BEPILLANTÁS A PLAZMATECHNOLÓGIÁBA

Az előadások a következő témára: "BEPILLANTÁS A PLAZMATECHNOLÓGIÁBA"— Előadás másolata:

1 BEPILLANTÁS A PLAZMATECHNOLÓGIÁBA
Szépvölgyi János igazgató, egyetemi tanár MTA Kémiai Kutatóközpont Anyag- és Környezetkémiai Intézet Pannon Egyetem, Műszaki Informatikai Kar Műszaki Kémiai Kutatóintézet

2 A plazmaállapot Az anyag negyedik halmazállapota
Nagy energiatartalmú gáz Alap- és gerjesztett állapotú semleges részecskék, elektronok és ionok Elektromos vezető Kifelé semleges A világegyetemben levő anyag >99%-a plazmaállapotú

3 A plazma hőmérséklete m – részecske tömege v – a részecske sebessége
k – Boltzmann állandó (1.38010-23 J/K) T – abszolút hőmérséklet (K)

4 A részecskék sebessége
Különböző sebességű részecskék Egymással ütköznek Energiaátadás Maxwell-Boltzmann eloszlás Legvalószínűbb Átlagos Tényleges

5 A plazmák osztályozása
1 eV=7740K 10000 K

6 Helyi termodinamikai egyensúly
A plazmák típusai Helyi termodinamikai egyensúly Nem egyensúlyi rendszerek Hideg plazmák Termikus plazmák

7 A plazmaállapot létrehozása
Kémiai reakciók Hő Reaktorfal Kontakt ionizáció Mechanikai Gázok hőtartalma Nagy nyomás Elektromágneses Elektronok, protonok PLAZMA Besugárzás Fotonok Elektronok melegítése Elektromos gázkisülések Elektromos áram a gázban Elektromos áram

8 Plazmagázok ionizációs energiája és hővezetése
Ei (eV) λ (W·m-1·K-1) He 24.5 2.25·10-1 Ar 15.8 2.67·10-2 H 13.6 2.57·10-1 N 14.5 3.86·10-2 O 4.21·10-2 levegő 4.14·10-2

9 Termikus plazmák létrehozása
Hullámindító Kisülési cső Ívplazma (DC) Haladóhullámú kisülés (MW) Indukciósan kicsatolt RF plazma (RF)

10 Induktív kicsatolású RF plazma
Termikus plazmaégők Argon Katód Egyenáramú ívplazma Anód RF Induktív kicsatolású RF plazma Plazmagáz Hűtőgáz Tekercs Kvarccső Gáz elvezetés Reak- tor

11 A mesterséges termikus plazmák jellemzői
Nagyon magas hőmérséklet (>>2000K) Nagy energiasűrűség ( kJ·m-3) Változtatható gázösszetétel (O-S-R) Széles határok között szabályozható gázáramlási sebesség Nagy hőmérsékletkülönbség a plazmaláng és a környező gázfázis között Erős ultraibolya sugárzás

12 A termikus plazmák műszaki alkalmazásai
Plazmahegesztés és vágás Anyagok tömörítése gömbösítés, hőkezelés (szinterelés) Rétegleválasztás plazmaszórás, PVD, CVD Nagytisztaságú, finom porok előállítása Veszélyes anyagok lebontása és átalakítása Plazmakohászat olvasztás, átolvasztás, fémkinyerés

13 IC-RF plazmarendszer TEKNA PL-35 égő Plazma gáz (Ar, He) Reagensek
Ciklon Reagensek Véggáz Száloptika TEKNA PL-35 égő Reaktor Plazma gáz (Ar, He) TRIAX 550 spektrométer + CCD detektor PC Hűtőgáz & reagensek Hűtőgáz Reagens Plazmagáz RF generátor

14 IC-RF plazmarendszer TEKNA PL-35 égő Plazma gáz (Ar, He) Reagensek
Ciklon Reagensek Véggáz Száloptika TEKNA PL-35 égő Reaktor Plazma gáz (Ar, He) TRIAX 550 spektrométer + CCD detektor PC Hűtőgáz & reagensek

