15/01/2019

Как работает холодная плазма: от полимеров до устранения запахов

15/01/2019
Как работает холодная плазма: от полимеров до устранения запахов
Вы удивитесь, но самая активно развивающаяся технология сегодня по числу готовых решений вовсе не искусственный интеллект. Холодная плазма получила десятки работающих приложений в мебельной, текстильной, пищевой промышленности, строительстве, медицине, микроэлектронике. Исследования наших партнеров демонстрируют ее высокую эффективность для решения задач по устранению неприятных запахов, обработки полимеров, экстракции полезных веществ, повышения водостойкости силикагеля и многих других.
Мы привыкли считать, что самое интересное в плане инноваций происходит в области IT: искусственный интеллект, блокчейн, самонаводящиеся роботы, умные пылесосы и соковыжималки. На самом деле, химия также не перестает удивлять, и не только в вопросе поиска новых вкусов для газировки. Химические технологии переворачивают обыденный мир вещей здесь и сейчас.

Сегодня мы поговорим об одном из таких направлений — технологиях холодной или низкотемпературной плазмы, которые используются для решения большого числа прикладных задач от производства стерильной пищевой упаковки до активации печатных плат перед нанесением покрытий в микроэлектронике. Пытливые умы найдут в нашем материале массу полезных идей для организации стартапов.

Области применения холодной плазмы

Как отдельному направлению физической химии плазмохимии уже более 200 лет. В промышленности плазменная технология начала использоваться в конце XIX века, когда компания Siemens применила ее для производства отдельных видов металлов. Широкое промышленное использование было связано с развитием микроэлектроники, когда стало ясно, что получение полупроводниковых структур субмикронных размеров невозможно без плазмохимических процессов. До недавнего времени холодная плазма активно использовалась для стерилизации чувствительных материалов.

По сравнению с традиционными плазменные процессы не требуют применения каких-либо жидких растворов и являются потенциально экологически чистыми, а также существенно менее энергоемкими.


Спектр практического использования холодной плазмы чрезвычайно широк:

1. Пищевая промышленность и сельское хозяйство:

Обеззараживание и дезинфекция поверхностей.
Производство мяса и других пищевых продуктов с пролонгированным сроком хранения.
Производство безопасной и стерильной упаковки продуктов.
Повышение эффективности удобрений и урожайности сельскохозяйственных культур.
2. Биомедицина и косметология:
Эффективная дезинфекция поверхностей, оборудования и инструментов.
Лечение ран и кожных поражений.
Регенерация кожи.
Обработка глазных линз.
Относительно недавно появились научные работы, в которых рассматриваются варианты использования низкотемпературной плазмы для лечения и протезирования зубов, применения методов на ее основе в онкологии.
3. Промышленное производство:
Активация поверхностей (в микроэлектронике, например, печатных плат).
Очистка промышленных выбросов и стоков.
Обработка компонентов бетонных смесей с целью повышения их гидрофильности для создания гомогенных растворов.
Улучшение адгезии чернил к сложным поверхностям при печати.
Обработка плазмой порошковых материалов.
Обработка текстиля для улучшения процессов окрашивания, склеивания и печати (плазма эффективно заменяет традиционные растворители).
В действительности промышленных приложений низкотемпературной плазмы намного больше. О некоторых из них расскажем подробней.
Инжиниринговый химико-технологический центр совместно со своим партнером технологической компанией «Плазматика» (г. Томск) предлагает услуги по разработке и внедрению высокотехнологичных решений производственных задач с использованием низкотемпературной плазмы атмосферного давления. Этот вариант не требует сложного и дорогостоящего оборудования для создания и поддержания разряда. Обработка различных материалов атмосферной плазмой легко встраивается в производственные процессы.

Холодная плазма и пищевое производство

В последнее десятилетие вышли десятки научных работ, описывающих эффект использования технологии холодной плазмы в пищевом производстве для мягкой и экологически безопасной стерилизации поверхностей скоропортящихся товаров: мяса, рыбы, фруктов и овощей.

Низкотемпературная плазма – отличная альтернатива традиционным методам термической иди химической обработки продуктов, поскольку оказывает минимальное воздействие на их физические, химические и питательные свойства. Другими словами, не портит их внешний вид, вкусовые качества, позволяет существенно увеличивать срок хранения.

Технология применяется в пищевой промышленности для обеззараживания продуктов, дезактивации вредных ферментов, выведения токсинов, улучшения свойств пищевой упаковки, оптимизации расходов воды.
Структура импорта (в натуральном выражении) по видам изоцианатов за 2017 год

Обработка полимеров холодной плазмой

Использование низкотемпературной плазмы дает широкие возможности для высокоинтенсивной обработки большого круга материалов, в том числе, легкоплавких. Это позволяет использовать ее для обработки пластиковых и композитных поверхностей с целью повышения адгезии наносимых на них лаков, красок, чернил и для увеличения прочности клееных соединений благодаря существенному повышению свободной энергии поверхности обработанных плазмой материалов.

