پلاسما سرد (تخلیه مانع دی الکتریک)

پلاسما سرد به عنوان گازی تعریف می شود که به صورت جزئی یونیزه شده باشد (چند درصد)  در دمای اتاق یا پایین تر ایجاد می شود. یونیزاسیون گاز ، در این حالت اکسیژن خالص بین دو الکترود صورت می گیرد که توسط یک سد عایق (سد دی الکتریک) از هم جدا می شوند. هنگامی که پلاسما تشکیل می شود ، مولکول های اکسیژن به اتم های اکسیژن منفرد تقسیم می شوند که سپس با O2 نوترکیب می شوند و ازن را تشکیل می دهند (O3).

ژنراتور ازن پلاسما سرد از اکسیژن به عنوان منبع ورودی استفاده می کند و برای تولید ازن با غلظت حدود 5-7٪ استفاده می شود. پیشرفت های فن آوری اخیراً تولید ازن با غلظت حداکثر 20٪ یا بیشتر از اکسیژن تولید شده در سایت را ممکن می سازند.

روش تخلیه کرونا

تولید ازن با روش تخلیه تاج برای کاربردهای صنعتی بسیار رایج است. با هدایت هوا به داخل لوله تخلیه تاج ، ازن تولید می کند ، که در آن پلاسما با اعمال یک میدان الکتریکی قوی ایجاد می شود. پلاسما ایجاد شده اتمهای منفرد اکسیژن را از هم جدا می کند و سپس می تواند مجدداً با مولکول های اکسیژن ترکیب شود و ازن ایجاد کند. تفاوت بین تولید ازن پلاسما سرد و روش تولید ازن تخلیه تاج در وسیله ای است که برای ایجاد پلاسما و گاز خوراک مورد استفاده استفاده می شود. ژنراتورهای تخلیه Corona همچنین اکسیدهای نیتروژن (NOx) ایجاد می کنند که در صورت وجود آب واکنش نشان می دهند و اسید نیتریک خورنده (HNO3) تولید می کنند.[1]

فناوری ژنراتور ازن

روش های تولید اوزون شامل موارد زیر است.

• تخلیه کرونا
• پلاسمای سرد
• الکترولیز
• ماوراء بنفش

روش پلاسمای سرد:

پلاسما یک مخلوط شبه خنثی از ذرات خنثی و بار دار است و دارای خصوصیات جمعی است. این را می توان از چندین دیدگاه طبقه بندی کرد. یکی از این دیدگاه ها به تعادل بین دمای یون ها و الکترون ها می پردازد. وقتی دمای الکترون ها و یون ها یکسان باشد ، به آن پلاسما حرارتی می گویند. از طرف دیگر، اگر دمای الکترون ها بالاتر از دمای یون ها باشد، به آن پلاسما غیرحرارتی یا پلاسمای سرد می گویند. مهمترین مزیت پلاسما غیر حرارتی مصرف انرژی “مستقیم” است.

ویژگی‌های پلاسما

پلاسما پر انرژی‌ترین شکلِ ماده محسوب می‌شود. ساختار پلاسما از ذرات متحرکِ مثبت، منفی و خنثی تشکیل شده. البته این حالت بسیار مشابه به حالت گازی است. مهم‌ترین تفاوت‌های میان این دو شکل از ماده به ترتیب زیر هستند.

پلاسما دارای هدایت الکتریکی بسیار بالایی است.

پلاسما به میدان‌های الکتریکی و مغناطیسی نسبت به میدان گرانشی حساس‌تر است.

حرکت ذرات باردار‌ در پلاسما،‌ منجر به تولید میدان مغناطیسی و الکتریکی می‌شود.

به دلیل بی‌نظمی شدید و سطح انرژی بالا در پلاسما،‌ این حالت، تابش الکترومغناطیسی مختص به خود را ایجاد می‌کند.

به‌منظور نگه داشتن انرژی بالا در پلاسما، تزریق پیوسته انرژی به ماده بایستی برقرار باشد.

نحوه ایجاد و انواع مختلف پلاسما:

به منظور ایجاد حالتِ پلاسما، بایستی به اتم‌های یک ماده انرژی تزریق شود. این انرژی می‌تواند به شکل‌های مختلفی از جمله گرمایی، الکتریکی یا نور باشد. اگر انرژی وارد شده به ماده به اندازه کافی زیاد نباشد، پلاسما به حالت خنثی اولیه باز خواهد گشت. عمدتا پلاسما به‌ صورت طبیعی ایجاد می‌شود. البته در آزمایشگاه نیز این حالت از ماده را می‌توان ایجاد می‌کنند. معمولا از پلاسمای مصنوعی در فرآیند‌های تولید سطح و لایه نشانی استفاده می‌کنند.

