Как работает холодная плазма: от полимеров до устранения запахов

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.

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:

В действительности промышленных приложений низкотемпературной плазмы намного больше. О некоторых из них расскажем подробней.

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.

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.

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.

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 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.

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.

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!