Plasmaverfahren in der Umwelttechnik Ein Überblick · Plasma: Der „vierte Aggregatzustand“...
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Plasmaverfahren
in der Umwelttechnik –
Ein Überblick
Ronny Brandenburg INP Greifswald e.V. Leibniz Institut für Plasmaforschung und Technologie Forschungsschwerpukt Schadstoffabbau
VON DER IDEE ZUM PROTOTYP
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Inhalt
1 Plasmatechnologie
Begriffe und Grundlagen (Plasmaerzeugung)
Plasmatechnologie als Querschnittstechnologie
2 Plasmatechnologie als Umwelttechnologie
Anwendungsfelder
Prinzipien der Plasmachemie
Abgas- und Abluftbehandlung
Wasserbehandlung
3 Zusammenfassung und Ausblick
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Plasma: Der „vierte Aggregatzustand“
Festkörper Flüssigkeit Plasma Gas
-
+ -
+
+ +
+ -
-
-
schmelzen
verdampfen
ionisieren Ion + - Elektron
Neutrales
Mehr als 99% der sichtbaren Materie sind im Plasmazustand!
- +
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Nicht-thermisches Plasma (NTP)
Plasma:
• Physikalische Systeme, deren Eigenschaften durch freie
Ladungsträger (Elektronen, Ionen) bestimmt sind.
Nicht-thermisches Plasma (NTP):
• Thermisches-Nichtgleichgewicht der Teilchensorten
(Neutrale, Ionen, Elektronen) miteinander
• Erzeugung von Ionen und Radikalen, die nicht-
thermische chemische Reaktionskanäle ermöglichen
Behandlung thermolabiler Proben
Chemische Reaktionen bei geringer Gastemperatur
Steuerbar durch elektromagnet. Felder
Strahlungserzeugung
- +
Ion + - Elektron
Neutralteilchen
+
+
+
+
-
-
- -
+ -
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Technische Plasmaerzeugung: Gasentladung
Barrierenentladung Koronaentladung
Gas
Grounded electrode Wire electrode Grounded electrode
Dielectric electrode
High voltage
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Plasma: Querschnittstechnologie
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Plasmatechnologie ist Umwelttechnologie
Plasma ermöglicht Energie- und Ressourcen schonende Prozesse
Effiziente Plasmastrahlungsquellen mit langer Lebensdauer
Effiziente Oberflächenbearbeitungsprozesse
(UV-Strahlungsquellen, Oberflächenaktivierung)
Plasmabrenner für Abgase und Müllverbrennung
Abgase, Müllverbrennung, Pyrolyse (Vergasung)
Plasmagestützte Erzeugung von aktiven Stoffen (z.B. Ozon)
Trinkwasseraufbereitung
Bleichmittel
Abbau von Schadstoffen (plasma- und photochemische Reaktionen)
Abgasbehandlung (Saure Gase, Rußpartikel, …)
Elektrostatische Abscheider („Elektrofilter“)
Abluftbehandlung (Flüchtige organische Verbindungen, Gerüche, …)
Wasserbehandlung
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Partikelfiltration: Elektrofilter
Voltage: 30–80 kV
Down to 1 μm diameter
Up to 300.000 Nm3/h
M. Bank „Basiswissen Umwelttechnik“ 2006
ABB
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Plasmachemie
Barrierenentladung mit Mikroentladungen
1. Durchbruchphase (ps … ns) Elektrischer Durchbruch (Mikroentladung)
Ionisation, Dissoziation, Anregung … Bildung von Ionen, Elektronen & Radikalen
2. Reaktionsphase (µs … ms) Rekombination und Umwandlung von Ionen und Radikalen
(primären Radikale OH, O sekundäre Radikale O3, HO2, …)
Oxidation der Schadstoffe
Oberflächenreaktionen (Aktivierung, Strukturveränderung)
3. Nachreaktionsphase (ms … s) Diffusion, Wärme- und Stofftransport, chemische Reaktionen
Bildung von Aerosloen
Adsorption
Chemische Reaktionen durch Reaktionsvermittler
Gas
Nachbehandlung
Gas Gas
Reaktionsvermittler
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Elektronenstrahlverfahren
A.G. Chmielewski et al; INCT Warschau; Kraftwerk “Pomorzany” Stettin/PL 10
270.000 Nm3/h of flue gas
SO2 removal efficiency above 95%
NOx removal efficiency above 70%
Dose up to 10 kGy
NO NO2 HNO3 NH4NO3
SO2 HSO3 H2SO4 (NH4)2SO4
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Plasma-basierte Katalyse (DeNOx)
Projekt: ERA-MARTEC: “Plasma based catalytic treatment of diesel exhaust”, gef. durch das BMWi
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Partikelfiltration: Ionenwind und Rußabbau
S. Müller, et al.; Plasmas and Polymers, 2007 M. Okubo et al.; Thin Solid Films, 2006
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VOCs und Gerüche
Volatile Organic Compounds (VOCs)
Methan (CH4) und non-methane VOC (NMVOC)
Umweltschädlich (Treibhauseffekt; Ozonbildung)
Gesundheitsschädlich (Sick Building Syndrom, krebseregend)
Gerüche
Schwefelverbindungen, NH3, VOCs, …
TA Luft (Erste Allgemeine Verwaltungsvorschrift zum BImSchG):
„Bei Anlagen, die bei bestimmungsgemäßem Betrieb oder wegen betrieblich bedingter
Störanfälligkeit geruchsintensive Stoffe emittieren können, sind Anforderungen zur
Emissionsminderung zu treffen … Soweit in der Umgebung einer Anlage
Geruchseinwirkungen zu erwarten sind, sind die Möglichkeiten, die Emissionen durch dem
Stand der Technik entsprechende Maßnahmen weiter zu vermindern, auszuschöpfen.”