پلاسمای مصنوعی – سرد و گرم

پلاسمای گرمایی یا پلاسمای داغ، در قوس‌های الکتریکی، جرقه‌ها یا شعله‌ها ایجاد می‌شوند. در این نوع از پلاسما یون‌های داغِ مثبت و منفی با انرژی بالا در حرکت‌اند. این نوع از پلاسماها در لیزر‌های قطع‌کننده کاربرد دارند. دمای کاری این لیزر‌ها بین ۵۰۰۰ تا ۱۰۰۰۰ درجه سانتی‌گراد است.
پلاسمای سرد یا غیر گرمایی پلاسمایی است که به نسبت کمتر یونیزه شده باشد. در این پلاسما الکترون‌ها در دمای بالا و یون‌های مثبت و خنثی در دمای پایین قرار دارند. زمانی که یک لامپ فلوئورسنت در دمای اتاق روشن می‌شود، پلاسمایی سرد در لامپ شکل می‌گیرد.

در پلاسمای سرد انرژی داده شده برای تخلیه عمدتا برای تولید الکترونهای بسیار پرانرژی استفاده می شود و انرژی کمی برای گرم کردن حجم  گاز مصرف می شود. در نتیجه ، فناوری های مبتنی بر پلاسما سرد می توانند در افزایش اکسیداسیون، تقویت تفکیک مولکولی یا تولید رادیکال های آزاد برای تحریک واکنش های پلاسمای شیمیایی بسیار مؤثر باشند، که می تواند برای تولید ازن یا سایر کاربردهای اکولوژیکی مانند تجزیه آلاینده ها در جریان هوا مورد استفاده قرار گیرد.

دو روش اصلی برای تولید پلاسما سرد وجود دارد:

_ شتاب الکترون ها توسط یک میدان الکتریکی.

_ تزریق الکترون ها از خارج.

گروه اول روشها انواع مختلفی از تخلیه های الکتریکی را شامل می شوند و روش دوم شامل استفاده از پرتو الکترونی است.

با توجه به اینکه فرآیندهای تولید ازن در فشار اتمسفر انجام می شود، فقط روی تخلیه های الکتریکی در فشار اتمسفر متمرکز می شود. نوع اصلی تخلیه الکتریکی که می تواند برای اهداف فوق مورد استفاده قرار گیرد تخلیه سد دی الکتریک و تخلیه کرونا است. تخلیه سد دی الکتریک یک اصطلاح کلی برای تخلیه است که از ماده دی الکتریک به عنوان تثبیت کننده پلاسما استفاده می کند. انواع اصلی عبارتند از:

_ تخلیه خاموش.

_ تخلیه سطح.

ویژگی اصلی تخلیه خاموش، لایه دی الکتریک است که حداقل یکی از الکترودها را پوشش می دهد ، گاهی اوقات هر دو. به طور معمول از موادی با ثابت دی الکتریک بالا (سرامیک یا شیشه) استفاده می شود. بیشترین استفاده از تنظیمات الکترود تخلیه خاموش در حال حاضر انواع صفحه موازی یا نوع سیم لوله است. پیکربندی الکترود صفحه موازی مشترک برای تخلیه خاموش در شکل 1 نشان داده شده است.[2]

شکل1: پیکربندی الکترود تخلیه خاموش

روش تخلیه کرونا:

تخلیه کرونا تخلیه الکتریکی است که توسط یونیزه کردن سیالات مانند هوای اطراف یک هادی که دارای شارژ الکتریکی است ایجاد می شود. تخلیه خودبخودی تاج به طور طبیعی در سیستمهای دارای ولتاژ بالا اتفاق می افتد ، مگر اینکه برای محدود کردن قدرت میدان الکتریکی دقت شود. تاج وقتی اتفاق می افتد که قدرت میدان الکتریکی در اطراف یک هادی به اندازه کافی زیاد باشد تا یک منطقه رسانا ایجاد شود، اما به اندازه کافی زیاد نباشد که باعث شکست الکتریکی یا قوس الکتریکی در اشیاء مجاور شود. تخلیه کرونا غالباً به عنوان درخشش مایل به آبی در هوای مجاور رساناهای فلزی که در معرض تخلیه قرار دارند دیده می شود.[3]

تخلیه Corona با ایجاد یک تخلیه الکتریکی – با ولتاژ بالا و فرکانس بالا – در یک شکاف هوای محدود (1 یا 2 میلی متر) ، بصورت خطی و یکنواخت ، بین الکترود شارژ شده به ولتاژ بالا و الکترود مخالف پوشیده با مواد عایق (معمولاً یک غلتک) که به زمین وصل شده است، ایجاد می شود.

