CZ27172U1

CZ27172U1 - Systém mikrotrysky pro generování plazmatu v kapalinách

Info

Publication number: CZ27172U1
Application number: CZ2014-29509U
Authority: CZ
Inventors: František Krčma
Original assignee: Vysoké Učení Technické V Brně
Priority date: 2014-04-29
Filing date: 2014-04-29
Publication date: 2014-07-14

Description

Oblast techniky

Technické řešení se týká systému mikrotrysky pro generování plazmatu v kapalinách.

Dosavadní stav techniky

V současné době existuje celá řada systémů pro generování plazmatu za nej různějších podmínek. Vzhledem k jednoduchosti a s tím souvisejícímu aplikačnímu potenciálu jsou velmi významnou oblastí elektrické výboje realizované za atmosférického tlaku. Těchto výbojů existuje dnes celá řada a liší se jak svým principem, tak i konfigurací elektrod a možnostmi napájení. Mezi těmito výboji hrají velmi významnou roli i nej různější plazmové trysky, v nichž je plazma vyfukováno zpravidla z modifikované kapiláry do okolního, zpravidla plynného, prostředí. Obvykle je jako plyn, v němž je generováno plazma, využíván argon, případně hélium, s nejrůznějšími příměsemi reaktivních plynů (dusík, kyslík, organické těkavé prekurzory, atd.). Specifická situace nastává, je-li plazma elektrického výboje v kontaktu s kapalinou, neboť vysoce energetické aktivní částice přítomné v plazmatu (elektrony, ionty, atomy, radikály, atd.) mohou iniciovat celou řadu chemických procesů v kapalné fázi v současnosti s jen obtížně předvídatelnými výsledky a důsledky.

V posledních několika letech se kromě elektrických výbojů generovaných v plynech dostávají do popředí zájmu i systémy, v nichž je plazma generováno přímo v kapalné fázi. Zde, s ohledem na podstatně vyšší hustotu prostředí a odlišné elektrické vlastnosti kapalin, je zpravidla nezbytné využívat silně nehomogenní elektrické pole. Typickými konfiguracemi elektrod jsou proto hrotrovina, případně koaxiální konfigurace, a to v obou polaritách. Méně typická, nicméně použitelná, je i konfigurace pin-hole, kdy jsou elektrodové prostory odděleny dielektrickou přepážkou z vhodného materiálu, v níž je malý otvor. Podle poměru jeho délky k průměru pak rozlišujeme diafragmový, kdy poměr je přibližně jedna a kapilární výboj, kdy délka je podstatně větší, nežli činí průměr otvoru. Elektrické výboje generované pod hladinou kapaliny (zpravidla tvořené různými částečně vodivými vodnými roztoky) jsou zpravidla napájeny pulzně, a to jak stejnosměrně, tak i střídavě až po oblast mikrovln.

Princip generování vlastního elektrického výboje v kapalné fázi není dosud zcela uspokojivě vysvětlen. Existují dvě základní teorie. První z nich, tzv. elektronová teorie, předpokládá, že k průrazu (a tedy vzniku výboje) dochází stejným principem jako v plynech, tedy generováním laviny elektronů. Struktura výboje je pak obdobná jako u koronového výboje generovaného v plynech. Druhá, tzv. tepelná teorie, je založena na předpokladu, že kapalina je v místech s vysokou intenzitou elektrického pole (a tedy i vysokou hustotou elektrického proudu) lokálně přehřívána, vznikají mikrobubliny a v nich pak dochází k elektrickému průrazu a vzniku výboje. Ten pak má za následek expanzi mikrobubliny. Poslední výsledky ukazují, že snad s výjimkou velmi krátkých nanosekundových pulzních výbojů je primární generování mikrobublin, ovšem na druhé straně jsou známy výsledky, kdy plazma generované v bublinách propaguje do okolní kapaliny spíše ve shodě s elektronovou teorií. Bez ohledu na vlastní detailní princip elektrického průrazu v kapalině lze konstatovat, že plazma lze v kapalinách generovat s užitím různých elektrodových konfigurací i způsobů elektrického napájení.

V současné době existuje celá řada různých laboratorních uspořádání pro generování plazmatu v kapalinách. Jediným známým komerčně dostupným zařízením je Arthrocare. Zkušenosti při práci s tímto zařízením však ukazují poměrně malou životnost vlastní hlavy, v níž je plazma generováno, a rovněž poměrně malý výkon (jednotky watů), který nemusí být vždy dostačující pro aplikace.

Podstata technického řešení

Výše uvedené nedostatky řeší systém trysky pro generování plazmatu v kapalinách podle technického řešení, sestávající z dielektrické válcové kapiláry o vnitřním průměru 0,1 až 2 mm

-1 CZ 27172 Ul a vnějším průměru maximálně 3 mm, do níž je vsunuta kovová elektroda tak, že mezi jejím koncem a druhým koncem dielektrické válcové tyče je vytvořen volný prostor. Kapilára jez části volitelně opatřena teflonovým pouzdrem a dále sestává z druhé elektrody, která může být koaxiálně upevněná na kapiláře, přičemž jedna z elektrod je uzemněná a kapilára i obě elektrody jsou ponořeny do kapaliny o vodivosti 10 až 15 000 pS/cm.

