|
Laboratorium chemii plazmy i ozonu w katedrze technologii chemicznej Politechniki Lubelskiej
Laboratorium chemii i technologii plazmy i ozonu powstało w roku 1976, częściowo w wyniku pozyskania części wyposażenia pochodzącego z laboratorium chemii plazmy w Politechnice Śląskiej w Gliwicach. Obecnie stanowi jedno z najważniejszych w Polsce laboratoriów prowadzących prace nad procesami chemicznymi realizowanymi w niskotemperaturowej plazmie, w tym w znacznej mierze w plazmie nierównowagowej.
Plazma stanowi specyficzny stan materii, charakteryzujący się obecnością jonów i elektronów, a także wolnych rodników. Składniki te posiadając wysoką energię inicjują procesy chemiczne. Istnieje kilka sposobów generowania plazmy, najczęściej stosuje się w tym celu wyładowanie elektryczne, powstające pod wpływem nałożenia wysokiego napięcia na obszar, przez który przepływa gaz.
Każdy układ, umożliwiający generowanie plazmy w tym wszystkie funkcjonujące w naszym laboratorium, składa się z kilku oddzielnych podsystemów. Każdy z nich stanowi oddzielną całość, dostosowaną do potrzeb danej serii eksperymentów. Są to:
- podsystem zasilania energią elektryczną,
- podsystem przygotowania gazu nośnego i surowców,
- podsystem obejmujący wytwarzanie plazmy i reaktor chemiczny
- podsystem umożliwiający scharakteryzowanie plazmy (diagnostykę),
- podsystem umożliwiający analizę chemiczną produktów.
Opisywane laboratorium dysponuje możliwością wytwarzania dwóch grup plazm, stosowanych dla realizacji procesów chemicznych. Są to:
- plazmy niskotemperaturowe - wytwarzane przy użyciu łuku elektrycznego i charakteryzujące się dość wysoką temperaturą jonów i atomów (rzędu 10 do 20 kilokelwinów),
- plazmy nieizotermiczne - wytwarzane w temperaturze bliskiej otoczenia i pod ciśnieniem atmosferycznym.
Pierwszy z wymienionych rodzaj plazm uzyskiwany jest dzięki posiadaniu układu, umożliwiającego zapalanie łuku pomocniczego, a następnie automatycznie głównego o mocy do ok. 100 kilowatów. Układ posiada zbiór urządzeń, pozwalających na regulację niektórych charakterystyk łuku prądu stałego. W wyposażeniu laboratorium znajdują się trzy reaktory (własnej konstrukcji), z których dwa przeznaczone są do realizowania procesów w układach homogenicznych, a jeden w układzie heterogenicznym. Pewną elastyczność pracy zapewniają różne układy schładzania produktów reakcji (tzw. procesu zamrażania), nadawania łukowi ruchu obrotowego. Opanowano również sposób wytwarzania zespołów katodowych umożliwiających pracę zarówno z gazami utleniającymi, w tym z powietrzem i z mieszaninami azotowo tlenowymi, jak i z gazami obojętnymi (szlachetnymi) lub nieutleniającymi (jak czysty azot).
Zrealizowane w układach homogenicznych badania objęły głównie zagadnienie syntezy tlenków azotu dla potrzeb przemysłu chemicznego , przy czym zdołano uzyskać najwyższe z opublikowanych w literaturze światowej stężenia, które do chwili zakończenia prac przekraczały 8%. Reaktor przeznaczony do realizacji procesów heterogenicznych wykorzystany był do badań nad możliwością zastosowania plazmy w technologiach ochrony środowiska, w tym w celu radykalnej redukcji reaktywności niektórych rodzajów odpadów stałych. Należy przy tym podkreślić, że w zależności od czasu przebywania w strefie plazmy lub stosowanych technik mieszania, temperatura substancji wprowadzanych do opisywanych tu reaktorów plazmowych osiąga temperaturę niższą od temperatury plazmy, choć może ona (w przypadku reakcji heterogenicznych na powierzchni ziarna ciała stałego) przekraczać temperaturę topnienia nawet wysokotopliwych materiałów
Drugi z wymienionych rodzajów plazm (plazma nieizotermiczna) różni się od poprzednich przede wszystkim silnie zaznaczoną różnicą między temperaturą molekuł (i jonów) gazu obecnego w strefie generowania plazmy a energią elektronów, która osiąga bardzo wysokie wartości rzędu kilkudziesięciu tysięcy Kelwinów. Uzyskuje się je w opisywanym laboratorium poprzez generowanie wyładowań:
- cichych, zwanych w chemii plazmy również barierowymi,
- cichych o zmienionej charakterystyce w kierunku wyładowań jednorodnych,
- koronowych i półkoronowych z użyciem różnych rodzajów zasilania,
- koronowych i półkoronowych o zmienionej charakterystyce, w tym z udziałem powierzchniowych.