شکل2: تخلیه کرونا

تخلیه الکتریکی در اثر برخورد باعث یونیزاسیون می شود: برخی از یون ها در هوا توسط میدان الکتریکی اعمال شده تسریع می شوند و با برخی مولکول های خنثی برخورد می کنند و باعث یونیزه شدن آنها می شوند. به همین ترتیب، ذرات باردار جدید از این طریق به مولکول های دیگر برخورد کرده و آنها را یونیزه می کنند و ادامه این روند باعث شکست دی الکتریک هوا می شود.

تخلیه کرونا به بهترین وجه در مواد انعطاف پذیر (فیلم پلاستیکی ، فیلم متالیزه ، فویل آلومینیومی ، کاغذ) با چند استثنا برای مواد نیمه سفت و سخت استفاده می شود (ورق های پلاستیکی مانند PE ، PP ، PVC یا ورق های ضخیم تر از 10-15 میلی متر). [4]

این تخلیه الکتریکی (تخلیه تاج) بر روی مولکول اکسیژن باعث می شود تا مولکول های اکسیژن به دو اتم اکسیژن منفرد تقسیم شوند. اتمهای اکسیژن ناپایدار حاصل با سایر مولکولهای اکسیژن ترکیب می شوند. این ترکیب مولکول های ازن را تشکیل می دهد.

المانی که اوزون را تولید می کند الکترودهای تخلیه کرونا هستند که با استفاده از ولتاژ بالا (3 کیلو ولت و بالاتر) اکسیژن موجود در هوا را به اوزون تبدیل می کنند.

شکل3

لذا ژنراتورهای ازن به هیچ مخزنی احتیاج ندارند و تنها اتصال آنها به برق کافی است. الکترودها همچنین بسیار بادوام هستند و می توانند در رطوبت حدود 40٪، 6000 ساعت مقاومت کنند (معادل حدود 4 سال کار 4 ساعت در روز). [5]

مزایای استفاده از ازن ژنراتورهای تخلیه کرونا

• مقیاس پذیر هستند و می توانند مقادیر بسیار زیادی ازن ایجاد کنند
• ازن را در غلظت ازن متوسط ​​تا زیاد ایجاد می کند (حداکثر تا 30٪ وزن)
• برای بهره برداری طولانی مدت مقرون به صرفه است
• تعمیر و نگهداری کم

معایب استفاده از ازن ژنراتورهای تخلیه کرونا

• هزینه بالایی برای سرمایه گذاری اولیه سرمایه
• گرمای اضافی ایجاد می کند که برای عملیات کارآمد دستگاه باید خارج شود.

برای عملکرد قابل اعتماد به هوای خشک و یا گاز اکسیژن بسیار تمیز نیاز دارند.[6]

تخلیه کرونا هنگامی حاصل می شود که میدان الکتریکی به اندازه کافی قوی باشد تا یک واکنش زنجیره ای ایجاد کند: الکترون های موجود در هوا به اندازه کافی سخت با اتمها برخورد می کنند که آنها را یونیزه کرده و الکترون های آزاد بیشتری فراهم می کنند که اتم های بیشتری را یونیزه کنند. این روند در مقیاس میکروسکوپی در ادامه توضیح داده شده است:

1. یک اتم یا مولکول خنثی، در منطقه ای از میدان الکتریکی قوی (مانند گرادیان پتانسیل بالا در نزدیکی الکترود منحنی)، توسط یک رویداد طبیعی محیطی برای ایجاد یک یون مثبت و یک الکترون آزاد یونیزه می شود (به عنوان مثال، توسط یک فوتون ماوراء بنفش یا ذرات پرتوی کیهانی مورد اصابت قرار می گیرد).

