Programul:	I IDEI
Tipul proiectului:	Proiecte de cercetare exploratorie
Cod proiect:	ID_223
Nr. Contract	34 / 28.09.2007

Denumire Proiect: SISTEM PLASMO-CATALITIC PENTRU OXIDAREA TOTALA A COMPUSILOR ORGANICI VOLATILI

Etapa: Unica / 2007

Obiective prevazute: 1. selectia reactorului de plasma; 2. caracterizarea electrica a descarcarii

SINTEZA LUCRARII

Introducere

Scopul principal al proiectului este realizarea unui studiu sistematic al sistemelor plasmo-catalitice in vederea oxidarii totale a poluantilor organici din aer. Acest studiu va fi focalizat pe intelegerea interactiei intre plasma netermica si catalizatori, in vederea obtinerii unui efect sinergetic, ce poate conduce la imbunatatirea eficientei tratarii aerului.

Compusii organici volatili (VOC) emisi in atmosfera, provenind din diferite procese industriale prezinta un risc semnificativ atat pentru mediu, cat si pentru sanatate. Tehnicile conventionale pentru distrugerea acestor poluanti sunt oxidarea termica si oxidarea catalitica. Oxidarea totala a hidrocarburilor (cu formare de CO₂ si H₂O) se realizeaza tipic la temperaturi mai mari de 300 ^oC pe catalizatori metale nobile suportate sau pe catalizatori oxidici. Astfel, oxidarea catalitica a VOC necesita o cantitate considerabila de energie termica si in consecinta procesul de depoluare a aerului implica costuri de functionare ridicate pentru concentratii scazute de poluant.

Ca o potentiala alternativa la tehnicile conventionale de distrugere a VOC, in ultimii ani a fost investigata o abordare netermica, bazata pe plasme de neechilibru. Totusi, pe baza unui numar mare de rezultate experimentale, s-a constatat ca in general plasma netermica nu permite obtinerea in acelasi timp a unei conversii ridicate a VOC si a unei selectivitati convenabile fata de oxidarea totala. Formarea unor produsi de reactie nedoriti reprezinta cel mai mare dezavantaj al tratarii aerului poluat cu ajutorul plasmei, care a impiedicat aplicarea pe scara larga a acestei metode. Se spera ca prin combinarea plasmei de neechilibru si a catalizei heterogene, eficienta ridicata a activarii netermice si selectivitatea ridicata data de catalizatori adecvati vor conduce la obtinerea unui efect sinergetic. Astfel va fi posibila dezvoltarea unui sistem plasmo-catalitic cu abilitatea de a promova selectiv reactiile chimice dorite si implicit de a reduce consumul energetic pentru procesul de depoluare a aerului.

Etapa initiala a proiectului a fost dedicata selectiei reactorului de plasma si caracterizarii electrice a descarcarii. S-au avut in vedere in special descarcari cu bariera dielectrica (DBD) in geometrie cilindrica, in configuratie clasica sau packed-bed (cu material dielectric granular introdus in intreaga zona de descarcare). Au fost folosite cateva configuratii ale circuitului electric. Descarcarea a fost operata atat in regim pulsat, folosind pulsuri de tensiune inalta cu crestere rapida si durata scurta, cat si in curent alternativ, folosind tensiune sinusoidala. De asemenea, a fost efectuat un studiu comparativ, care a condus la identificarea avantajelor si dezavantajelor fiecarei configuratii de descarcare si a regimurilor de operare investigate.

Dispozitivul experimental

A fost folosita o descarcare cu bariera dielectrica (DBD) in configuratie coaxiala. Camera de descarcare este ilustrata in Figura 1. Descarcarea a fost generata intr-un reactor cilindric din cuart,

Figura 1. Configuratia camerei de reactie pentru descarcarea cu bariera dielectrica

cu diametrul exterior Fe = 22 mm si grosimea peretelui aproximativ 1.5 mm. Electrodul interior este o bara metalica plasata centrat pe axa tubului de cuart. Au fost folosite bare cu diferite diametre: Fe = 17, 13 si 9 mm, astfel incat spatiul de descarcare a fost de 1 mm, 3 mm si respectiv 5 mm. Electrodul exterior al descarcarii este o depunere de argint pe suprafata exterioara a tubului, pe o lungime de 10 cm. Din aceste dimensiuni rezulta volume de descarcare de 5.7 cm^3, 15.1 cm^3 si respectiv 22 cm^3 pentru cele trei valori ale spatiului de descarcare investigate.