Wyładowania tego typu znajdują szerokie zastosowanie w technikach ochrony środowiska. W naszyn laboratorium zastosowano je głównie do dwóch celów:
- do badania przebiegu procesu syntezy ozonu w różnych warunkach zasilania i w zależności od konstrukcji reaktorów,
- do badania możliwości destrukcji wybranych zanieczyszczeń emitowanych przez czynniki antropogenne, w tym zwłaszcza tlenków azotu jako zanieczyszczenia gazów energetycznych i odlotowych z przemysłu.
Realizację badań ułatwia posiadanie aparatury umożliwiającej diagnostykę układu w aspekcie elektrycznym (oscyloskopów cyfrowych) oraz nowoczesnych analizatorów gazów pracujących na zasadzie absorpcji widma w nadfiolecie, podczerwieni lub wyposażonych w czujniki elektrochemiczne. Posiadany sprzęt pozwalający na określenie stężenia ozonu w roztworach wodnych umożliwia ponadto uzupełnienie badań o prace nad kinetyką rozkładu tej substancji w roztworach wodnych. Kilkanaście typów reaktorów, które przebadano wykonanych zostało we własnym warsztacie mechanicznym. W zakresie zasilania elektrycznego laboratorium wykorzystuje częściowo urządzenia zaprojektowane w Katedrze Podstaw Elektrotechniki Politechniki Lubelskiej.
Tematyka badań nad syntezą ozonu objęła wpływ następujących wielkości na makrokinetykę procesu, a pod względem technologicznym na stężenie uzyskiwanego ozonu, wydajność energetyczną i jednostkową zdolność produkcyjną:
- w wyładowaniu barierowym: wielkość szczeliny wyładowczej, długość ozonatora, grubość i rodzaj dielektryka stanowiącego barierę (w tym przeanalizowano wielowarstwowe układy zawierające międzywarstwy z materiałów przewodzących i półprzewodzących),
- w wyładowaniu koronowym (półkoronowym): usytuowanie, rodzaj i grubość dielektryka, materiał i średnica elektrody wysokonapięciowej,
W obu przypadkach badano zależność procesu syntezy od przepływu gazu zasilającego reaktor, jego rodzaju, od mocy wyładowania, częstotliwości i częściowo od charakterystyki prądu zasilania.
Dla wyładowania cichego istotną częścią badań była identyfikacja jakościowa i ilościowa tlenków azotu, pojawiających się w ozonatorze.
Badania nad ograniczeniem emisji tlenków azotu prowadzono głównie w wyładowaniu asymetrycznym, w tym w koronie zasilanej prądem impulsowym i w półkoronie zasilanej prądem jednokierunkowym z ujemną polaryzacją elektrody koronującej.
Badania nad procesami chemicznymi przebiegającymi w plazmie prowadzone są w naszym laboratorium w oparciu o fundusze krajowe (granty KBN, prace statutowe i własne) jak i umowy z partnerami zagranicznymi (EC Chemicals,Osaka). Niektóre badania podejmowano jako sprawdzanie wyników uzyskanych w laboratoriach japońskich w wyniku inicjatywy strony współpracującej.
Z ośrodkami zagranicznymi łączą nas zarówno umowy formalne (laboratoria w Padwie i Moskwie) jak i nieformalne, ale ożywione kontakty z podobnymi laboratoriami uniwersyteckimi w Rouen, Tokio i Saga (Japonia), gdzie uzyskaliśmy stypendia dla dwóch naszych doktorantów , a umowa o szerokiej dwustronnej współpracy jest finalizowana. Każdego roku gościmy kilku wybitnych specjalistów z całego świata z dziedziny chemii plazmy, a nasi pracownicy uczestniczą aktywnie w najważniejszych sympozjach dotyczących chemii plazmy.
Laboratorium nasze uczestniczy czynnie w organizacji i współorganizacji serii konferencji międzynarodowych poświęconych chemii plazmy nierównowagowej pod ciśnieniem atmosferycznym i w temperaturze otoczenia pod ogólną nazwą Hakone, (pierwsze sypozjum miało miejsce w Hakone w Japonii - stąd nazwa całości, następne we Francji, na Słowacji , w Czechach i w Irlandii), a także krajowych, m.in. w Kazimierzu nad Wisłą z udziałem gości zagranicznych o podobnej tematyce ze szczególnym uwzględnieniem syntezy ozonu i zastosowaniem plazmy w technologiach ochrony środowiska. Są to serie: Chemia plazmy pod auspicjami Polskiego Towarzystwa Chemicznego Ozon otrzymywanie i własności oraz Procesy chemiczne w plazmie niskotemperaturowej.
Iwo Pollo
powrót do wydawnictwa 
|
