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

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

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

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

A plazmák osztályozása 1 eV=7740K 10000 K

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

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

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

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

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

A mesterséges termikus plazmák jellemzői Nagyon magas hőmérséklet (>>2000K) Nagy energiasűrűség (104-106 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

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

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

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

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

Hűtési sebességek A fal hűtése Folyadék bekeverése Hideg gáz bekeverése

Plazma-spektroszkópia

Ar-plazma emissziós spektruma

Átlagos elektronhőmérséklet Mean Te (K) A háttérsugárzás intenzitásából számolva

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

Anyagtudományi alkalmazások

Al2O3 gömbösítése Kereskedelmi Plazmában kezelt

Különféle nanoporok előállítása

Si3N4 nanoporok előállítása 500 nm

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%

Környezetvédelmi alkalmazások

Hulladékok kezelése plazmatechnológiával

A célszerű kezelési módszer kiválasztása Szervetlen anyag tartalom Szerves anyag tartalom

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

Halon 1220 (CF2Cl2) kezelése (Nippon Steel) Égő: 180 kW 2.750-10.000 K 4 kWh·kg-1 hulladék DRE: 99.982-99.9999% PCDD/PCDF nem képződik

Mobil megoldás PCB-k kezelésére (Westinghouse) Égő: 850 kW Hulladék: 0.5-1.2 m3/h Oldószer: esetenként PCB-DRE: 99.999999% HCl a véggázban: 0.0170-0.45 kg h-1 Részecskék a véggázban: 0.158-0.3 m-3

Kórházi hulladékok kezelése Ártalmatlanítás (fertőtlenítés) Tömeg és térfogat csökkentése

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

Ívplazmás olvasztókemence

Acélgyártási szállóporok kezelése (AKI-Tetronics) Fe2O3 ~90% ZnO 7-8% SiO2 70-75% Al2O3, CaO, B2O3 ZnO 98% Nyersvas

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

Égetőműi pernye üvegesítése (Europlasma) Mosóvíz Véggáz Pernye Sós víz Iszap Salak Kommunális hulladék Hulladék (120.000 t/év)  Salak (36.000 t/év) + Pernye (3.600 t/év)  Üvegesített salak (2.400 t/év)

Csempék égetőműi pernyéből: WASTILE