Pentru configuratia packed-bed a fost folosita bara metalica de diametru 13 mm, iar spatiul de descarcare a fost umplut cu mici sfere din cuart de diametru 1 mm. Descarcarea cu bariera dielectrica a fost operata atat in regim alternativ, cat si in regim pulsat. Circuitul electric pentru descarcarea in regim alternativ (CE1) este ilustrat in Figura 2.

Figura 2. Circuitul electric CE1 pentru descarcarea cu bariera dielectrica in regim alternativ

Tensiunea sinusoidala cu frecventa de 50 Hz, generata de un transformator ridicator de tensiune, cu raportul de transformare RT = 300, a fost aplicata pe electrodul interior al reactorului de plasma, iar electrodul exterior a fost legat la masa.

Pentru generarea pulsurilor de tensiune inalta s-a folosit un circuit (CE2), bazat pe descarcarea unui condensator cu ajutorul unui comutator ce functioneaza in regim de autostrapungere, a carui schema este prezentata in Figura 3.

Figura 3. Circuitul electric CE2 pentru descarcarea cu bariera dielectrica in regim pulsat

Sursa de tensiune cu polaritate pozitiva, incarca condensatorul C1 (C = 1 nF). Acesta se descarca apoi prin comutatorul SG ce functioneaza in regim de autostrapungere, astfel generandu-se pulsurile de tensiune inalta. Tensiunea a fost masurata cu o sonda de inalta tensiune Tektronix P6015 1000:1, cu rezistenta RHVp = 100 MW, iar curentul a

fost determinat din caderea de potential pe un rezistor R₁ = 3 W legat in serie cu electrodul exterior. Curentul si tensiunea au fost monitorizate cu ajutorul unui osciloscop Tektronix TDS 320 cu banda de frecventa 100 MHz. In regimul alternativ, pentru masurarea puterii disipate in descarcare a fost folosita metoda Lissajous. In acest scop rezistorul R_C a fost inlocuit cu un condensator neinductiv C = 1 mF cu ajutorul caruia a fost masurata sarcina electrica.

Rezultate experimentale

Regim alternativ

Oscilogramele tensiunii, curentului de descarcare si sarcinii electrice pentru o tensiune de amplitudine 15 kV si pentru un spatiu de descarcare de 1 mm sunt prezentate in Figura 4.

Figura 4. Oscilograme tipice de tensiune si curent de descarcare in DBD in regim alternativ

Acestea sunt tipice pentru o descarcare filamentara. Tensiunea folosita este de forma sinusoidala. Curentul prezinta cateva pulsuri cu amplitudini de zeci-sute de mA si durate de 10-20 ns pe fiecare alternanta a tensiunii.

Puterea disipata in descarcare a fost calculata prin metoda Lissajous. Figurile Lissajous, obtinute prin reprezentarea grafica a sarcinii electrice in functie de tensiunea aplicata, sunt prezentate in Figura 5, pentru cateva valori ale tensiunii.

Figura 5. Figuri Lissajous pentru valoarea spatiului de descarcare 3 mm si amplitudini ale tensiunii aplicate in domeniul10-23 kV.

