DE102004048410A1

DE102004048410A1 - Anordnung zur Oberflächenbehandlung von Schüttgut in einer Plasmazone bei Atmosphärendruck

Info

Publication number: DE102004048410A1
Application number: DE102004048410A
Authority: DE
Inventors: Volker Brüser; Moritz Heintze; Sven Nadolny; Holger Kersten
Original assignee: INSTITUT fur NIEDERTEMPERATUR-PLASMAPHYSIK EV; INST NIEDERTEMPERATUR PLASMAPH; Institut fur Niedertemperatur-Plasmaphysik Ev
Current assignee: Leibniz Institut fuer Plasmaforschung und Technologie eV
Priority date: 2004-10-01
Filing date: 2004-10-01
Publication date: 2006-05-04

Abstract

Die Aufgabe der Erfindung ist es, eine Vorrichtung zu schaffen, die bei Plasmageneratoren unter Atmosphärendruck einen kontinuierlichen Transport der Teilchen ermöglicht.
Die Aufgabe der Erfindung ist es, eine Vorrichtung zu schaffen, die bei Atmosphärendruck einen kontinuierlichen Transport von Teilchen durch eine Plasmazone ermöglicht.
Die Lösung erfolgt durch die erfindungsgemäße Anordnung zur Oberflächenbehandlung von Schüttgut in einer Plasmazone bei Atmosphärendruck. Dabei wird eine Anordnung zur Plasmaerzeugung mit einer Förderanordnung so verbunden, dass die Grundplatte der Förderanordnung gleichzeitig Bestandteil der Anordnung zur Plasmaerzeugung ist und mit einer oxidischen Schicht oder einer Glasschicht bedeckt ist. Die Plasmaerzeugung erfolgt durch dielektrische Barrieren-Entladung oder Koronaentladung.
Als Förderanordnung kommen Schwing-, Blas- oder andere Partikelförderer zum Einsatz.