15 TEKNA PL35 égő - T eloszlás
V. Colombo et al.: 3-D Turbulent Modeling of an ICPT with Detailed Gas Injection Section. ISPC 17, 2005

16 Hűtési sebességek A fal hűtése Folyadék bekeverése
Hideg gáz bekeverése

17 Plazma-spektroszkópia

18 Ar-plazma emissziós spektruma

19 Átlagos elektronhőmérséklet
Mean Te (K) A háttérsugárzás intenzitásából számolva

20 A plazmakezelés részfolyamatai
Plazma létrehozása  Felmelegítés és lebontás Reakciók létrehozása Rekombináció, befagyasztás Termékek elválasztása Gázkezelés Gázok, energia Kiindulási anyagok Energia-visszanyerés Szilárd és folyékony termékek Véggázok

21 Anyagtudományi alkalmazások

22 Al2O3 gömbösítése Kereskedelmi Plazmában kezelt

23 Különféle nanoporok előállítása

24 Si3N4 nanoporok előállítása
500 nm

25 Fullerén-korom előállítása grafitporból
Fullerén-korom Dm=25 nm Kihozatal: 85% Nanospray forrás- negatív ionizációs mód. A plazmaparaméterektől való függés vizsgálata folyamatban van. Egyéb irodalmakban a 70-nél nagyobb szénatomszámú fullerének jelentéktelen mennyiségben keletkeznek. Fullerén kihozatal: 6%

26 Környezetvédelmi alkalmazások

27 Hulladékok kezelése plazmatechnológiával

28 A célszerű kezelési módszer kiválasztása
Szervetlen anyag tartalom Szerves anyag tartalom

29 Hagyományos égetés vs. plazmatechnológia
<1200OC Oxidáló körülmények Nagy gázforgalom Lassú felmelegedés Lassú lehűlés Esetenként utóégetés >2000OC O-S-R atmoszféra Kis gázforgalom Gyors felmelegedés Nagyon gyors lehűlés Utóégetés nem szükséges

30 Halon 1220 (CF2Cl2) kezelése (Nippon Steel)
Égő: 180 kW K 4 kWh·kg-1 hulladék DRE: % PCDD/PCDF nem képződik

31 Mobil megoldás PCB-k kezelésére (Westinghouse)
Égő: 850 kW Hulladék: m3/h Oldószer: esetenként PCB-DRE: % HCl a véggázban: kg h-1 Részecskék a véggázban: m-3

32 Kórházi hulladékok kezelése
Ártalmatlanítás (fertőtlenítés) Tömeg és térfogat csökkentése

33 Fémhulladékok kezelése (Retech)
Ni-, Cr-, Mo-tartalmú acélgyártási szállópor Termék fémötvözet: 73.8% Fe, 4.4% Ni, 15.3% Cr, 1.1% Mo Fémkihozatalok: Ni, Mo, Fe >98%, Cr >92% Monolithic Rock

34 Ívplazmás olvasztókemence

35 Acélgyártási szállóporok kezelése (AKI-Tetronics)
Fe2O3 ~90% ZnO % SiO % Al2O3, CaO, B2O3 ZnO 98% Nyersvas

36 Mibe kerül? A működési költségek szerkezete Kapacitás: 40.000 t/év
Termékek: nyersvas, ZnO, üveges salaktermékek Teljesítményigény: 3,3 MW Beruházási költség: 6,5 millió € Működési költség: 87 €/t Beruházás megtérülési ideje: <2 év Lerakási költség: 200 €/t A működési költségek szerkezete

37 Égetőműi pernye üvegesítése (Europlasma)
Mosóvíz Véggáz Pernye Sós víz Iszap Salak Kommunális hulladék Hulladék ( t/év)  Salak ( t/év) + Pernye (3.600 t/év)  Üvegesített salak (2.400 t/év)

38 Csempék égetőműi pernyéből: WASTILE