В лаборатории ООО «Плазматика» было исследовано влияние обработки плазмой поверхности изделий из полипропилена, ПЭТ, ПВХ, АБС на адгезию наносимых на них красок и клея. Результаты демонстрируют устойчивое увеличение адгезионной прочности покрытий на 30-40% по сравнению с необработанными плазмой образцами.
Структура импорта (в натуральном выражении) по видам изоцианатов за 2017 год

Обработка изделий из натуральных и синтетических тканей

Возможность использования источников низкотемпературной плазмы при комнатной температуре и атмосферном давлении открывает широкие перспективы по внедрению технологических процессов с ее использованием практически в любые производственные линии без существенных дополнительных затрат.

В ООО «Плазматика» успешно проведены испытания по увеличению смачиваемости тканей полярными, неполярными, органическими, неорганическими жидкостями с целью ускорения окрашиваемости красками на водной и масляной основе.

Устранение запахов

Важное свойство низкотемпературной плазмы, связанное с ее неравновесностью, состоит в том, что температура электронов, как правило, существенно превышает температуру ионов. Взаимодействие их с рабочим газом и обрабатываемыми поверхностями ведет к повлению возбужденных состояний атомов и молекул, свободных радикалов, ионов и дополнительных электронов за счет ионизации. В результате все эти производные активно окисляют и разлагают «молекулы запахов».

Исследования подтвердили эффективность использования плазмы для существенного ослабления или устранения запахов. На основе этих работ был разработан прототип прибора, генерирующего озон и окислы азота из атмосферного воздуха в плазме барьерного разряда, который успешно устраняет запахи табака в воздухе и на одежде, пота на одежде и обуви, рыбы и лука на кухонных принадлежностях, мочи домашних животных.
При контакте плазмы с загрязненным воздухом в закрытом помещении (например, с аллергенами) проявляется очень мощный обеззараживающий эффект. Британские ученые из университета Ливерпуля разработали прибор для дома на основе технологии низкотемпературной плазмы, который поможет облегчить жизнь аллергикам. Фактически, холодная плазма — это форма ионизированного газа.
Структура импорта (в натуральном выражении) по видам изоцианатов за 2017 год

Экстракция полезных веществ из растительного сырья

При воздействии плазмы на растительные клетки возможно как повышение гидрофильности поверхности и пор, так и непосредственное повреждение клеточных мембран за счет интенсивного электрохимического воздействия разряда. Это может приводить к существенному облегчению процесса экстракции полезных компонентов из растительного сырья.

В ООО «Плазматика» проведен ряд работ по изучению влияния плазменной обработки на экстрактивность сухого растительного сырья: зверобоя, корня солодки, гриба чага, корня лопуха, чая, табака и др. Установлено, что обработка растительного сырья плазмой атмосферного давления приводит к увеличению скорости и степени экстракции водорастворимых компонентов. Это позволяет, в том числе, снизить температуру процесса экстракции и сохранить большее количество полезных веществ в готовом продукте.

Холодная плазма в ветеринарии и медицине

Особый интерес представляет применение холодной плазмы в медицине. Применение плазмы одноэлектродного барьерного разряда позволяет непосредственно обрабатывать ей поверхность живых тканей, так как почти полностью отсутствуют существенный разогрев поверхности и болевые ощущения.

В сотрудничестве с компанией «Ветплазма» на базе ветеринарной клиники ЦВУ «ИнноВет», г. Томск, проведено несколько курсов лечения животных с различными заболеваниями (гнойные раны, послеоперационные швы, дерматиты, микоспория). Результаты показали существенное сокращение сроков лечения (до двух раз), что, в том числе, позволяет снизить стоимость лечения за счет сокращения сроков приема лекарственных препаратов, часто дорогостоящих.

Помимо всех вышеперечисленных направлений использований низкотемпературной плазмы, технология хорошо зарекомендовала себя в области конверсии газообразных и жидких углеводородов в ценные компоненты (например, оксигенаты) для повышения октанового числа углеводородного топлива.
Вариантов применения холодной плазмы в промышленности масса. Технология не просто позволяет улучшать характеристики продукции, оптимизировать затраты энергии и времени, с ее помощью можно создавать уникальные, востребованные рынком товары и услуги.
ИХТЦ готов оказать научную, инжиниринговую поддержку для реализации высокотехнологичных решений задач бизнеса с использованием технологий холодной плазмы.
Если материал оказался для вас полезным - поддержите проект и поделитесь записью!
Вы можете задать любой интересующий вас вопрос, заполнив форму обратной связи, или по телефонам в разделе «Контакты».

Будем рады сотрудничеству!
Другие материалы:
Мы публикуем интересные новости о реальном секторе экономике и отвечаем на вопросы, возникающие у производственников. Подпишитесь и первым узнавайте об обновлениях:
Еще новости
Made on
Tilda