Description

Die Anordnung zur Oberflächenbehandlung von Schüttgut in einer Plasmazone wird bei der Oberflächenmodifizierung von Schüttgut angewendet, wobei ein kontinuierlicher Transport ermöglicht werden soll.
[Stand der Technik]
Die Oberflächenmodifizierung von Schüttgut durch Niedertemperatur-Plasmaverfahren findet in der Regel im Niederdruckbereich statt. Bei diesen Verfahren kommen bestimmte Techniken zur Fluidisierung des Schüttgutes zum Einsatz, um eine homogene Plasmabehandlung zu gewährleisten. Dazu gehören die nachfolgend aufgeführten Verfahren: Rüttelbett-Reaktor, Wirbelschicht-Reaktor, Drehtrommel-Reaktor.
Die Anregungen der Plasmen in diesen Reaktoren finden im Vakuum statt. Die Erzeugung des Vakuums ist jedoch mit einem apparativen Aufwand verbunden. Es sind Pumpstände erforderlich, die Reaktoren müssen gegen den Außendruck abgedichtet sein, wodurch kontinuierliche Behandlungsprozesse sehr kompliziert sind ( DE 19612270 C1 ). In der Regel werden die Prozesse im Batch-Betrieb gefahren. Diese Umstände wirken sich sehr stark auf die Kosten für die plasmachemische Modifizierung aus, so dass diese Behandlungsmethoden für industrielle Anwendungen häufig unattraktiv sind.
Für die Pulverbehandlung bei Atmosphärendruck sind nur wenige Beispiele bekannt. Hierbei kommen Wirbelschicht- und Festbettreaktoren zum Einsatz. (S. Kodama, H. Sekiguchi, Proceedings, 16. ISPC, Taormina, Italien, 22.-27.6.2003; M. Kogoma, K.Suzuki, K.Tanaka, Proceedings, 16. ISPC, Taormina, Italien, 22.-27.6.2003)
Die Plasmen, die in diesen Reaktoren bei Atmosphärendruck erzeugt werden, lassen nur die Behandlung kleiner Pulvermengen (bis zu einem Gramm) zu.
Diese Methode der Plasmabehandlung hat zwar gegenüber den Vakuumprozessen den Vorteil, dass keine Ausrüstung zur Erzeugung und Aufrechterhaltung des Vakuums benötigt wird, die Pulvermengen, die behandelt werden können, sind jedoch relativ klein. Weiterhin handelt es sich auch hier um Batch-Verfahren. Damit ist dieser Prozess uneffektiv.
Das atmosphärische Prozessplasmasystem aus EP 1259975 B1 besteht aus zwei sich gegenüberliegenden Elektroden, die einen Plasmabereich bilden und in einem gasdichten Einfassungsgehäuse angeordnet sind. In dieser Anordnung werden sowohl Werkstücke als auch Endlosfäden mit Plasma behandelt. Es eignet sich nicht zur Behandlung von Schüttgut.
DE 4423471 A1 betrifft eine Vorrichtung zur Plasmabehandlung von feinkörnigen Gütern, insbesondere Pulvern. Es ist eine evakuierbare Aufnahmeeinrichtung vorgesehen, die das zu behandelnde Gut aufnimmt, und eine elektromagnetische Einrichtung, die ein den Raum der Aufnahmeeinrichtung füllendes Gas zur Plasmabildung anregt. Die elektromagnetische Einrichtung besteht aus einem Anregungsmittel und Elektroden. Die Aufnahmeeinrichtung ist mit Mitteln versehen, die das kontinuierliche Ein- und Abführen des Guts und ein Ein- und Abführen des Prozessgases erlauben. Die Förderstrecke besteht aus einer Schwingförderstrecke, einem Drehrohr oder aus einem Schneckenförderer und ist hermetisch verschlossen ausgebildet. Die Plasmabildung bewirkende elektromagnetische Anregungseinrichtung ist an oder in der Förderstrecke angeordnet.
Ein Nachteil dieser Lösung ist, dass der hermetische Verschluss der gesamten Anlage und die evakuierbare Aufnahmeeinrichtung nur sehr aufwendig zu realisieren sind. Außerdem kann diese Einrichtung nur bei einer evakuierbaren Einrichtung angewendet werden und ist z.B. für Plasmageneratoren mit dielektrisch behinderter Entladung ohne Vakuum nicht geeignet.
Weiterhin ist es ein Nachteil des bisherigen Standes der Technik, dass während des Transports durch die Plasmazone das Behandlungsgut elektrostatisch aufgeladen wird. Aufgrund der Coulomb-Wechselwirkungen wirkt zwischen den geladenen Teilchen des Behandlungsgutes eine anziehende Kraft, die den Transport des Behandlungsgutes behindert. Vor allem Pulverteilchen mit einem Durchmesser im Mikrometerbereich haften an der Elektrode, so dass der gesamte Transport zum Stehen kommt.
[Aufgabe der Erfindung]
Diese Nachteile sollen mit der folgenden Erfindung überwunden werden.
Die Aufgabe der Erfindung ist es, eine Vorrichtung zu schaffen, die bei Atmosphärendruck einen kontinuierlichen Transport von Teilchen durch eine Plasmazone ermöglicht.
Die Lösung erfolgt durch die erfindungsgemäße Anordnung zur Oberflächenbehandlung von Schüttgut in einer Plasmazone bei Atmosphärendruck. Dabei wird eine Anordnung zur Plasmaerzeugung mit einer Förderanordnung so verbunden, dass die Grundplatte der Förderanordnung gleichzeitig Bestandteil der Anordnung zur Plasmaerzeugung ist und mit einer oxidischen Schicht oder einer Glasschicht bedeckt ist. Die Plasmaerzeugung erfolgt durch dielektrische Barrieren-Entladung oder Koronaentladung.
Eine oxidische Schicht besteht aus den Oxiden des Fe, Ti, Al, Cu, z.B. aus Fe₃O₄ oder TiO₂, oder aus Erdalkalinitraten.
In einer bevorzugten erfindungsgemäßen Ausführungsform besteht die Anordnung zur Erzeugung eines Atmosphärendruckplasmas aus der als Elektrode ausgebildeten Grundplatte und einem Dielektrikum mit einer darauf befindlichen Elektrode, wobei sich zwischen dem Dielektrikum und der Grundplatte ein Spalt befindet.
Als Förderanordnung kommen Schwing-, Blas- oder anderen Partikelförderern zum Einsatz.
Der Vorteil dieser neuen Anordnung gegenüber bisherigen besteht darin, dass der Prozess kontinuierlich bei Atmosphärendruck durchgeführt werden kann. Dieser Prozess benötigt keine Vakuumvorrichtung und ist durch die kontinuierliche Zu- und Abfuhr des Behandlungsgutes effektiver als der erwähnte diskontinuierliche Atmosphärendruckprozess.
[Beispiele]
Die Erfindung wird anhand von Zeichnungen näher erläutert. Dabei zeigt
1 Apparatur zur Erzeugung einer dielektrischen Barrieren-Entladung
2 Apparatur zur Erzeugung eines Atmosphärendruckplasmas (Draufsicht)
3 Anordnung der Apparatur zur Erzeugung einer dielektrischen Barrieren-Entladung und Schwingförderer
Die Erfindung betrifft eine Kombination aus einer Anordnung zur Plasmaerzeugung bei Atmosphärendruck und einem geeignetem Fördersystem, das in der Lage ist, zu behandelndes Schüttgut durch die Plasmazone kontinuierlich zu transportieren.
Für die Plasmaerzeugung kann die dielektrische Barrierenentladung oder die Koronaentladung genutzt werden. Als Fördersystem kommen Schwing-, Blas- oder sonstige Partikelförderer zum Einsatz.
Weiterhin muss die Elektrode, auf der das Schüttgut in der Behandlungszone bewegt wird, mit bestimmten oxidischen Materialien beschichtet sein, um die elektrostatische Anziehung zwischen Partikel und Elektrode gering zu halten und damit den Transport des Behandlungsgutes in der Plasmazone zu gewährleisten.
In der bevorzugten Ausführungsform besteht die Anordnung in einer Kombination aus einer Apparatur zur Erzeugung eines Atmosphärendruckplasmas und einer Schwingfördereinrichtung (1–3). Die Apparatur zur Erzeugung eines Atmosphärendruckplasmas besteht aus einer als Elektrode ausgeführten Grundplatte (1) (Metallplatte aus Eisenblech), einem Dielektrikum (2) aus temperaturbeständigem Glas und einer darauf befindlichen Metallelektrode (3) aus einem Nickelnetz. Zwischen der Glasplatte und der als Elektrode ausgeführten Grundplatte (1) befindet sich ein Spalt (4) von etwa 2 mm. Der Spalt wird durch zwei Abstandshalter (5) gewährleistet, die zwischen der Glas- und der Grundplatte (1) zu den Rändern hin angebracht sind. Die Glasplatte wird mit den Abstandshaltern zwischen zwei seitlich angebrachten Klemmleisten (9) und der Grundplatte durch Schraubverbindungen (8) befestigt. Die Grundplatte wird mit dem Schwingantrieb (7) verankert. Der Schwingantrieb (7) setzt die Grundplatte mit der Anordnung für die dielektrische Barrieren-Entladung in Schwingungen. Durch diese Schwingungen wird das Schüttgut durch den Spalt (4), in dem eine Gasentladung stattfindet, durch Mikrowurfbewegungen transportiert. Die Gasentladung wird durch Anlegen einer Wechselspannung an die als Elektrode ausgeführte Grundplatte (1) und der Metallelektrode (3) aus Nickelnetz auf der Glasplatte erzeugt. Während des Transports durch den Entladungsraum wird die Oberfläche des Schüttgutes (Pulver, Granulat, Fasern) modifiziert. Auf diese Weise kann das Behandlungsgut auf der einen Seite der Einrichtung kontinuierlich zu- und auf der anderen Seite wieder abgeführt werden.
Während des Transports durch die Plasmazone wird das Behandlungsgut elektrostatisch aufgeladen. Aufgrund der Coulomb-Wechselwirkungen wirkt zwischen den geladenen Teilchen des Behandlungsgutes eine anziehende Kraft, die den Transport des Behandlungsgutes behindert. Vor allem Pulverteilchen mit einem Durchmesser im Mikrometerbereich haften dann an der Grundplatte (1), so dass der gesamte Transport zum Stehen kommt. Wird dagegen die Grundplatte (1) mit einer dielektrischen Schicht (6) mit einer hohen Dielektrizitätskonstante versehen, so wird die anziehende Kraft zwischen den geladenen Teilchen und der Grundplatte geschwächt und damit der Fluss des Behandlungsgutes gewährleistet. Als dielektrische Schicht kämen hier Materialien wie Fe₃O₄, TiO₂ oder Erdalkalititanate in Frage.
Durch diese beiden Maßnahmen – mechanischer Förderung und Verringerung der Anziehungskraft zwischen den geladenen Teilchen des Behandlungsgutes – wird ein kontinuierlicher Transport von Schüttgütern gewährleistet.