Kapilára je výhodně vyrobena z keramiky nebo křemenného skla. Otvor v kapiláře může být válcový, kónický nebo jiného tvaru.

Kapalinou, do které je ponořena kapilára s elektrodami, je voda, vodný roztok anorganické solí, organický roztok nebo směs vody s organickou kapalinou.

Na jednu z elektrod se přiloží napětí nejméně 700 V. Protože veškerý proud musí procházet kapalinou v kapiláře, ve volném prostoru mezi jejím koncem a koncem elektrody v ní umístěné, dochází k rychlému lokálnímu přehřátí kapaliny a ve volném prostoru mezi koncem kapiláry a koncem elektrody v ní umístěné vznikají mikrobubliny. V závislosti na geometrických rozměrech a vodivosti kapaliny pak dochází k zapálení elektrického výboje při mikrobublin. Ty jsou dále intenzivně zahřívány plazmatem, a protože jsou prostorově omezeny rozměry kapiláry, expandují otvorem směrem ven do kapaliny. Tím vzniká vlastní plazmový výboj emitující elektromagnetické záření s maximální vlnovou délkou IlOOnm. Předpokládá se, že vzniklé elektromagnetické záření má spodní hranici vlnové délky již od 90 nm.

K napájení je možné využít jak stejnosměrné napětí (v obou polaritách, stabilizované nebo nestabilizované), tak i střídavé až do frekvencí v oblasti mikrovln (50 Hz až 2450 MHz), přičemž režim napájení může být pulzní nebo kontinuální.

V závislosti na napájení se pak dále liší vlastnosti generovaného plazmatu a tím i následné procesy jím iniciované v kapalině. Vlastní plazma generované popsaným systémem kombinuje celou řadu efektů, které následně ovlivňují procesy v kapalině. Aktivní částice vzniklé v elektrickém výboji (v případě vodných roztoků zejména elektrony, atomární vodík a kyslík. OH radikály) indukují komplikovanou chemii jak plazmatu, tak i vlastní kapaliny. Na chemických procesech se podílí i vliv elektrochemických jevů, z nichž zásadní je elektrolýza v případě stejnosměrného napájení. Mimo to ale synergicky působí i celá řada fyzikálních jevů generovaných výbojem. Sem patří vliv silného nehomogenního elektrického pole u ústí trysky, elektromagnetické záření, včetně složek v UV oblasti (záření radikálu OH s maximem 305 až 315 nm) i VUV oblasti (až 91 až 121 nm od atomárního vodíku), proudění urychlených bublin kapalinou od trysky do prostoru (rychlost až m/s) a rázových vln vznikajících kavitací bublin při zániku výboje.

Systém trysky podle technického řešení je velmi jednoduchý, snadno vyrobitelný a tedy i levný. Má dlouhou životnost a vysoký výkon. Vlastní trysku lze snadno a rychle vyměnit, což umožňuje dlouhodobé používání celého systému s minimálními provozními náklady. Nevyžaduje na rozdíl od plazmových trysek generovaných v plynech žádné systémy pro regulaci průtoku plynů. Rovněž šíře možností napájení je extrémně vysoká a se stejnou tryskou tak lze použít nej různější zdroje a módy elektrického napájení. To poskytuje širokou škálu možností pro nejrůznější aplikace.

Objasnění výkresu

Obr. 1 : Schematický obrázek plazmové mikrotrysky s elektrodou koaxiálně připevněnou ke kapiláře pro generování plazmatu v kapalinách.

Příklady uskutečnění technického řešení

Příklad 1

Tryska pro generování plazmatu v kapalinách byla podle obrázku 1 tvořena dielektrickou kapilárou 1 z křemenného skla s rovným koncem s vnějším průměrem 1 mm (obr. č. 1) a vnitřním prů-2CZ 27172 Ul měrem 0,5 mm, do níž byla vsunuta a zatěsněna kovová elektroda 2 tak, že mezi jejím koncem a otevřeným koncem kapiláry i byl vytvořen volný prostor 3. Druhá elektroda systému 4 byla umístěna koaxiálně na kapiláře las ohledem na bezpečnost práce byla uzemněná. Kapilára i obě elektrody byly ponořeny do vodného roztoku anorganické soli (NaCl, KC1, Na₂SO₄) s použitím destilované vody; vodivost roztoků se pohybovala v rozmezí 10 až 15000 gS/cm. Pro příjemnější a bezpečnější práci byla část kapiláry I určená pro uchopení do ruky opatřena teflonovým pouzdrem 5 o vnějším průměru 10 mm (obr. 1).

