielu zastosowań technologicznych, takich jak emitery elektronów, superkondensatory, akumulatory, ogniwa fotowoltaiczne, itp. Jednym z głównych wyzwań technicznych w celu uzyskania optymalnych właściwości produktu jest ciągłe i równomierne ułożenie CNTs na ruchomym podłożu. Zaprezentowany w niniejszym artykule układ badawczy składał się z pieca rurowego w hybrydowym układzie z generatorem plazmy wyposażonym w systemy zasilania prekursora katalitycznego oraz gazu węglonośnego. Rodniki węgla tworzące z katalizatorem mieszaninę nagrzewano do temperatury około 1000°C. Uzyskano zadawalające wyniki wstępnej segregacji węgla amorficznego przy użyciu pułapki magnetycznej w kolektorze suchym a kolejny mokry kolektor zastosowano do oczyszczenia gazów wylotowych z cząstek węgla. Wzrost CNTs jest wrażliwy na rozkład temperatury w linii CVD. Piec rurowy o długości 1 m i 50 mm średnicy wewnętrznej został podzielony na trzy części o oddzielnie kontrolowanej temperaturze. Umożliwiło to utrzymywanie w rurze kwarcowej optymalnej temperatury z zakresu od 800°C do 1200°C minimalizując efekt chłodzenia występujący na obu końcach pieca. W artykule przedstawiono również plazmową metodę syntezy CNTs przy użyciu wyłącznie generatora mikrofal bez hybrydyzacji z piecem CVD. Umożliwia ona wytwarzanie CNTs w postaci proszku lub nanoszenie warstw CNTs na podłożach takich jak kwarc, metale i izolacyjne materiały ogniotrwałe. Warstwy CNTs mogą stanowić elektrody superkondensatorów, baterii lub mieć zastosowanie jako skuteczne radiatory dla chłodzenia elementów elektronicznych. Przedstawiono uzyskane parametry procesu, w tym pomiary temperatury strumienia plazmy. Charakteryzację produktu przeprowadzono przy użyciu mikroskopu elektronowego (STM i SEM) i spektroskopii Ramana.

Czasopismo: Prace Instytutu Elektrotechniki
Dziedziny: nauki inżynieryjno-techniczne
Dyscypliny: automatyka, elektronika i elektrotechnika