1: Grundplatte
2: Dielektrikum
3: Metallelektrode
4: Spalt
5: Abstandshalter
6: Oxidische Schicht
7: Schwingantrieb
8: Befestigungsschrauben
9: Klemmleiste
10: Austritt des Behandlungsgutes
11: Bewegungsrichtung des Behandlungsgutes
12: Aufgabefläche für das Behandlungsgut

Claims

Anordnung zur Oberflächenbehandlung von Schüttgut in einer Plasmazone bei Atmosphärendruck dadurch gekennzeichnet, dass eine Anordnung zur Plasmaerzeugung mit einer Förderanordnung so verbunden ist, dass die Grundplatte (1) der Förderanordnung gleichzeitig Bestandteil der Anordnung zur Plasmaerzeugung ist und mit einer oxidischen Schicht oder einer Glasschicht bedeckt ist.
Anordnung nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, dass die Plasmaerzeugung durch dielektrische Barrieren-Entladung oder Koronaentladung erfolgt.
Anordnung nach Anspruch 1 oder 2 dadurch gekennzeichnet, dass die dielektrische Schicht aus einer oxidische Schicht (6) aus den Oxiden des Fe, Ti, Al, Cu oder aus Erdalkalinitraten besteht.
Anordnung nach Anspruch 3 dadurch gekennzeichnet, dass die oxidische Schicht aus Fe₃O₄ oder TiO₂ besteht.
Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 4 dadurch gekennzeichnet, dass die Anordnung zur Erzeugung eines Atmosphärendruckplasmas aus der als Elektrode ausgebildeten Grundplatte (1), einem Dielektrikum (2) mit einer darauf befindlichen Elektrode (3), wobei sich zwischen dem Dielektrikum (2) und der Grundplatte (1) ein Spalt (4) befindet, besteht.
Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 5 dadurch gekennzeichnet, dass als Förderanordnung Schwing-, Blas- oder anderen Partikelförderern zum Einsatz kommen.