Po přiložení vysokého napětí na elektrodu 2 došlo k průchodu elektrického proudu kapalinou. Protože veškerý proud musí procházet kapalinou ve volném prostoru 3 v kapiláře I, došlo zde k rychlému lokálnímu přehřátí kapaliny a vzniku mikrobublin. Při testovaném napětí 1 až 5 kV v závislosti na výše uvedených podmínkách došlo k zapálení elektrického výboje uvnitř mikrobublin. Ty byly dále intenzivně zahřívány plazmatem, a protože byly mikrobubliny prostorově omezeny kapilárou, expandovaly směrem ven z kapiláry i do kapaliny. Tím vznikal vlastní plazmový výboj (jet), který vystupoval ven do kapaliny, kde dále inicioval chemické i fyzikální procesy.

Bylo použito napájení pomocí stabilizovaného stejnosměrného napětí, přičemž elektroda 2 byla buď kladná, nebo záporná, nestabilizováného (jednocestně usměrněného) stejnosměrného napětí (opět v obou polaritách), střídavého (50 Hz), vysokofrekvenčního (1100 kHz) a radiofrekvenčního (13,56 MHz) napětí. Ve všech případech došlo k zapálení výboje při amplitudách použitého napětí a stabilnímu hoření výboje po dobu minimálně 5 minut.

Podmínky zapálení výboje a jeho energetická charakterizace byly realizovány pomocí měření časových průběhů napětí a proudu systémem. Spektrometricky bylo pozorováno elektromagnetické záření emitované výbojem v oblasti 200 až IlOOnm, předpokládá se však elektromagnetické záření již v oblasti od 90 nm. Vznik bublin a jejich rychlost byly stanoveny pomocí mikrofotografie na základě známé expoziční doby a délky dráhy mikrobublin. Vznik rázových vln byl pozorován jednak sluchem a dále byl zaznamenán i pomocí piezomikrofonu umístěnému pod kádinkou s roztokem, v němž byla tryska umístěna. Přítomnost chemicky aktivních částic (atomární vodík a kyslík. OH radikál) byla potvrzena spektrometrickými měřeními, jako stabilní chemicky aktivní sloučenina byl kolorimetricky stanovován peroxid vodíku metodou s využitím peroxytitanylového iontu. Účinek plazmatu generovaného systémem trysky podle technického řešení byl prověřen za vybraných podmínek degradace organických barviv, kde byly výsledky v dobré shodě s výsledkem dříve naměřeným v klasickém diafragmovém výboji.

Průmyslová využitelnost

Systém mikrotrysky generující plazma v kapalinách může být přímo využit pro odstraňování korozních vrstev z archeologických předmětů zhotovených zejména ze skla a keramiky. Díky jejím rozměrům je možné poměrně snadno, případně s modifikací v podobě bočního výstupu, lokálně ošetřovat i poměrně členité povrchy předmětů a jen obtížně přístupné dutiny. Další aplikace se pak nabízejí v oblasti odstraňování organických sloučenin z vodných roztoků, zejména v oblastech speciálních výrob. Další oblastí využití je povrchová úprava materiálů ve vodných i organických roztocích, včetně nanomateriálů. Zcela otevřené jsou potenciální aplikace v oblasti organických kapalin, kdy může docházet k syntéze nových sloučenin se zcela unikátními vlastnostmi. Mimo oblast techniky je pak mikrotryska využitelná v oblasti biomedicíny, v mikroinvazivní chirurgii nebo biologické dekontaminaci.

Claims

NÁROKY NA OCHRANU

1. Systém mikrotrysky pro generování plazmatu v kapalinách, vyznačující se tím, že sestává z kapiláry (1) o vnitřním průměru 0,1 až 2 mm a vnějším průměru maximálně 3 mm, do níž je vsunuta kovová elektroda (2) tak, že mezi koncem elektrody (2) a jedním koncem ka5 piláry (1) je vytvořen volný prostor (3), kde kapilára (1) je z části volitelně opatřena teflonovým pouzdrem (5) a dále systém sestává z druhé elektrody (4) volitelně koaxiálně upevněné na kapiláře (1), přičemž jedna z elektrod (2) nebo (4) je uzemněná a kapilára (1) i obě elektrody (2) a (4) jsou ponořeny do kapaliny o vodivosti 10 až 15 000 pS/cm.
2. Systém mikrotrysky podle nároku 1, vyznačující se tím, že kapilára (1) je vyroío bena z keramiky nebo křemenného skla.
3. Systém mikrotrysky podle nároku 1 nebo 2, vyznačující se tím, že otvor v kapiláře (1) je válcový nebo kónický.
4. Systém mikrotrysky podle některého z nároků laž3, vyznačující se tím, že kapalinou je voda, vodný roztok anorganické soli, roztok organické látky nebo směs vody s orga15 nickou kapalinou.

1 výkres

Seznam vztahových značek:

1 - kapilára

2 - kovová elektroda

20 3 - volný prostor

4 - druhá elektroda systému
5 - teflonové pouzdro.