Atunci cand amplitudinea tensiunii aplicate este scazuta, reactorul de plasma se comporta pur capacitiv. Tensiunea pe spatiul de descarcare nu este suficienta pentru aprinderea descarcarii. In acest caz tensiunea si sarcina electrica sunt in faza, iar figura Lissajous este o dreapta care trece prin origine (Fig. 5 – dreapta rosie pentru V = 10 kV). Atunci cand tensiunea aplicata este suficienta pentru a produce strapungerea gazului, sarcina electrica este deplasata in faza fata de tensiune datorita pierderilor rezistive din descarcare. In acest caz figura Lissajous are forma unui paralelogram (Fig. 5 pentru V = 14 – 23 kV). Aria paralelogramului este egala cu energia

depozitata in descarcare intr-o perioada. Puterea medie disipata in descarcare poate fi calculata inmultind aceasta arie cu frecventa. Pentru o valoare constanta a spatiului de descarcare, energia pe o perioada, puterea medie si sarcina electrica totala cresc odata cu cresterea tensiunii.

Figurile Lissajous pentru cele trei valori ale spatiului de descarcare investigate (1, 3 si 5 mm) sunt ilustrate in Figura 6, pentru o amplitudine a tensiunii aplicate de 23 kV. Cu cat spatiul de descarcare este mai mare, cu atat tensiunea efectiva de strapungere este mai mare. Aceasta se observa in Fig. 6: tensiunea de strapungere este in jur de 3.3 kV pentru spatiul de descarcare de 1 mm, creste la 8 kV pentru reactorul cu 3 mm si la 11.8 kV pentru spatiul de descarcare de 5 mm.

Figura 7 prezinta puterea medie in functie de amplitudinea tensiunii pentru cele trei valori ale spatiului de descarcare utilizate. Puterea creste aproximativ liniar cu tensiunea in toate aceste cazuri, dar aceasta crestere este mai pronuntata pentru spatii de descarcare mai mari. In domeniul de tensiuni utilizat in aceste experimente puterea medie variaza intre 0.5-2.6 W pentru spatiul de descarcare de 1 mm, intre 0-3.7 W pentru 3 mm si intre 0-3.5 W pentru 5 mm.

Figura 6. Figuri Lissajous pentru valorile spatiului de descarcare de 1, 3 si 5 mm si amplitudinea tensiunii aplicate de 23 kV.

Figura 7. Puterea medie disipata in descarcare in functie de amplitudinea tensiunii, pentru valorile spatiului de descarcare de 1, 3 si 5 mm.

Caracteristicile electrice ale descarcarii in configuratia packed-bed sunt similare cu ale DBD in configuratie clasica, descrise mai sus. Figura 8 ilustreaza figurile Lissajous pentru configuratia packed-bed, pentru diferite amplitudini ale tensiunii aplicate, in domeniul 10-20 kV, iar in Figura 9 este prezentata variatia puterii medii disipate in descarcare in functie de tensiune.

Figura 6. Figuri Lissajous pentru amplitudini ale tensiunii aplicate in domeniul 10 - 20 kV in configuratia packed-bed.

Figura 7. Puterea medie disipata in descarcare in functie de amplitudinea tensiunii pentru configuratia packed-bed.

Regim pulsat

Oscilograme tipice de tensiune si curent de descarcare pentru descarcarea cu bariera dielectrica in configuratie clasica, in regim pulsat, sunt prezentate in Figura 8. In acest caz dimensiunea spatiului de descarcare a fost de 2 mm.

Figura 8. Oscilograme tipice de tensiune si curent de descarcare pentru DBD in regim pulsat

Pentru o amplitudine de aproximativ 12 kV a pulsurilor de tensiune, timpul de crestere a acestora este de 16 ns (10-90%), ceea ce corespunde unei rate de crestere a tensiunii de 0.66 kV/ns. In acest caz, pulsurile de curent au o amplitudine de 68 A si durata de 31 ns la jumatatea inaltimii. Energia pe puls a fost calculata prin integrarea produsului tensiune-curent si are o valoare de 22.9 mJ. Frecventa poate fi variata intr-un domeniu destul de larg, de la cativa Hz pana la sute de Hz. Pentru o frecventa tipica de 100 Hz, puterea disipata in descarcare este de 2.3 W.