شکل4

2. میدان الکتریکی این ذرات با بار مخالف را در جهات مخالف تسریع می کند، آنها را جدا می کند، از دوباره ترکیب شدن آنها جلوگیری می کند و انرژی جنبشی را به هر یک از آنها منتقل می کند.
3. الکترون نسبت بار / جرم بسیار بالاتری دارد و بنابراین با سرعت بیشتری نسبت به یون مثبت شتاب می یابد. الکترونبه اندازه ای از میدان انرژی بدست می آورد که هنگامی که اتم دیگری را مورد اصابت قرار می دهد، آن را یونیزه می کند، الکترون دیگری را می کوبد و یون مثبت دیگری را ایجاد می کند. این الکترونها شتاب گرفته شده و با اتمهای دیگر برخورد کرده و جفت الکترون / یون مثبت ایجاد می شوند و این الکترونها در یک فرآیند واکنش زنجیره ای به نام بهمن الکترونی ، با اتمهای بیشتری برخورد می کنند. هر دو تاج مثبت و منفی به بهمن های الکترونی وابسته هستند. در یک تاج مثبت ، تمام الکترون ها به سمت الکترود مثبت نزدیک جذب شده و یون ها به بیرون دفع می شوند. در یک تاج منفی ، یونها به سمت داخل جذب می شوند و الکترون ها به بیرون دفع می شوند.

شکل5

4. درخشش تاج به دلیل پیوستن الکترون ها به یون های مثبت و ایجاد اتم های خنثی ایجاد می شود. هنگامی که الکترون به سطح انرژی اولیه خود باز می گردد ، فوتونی از نور آزاد می کند. فوتون ها باعث یونیزه کردن اتم های دیگر و ایجاد ایجاد بهمن های الکترونی می شوند.

شکل6

5. در فاصله مشخصی از الکترود ، میدان الکتریکی به اندازه کافی کم می شود که دیگر انرژی کافی به الکترون ها منتقل نمی شود تا هنگام برخورد بقیه اتم ها را یونیزه کنند. این لبه بیرونی تاج است. در خارج از این ، یون ها بدون ایجاد یون های جدید با جریان هوا حرکت می کنند. یونهای متحرک بیرونی به الکترود مخالف جذب می شوند و در نهایت به آن می رسند و با الکترونهای موجود در الکترود ترکیب می شوند تا دوباره اتمهای خنثی شوند و مدار را کامل کنند.

از نظر ترمودینامیکی، تخلیه کرونا پروسه ای بسیار نامتعادل است و یک پلاسما غیر حرارتی ایجاد می کند. مکانیسم بهمن (برخورد پشت سرهم مولکول ها و یونیزه شدن آنها) انرژی کافی را برای گرم کردن گاز در ناحیه تاج به طور کلی و یونیزه کردن آن، مانند یک قوس الکتریکی یا جرقه، آزاد نمی کند. فقط تعداد کمی از مولکول های گازی در بهمن های الکترون شرکت می کنند و یونیزه می شوند، با داشتن انرژی های نزدیک به انرژی یونیزاسیون 1-3 الکترون ولت، بقیه گازهای اطراف آن نزدیک به دمای محیط است.

در بسیاری از کاربردهای با ولتاژ بالا، تاج یک اثر جانبی ناخواسته است. تخلیه کرونا از خطوط انتقال برق با ولتاژ بالا، اتلاف انرژی قابل توجهی برای خدمات آب و برق را تشکیل می دهد. در تجهیزات ولتاژ بالا مانند تلویزیون های لامپ اشعه کاتدی، فرستنده های رادیویی، دستگاه های اشعه ایکس و شتاب دهنده های ذرات، نشت فعلی ناشی از تاج می تواند بار ناخواسته ای را در مدار ایجاد کند.[7]

منابع:

1. https://www.primozone.com/technology/production-techniques/
2. Pekárek , “Non-Thermal Plasma Ozone Generation”, Acta Polytechnica Vol. 43 No. 6/2003
3. https://en.wikipedia.org/wiki/Corona_discharge
4. https://www.ferben.com/technology/corona-vs–plasma-a-comparison-between-surface-treatments.kl
5. http://www.ozonizer.pl/en/knowledge-center/ozone/how-is-ozone-formed/#:~:text=Corona%20discharge%20creates%20ozone%20by,oxygen%20present%20in%20the%20chamber.
6. https://www.oxidationtech.com/blog/ozone-production-from-corona-discharge/
7. Loeb, Leonard (1965). Electrical Coronas Their Basic Physical Mechanisms. University of California Press. ASIN B0006BM4LG

صفحات مرتبط: ازن ساز چیست، کاربرد ازن در تصفیه آب، کاربرد ازون در تصفیه فاضلاب، بوبری،