C8930 - Metody plazmochemické konzervace Výboje v plynech a kapalinách D.Pavliňák 2021 Plazma rozdělení: • Podle stupně ionizace: (Plně vs. Částečně ionizované) • Podle teploty: (Nízkoteplotní vs. Termické) • Podle teploty částic: (Izotermické vs. Neizotermické) • Podle pracovního tlaku: (Nízkotlaké vs. Atmosférické) • Další možnosti dělení: • Podle výskytu (na Zemi, ve vesmíru, v laboratoři) • Podle pracovního prostředí (v plynu, v kapalinách, ve vakuu -vesmíru) • Podle způsobu dodávaní energie (Termické, chemické, elektrické, nukleární) • Elektrické Plasma – nejčastější laboratorní a průmyslové plazma) • Podle metody (CCP, ICP, GD, DBD atd.) • Podle pracovní frekvence (AC/DC, pulzní/kons./sinus., MW, kHz, GHz) Laboratorní plazma I CCP –capacitive coupled plasma • 13,56 MHz, nízký provozní tlak • Uniformní plazma díky balastnímu efektu z sheath vrstvy • Jednoduché na konstrukci (nejčastěji používaný typ plazmatu v průmyslu) • Nízká hustota plazmatu, nízká teplota iontů CCP – etching/micromachining 4 Laboratorní plazma II ICP - Inductively coupled plasma • 27-41 MHz, stupeň ionizace až 90 %, 5 – 6000 K • Dva módy • E – kapacitní mód – nízký stupeň ionizace • H – indukční mód – vysoký stupeň ionizace ICP- MS 6 Laboratorní plazma III Microwave plasma • 2,45 GHz • Dá se generovat za nízkého i atmosférického tlaku • Generuje se ve vzácných plynech (Ar, He) • Lze dosáhnout velmi vysokých teplot plazmatu MW plazma syntézy 8 Laboratorní plazma IV DBD – výroba ozonu 10 Výboje na vzduchu - formace ozonu a NOx 11 Laboratorní plazma V Infographic - visual representation of plasma and its influence of polymers: • Plasma state, depicts here as a circle in the middle, represents the environment which is full of the various forms of energy-rich particles and radiation. It is divided according to the type of action into four parts. • Upper left corner presents the effect of short lived particles generated in plasma • Upper right corner the influence of temperature on bulk material • Bottom left corner the exposure of radiation • Bottom right corner shows the reactions caused by long lived reactive species generated after the actual discharge Výboje v kapalinách Střední vzdálenost mezi molekulami /atomy je: 0,2-0,3 nm 0,2 nm 2-3 nm Vzdálenosti pro molekulu vody: Výboje v kapalinách Propagace výboje v kapalině: 1. Iniciace 1. Elektrolýza kapaliny 2. Var a vytvoření „bubliny“ (Jouleův ohřev) 3. Kavitace kapaliny 2. Propagace - průraz 1. Primární streamer 2. Sekundární streamer 3. Průraz (jiskra) 3. Vytvoření vodivého kanálu – termalizace 4. Relaxace a zánik vodivého kanálu Primární streamer Sekundární streamer Problém: • K iniciaci výboje je zapotřebí vysokého napětí a je potřeba dodat velké množství energie (vysoké ztráty způsobené ohřevem kapaliny). • Řeší se použitím pulzních generátorů o poskytující vysoké napětí (kV) v krátkém čase. Pulzní zdroje Thyratron pulsed power supply (up to 25 kV) Výboje v kapalinách – A) Přídavek plynu Výboje v kapalinách – B) Výboje na štěrbině Pulzní zdroj – 10Hz, 50kV/10ns (á 5J na výboj)Aparatura na opracování plošné textilie pomocí výboje na štěrbině Výboje v kapalinách – B) Plazmová tryska v kapalině Výboje v kapalinách – C) Výboje nad hladinou kapaliny DBD zdroj – sinus 15 kHz, 20kVAparatura na opracování plošné textilie pomocí výboje nad hladinou kapaliny 0 W 3 W 6 W 9 W 3 W 6 W 9 W Výboje v kapalinách – D) Hladinové výboje Zvláštní případ DBD výbojů – 15kHz, 20kV Výboje v kapalinách - za atmosférického tlaku Plazmochemie - ve vodných roztocích Aplikace – čištění vody Institute of Plasma Physics - Prague Abstraction of hydrogen atoms 𝑂𝐻∙ + 𝑅𝐻 → 𝑅∙ + 𝐻2 𝑂 Electrophilic addition to double bond 𝑂𝐻∙ + 𝑅1 𝐶 = 𝐶𝑅2 → 𝑅1 𝐶𝑂𝐻 − 𝐶𝑅2 Electron transfer 𝑂𝐻∙ + R → 𝑅∙ + 𝑂𝐻− Aplikace – syntéza nanočástic Mawale, R. M., Ausekar, M. V., Pavliňák, D., Galmiz, O., Kubáček, P., & Havel, J. (2017). Laser Desorption Ionization Quadrupole Ion Trap Timeof-Flight Mass Spectrometry of Au m Fe n+/–Clusters Generated from Gold-Iron Nanoparticles and their Giant Nanoflowers. Electrochemical and/or Plasma Assisted Synthesis. Journal of The American Society for Mass Spectrometry, 28(2), 215-223. 𝐴𝑢𝐶𝑙4 − + ൗ3 2 𝑂𝐻∙ + 3𝐻2 𝑂 → 𝐴𝑢0 + ൗ3 2 𝐻2 𝑂2 + 3𝐻+ + 4𝐶𝑙− Aplikace – povrchová úprava materiálů – polymery, papír, kůže Aplikace – povrchová úprava materiálů - polymery Aplikace – povrchová úprava materiálů - polymery No treatment Plasma discharge Aplikace – povrchová úprava materiálů – polymery (Ageing effect) Aplikace – plazmochemická syntéza / modifikace Oxycelulóza – vzniká selektivní oxidací hydroxylové skupiny celulózy na uhlíku C6. Má výjimečné vlastnosti s využitím v medicíně (je baktericidní hemostatikum). Tradiční způsob oxidace celulózy. Cca 48h reakce v koncentrované směsi HNO3 + H2SO4 Aplikace – plasma/chemická syntéza „Advanced oxidation processes“ – využití reaktivního OH radikálu generovaného v plazmatu při styku s kapalinou pro selektivní oxidaci. Oxidační směs - suspenze práškové celulózy ve vodě nebo 5% roztoku H2O2. Aplikace – plasma/chemická syntéza Baktericidita připravené oxycelulózy A – voda , B- 5% H2O2, 1 - 5min, 2 - 15 min, MC – bez plazmatu (jak voda, tak 5% H2O2) Vliv Plazmatu na materiály - kovy • Čištění kovů plazmatem (laserem) • Redukce oxidů kovů H2 plazmatem Vliv Plazmatu na materiály – keramika, sklo Restaurátorské záměry a PLAZMA??? • Restaurátorský zásah: • Nesmí poškodit nebo jinak snížit hodnotu restaurovaného objektu • By měl být aplikován jen v rozumné míře • Měl by být reverzibilní • Měl by být ekonomicky přijatelný (nároky na cenu restaurování nízké) • Měl by být snadno realizovatelný (nároky na vzdělání restaurátora rozumné) • Využití plazmatu v restaurátorské praxi je proto dnes omezené jen na několika pracovištích v Evropě.