Pentru configuratia packed-bed, oscilogramele de tensiune si curent pentru diferite valori ale tensiunii aplicate sunt ilustrate in Figura 9 pentru polaritate pozitiva si Figura 10 pentru polaritate negativa.

Figura 9. Oscilograme de tensiune si curent de descarcare pentru DBD in configuratia packed-bed, in regim pulsat, polaritate pozitiva

Figura 10. Oscilograme de tensiune si curent de descarcare pentru DBD in configuratia packed-bed, in regim pulsat, polaritate negativa

La valori scazute ale tensiunii aplicate nu are loc descarcarea (ex.: 7 kV polaritate pozitiva – curba neagra in Fig. 9; 6 kV polaritate negativa – curba neagra in Fig. 10), iar curentul este pur capacitiv. Rata de crestere a tensiunii este de 1.1-1.2 kV/ns. Curentul de descarcare creste odata cu cresterea amplitudinii pulsurilor de tensiune. Au fost obtinute pulsuri de curent cu amplitudini de pana la 68 A si durate la jumatatea inaltimii de 14-23 ns pentru polaritatea pozitiva si 22-40 ns pentru polaritatea negativa.

Figura 11 ilustreaza energia pe puls in functie de amplitudinea pulsurilor de tensiune pentru pentru descarcarea cu bariera dielectrica in configuratia packed-bed, pentru polaritate pozitiva si negativa.

Figura 11. Energia pe puls in functie de amplitudinea pulsurilor de tensiune pentru pentru DBD in configuratia packed-bed.

Energia pe puls a fost calculata ca si mai sus, prin integrarea produsului tensiune-curent. Asa cum era de asteptat, se observa cresterea energiei pe puls odata cu cresterea tensiunii. In conditiile experimentale folosite, au fost obtinute valori ale energiei de puls de maxim 40 mJ. Pentru o frecventa de repetitie a pulsurilor de 100 Hz, puterea disipata in descarcarea electrica va fi in acest caz de 4 W. La valori atat de scazute ale puterii nu se asteapta o incalzire semnificativa a gazului la trecerea prin descarcare, sau o incalzire a reactorului de plasma. Nu s-au observat diferente sensibile intre valorile energiei pe puls in functie de polaritate.

Operarea descarcarii in regim pulsat prezinta avantajul cresterii rapide a pulsurilor de tensiune (10-15 ns), comparativ cu o crestere mult mai lenta a tensiunii (5 ms) in cazul operarii in regim alternativ. Astfel, in regim pulsat microdescarcarile se produc practic simultan in intreg spatiul de descarcare si au loc la tensiuni mai mari. In regim pulsat s-a obtinut o rata de generare a ozonului superioara in comparatie cu regimul alternativ, pentru valori comparabile ale puterii disipate in descarcare, ceea ce contituie un indiciu ca reactiile chimice sunt favorizate in acest caz. Pe de alta parte, dezavantajul principal al utilizarii regimului pulsat consta in existenta zgomotului electromagnetic si necesitatea ecranarii eficiente a circuitului electric pentru a nu influenta functionarea altor dispozitive electronice din vecinatate.

In configuratia packed-bed avantajul principal fata de configuratia DBD clasica este intensificarea campului electric local la punctele de contact intre sferele de cuart introduse in spatiul de descarcare. Un alt avantaj important este posibilitatea introducerii unor catalizatori direct in zona de plasma, reactiile catalitice putand fi astfel influentate de speciile active chimic cu timp de viata scurt generate in descarcarea electrica. Pe de alta parte, catalizatorii introdusi direct in plasma pot fi contaminati datorita diferitilor produsi intermediari generati in procesul de descompunere a poluantilor, astfel durata lor de viata si eficienta lor putand fi redusa. Comportarea catalizatorilor introdusi direct in zona de descarcare comparativ cu tratamentul catalitic post-plasma, din punct de vedere al eficientei tratarii aerului, urmeaza a fi investigata in etapele ulterioare ale proiectului.

Director Proiect,

Dr. Monica MAGUREANU