Ostsee-Zeitung vom 6. März 2008
Biodieselwerk: Ortsrat kämpft bis zum Schluss
Der Ortsrat von Wieck/Ladebow fordert die Bürger auf, bis 31.
März Einwendungen gegen das Biodieselwerk einzureichen.
Eldena Aufmerksame Stille Dienstagabend in der „Klosterschenke“. Gut 80
Wiecker, Ladebower, Eldenaer und Bewohner des Ostseeviertels waren zur
gemeinsamen Sitzung der Ortsräte gekommen, um Flagge zu zeigen gegen
den geplanten Bau eines Biodieselwerkes im Industriehafen Ladebow. Die
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Beispiel: Abluft nach Aromatisierung
R. Rafflenbeul, Envisolve.com; Germany
ca. 10.000 Nm³/h Abluft (Anlagen bis 80.000 Nm3/h)
Indirekte Plasmabehandlung, d.h. plasmabehandelter Teilluftstrom zugemischt
Kombination mit vorgeschalteter Molekularsiebpufferstufe
Anreicherung der höhermolekularen Verbindungen
Oxidation der Geruchsstoffe, die Molekularsieb passieren
Nach bestimmter Anreicherungszeit thermische Regeneration des
Molekularsiebes (mit katalytischer Nachverbrennung)
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Beispiel Fleischverarbeitung
(“Bratstraße”) mit 8.000 Nm3/h Abluft)
Bsp.: Lebensmittelverarbeitung/Gastronomie
M. Langner; Airtec competence GmbH
Beispiel Fischverarbeitung (Industriefritteuse)
bis 20.000 Nm³/h (Feinstaub)
Drei-Stufige Systeme
Vorfilter (Staub)
Plasmastufe (Oxidation)
Aktivkohlestufe
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Einordnung/Anwendungsbereiche
Hohe Effizienz bei geringen Kontaminationen (<< 1 gCorg/Nm3)
abhängig von Stoff, Gasfluß, Temperatur, Feuchtigkeit
Gasdurchsätze bis 100.000 Nm3/h realisierbar
Wirkungsgrade: 75 … 99 %
Investitionskosten ca. 10.000 € pro 1.000 Nm3/h
Betriebskosten ca. 7 €/h (bei 50.000 Nm3/h)
H.H. Kim nach Dyer und
Mulholland, Chem. Eng.
1994
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Elektrode
Isolator
* S. Müller, R.-J. Zahn; Contributions to
Plasma Physics 47 (2007) 520-529
Mobiler NTP-Reaktor für Feldversuche
Geringer Gegendruck
Große Elektrodenoberfläche
Gute Skalierbarkeit
Barrierenentladung als Stapelreaktor*
Bis 1.000 Nm3/h Teilluftstrom
Div. Adsorber/Katalysatoren
nachschaltbar
Mobile Analytik (Elektrische
Messung, FID, FTIR) incl.
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Wasserbehandlung mit Plasmen
Gas in
Remote
Treatment
UV-
treatment
Indirect
plasma
treatment
Direct
plasma
treatment
O3
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Plasmen in Wasser
Starke aber kurze gepulste elektrische Felder und gepulste Entladungen in
Wasser ermöglichen schnelle und effiziente Entkeimung und chemische
Dekontamination von Flüssigkeiten ohne zusätzliche Chemie
Wirkung durch elektrische Felder, Strahlung (UV), chemisch aktive Moleküle und
Schockwellen
Abhängig von den Pulsparametern können Mikroorganismen entweder nur
zeitweilig inaktiviert werden, um ihre Ablagerung zu verhindern, oder auch
abgetötet werden
J. Kolb, INP Greifswald/ODU Norfolk
1cm
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0,0
20,0
40,0
60,0
80,0
100,0
120,0
0 5 10 15 20 25 30treatment time [min]
co
nc
en
tra
tio
n o
f n
itra
te
[mg
/l]
0,0
5,0
10,0
15,0
20,0
0 5 10 15 20 25 30
treatment time [min]
co
nc
en
tra
tio
n o
f h
yd
rog
en
pe
rox
ide
[mg
/l]
0,0
0,5
1,0
1,5
2,0
0 5 10 15 20 25 30treatment time [min]
co
nc
en
tra
tio
n o
f n
itri
te
[mg
/l]
2,00
3,00
4,00
5,00
6,00
7,00
8,00
0 5 10 15 20 25 30
treatment time [min]
pH
pH NO3-
NO2- H2O2
Wirkung Plasma auf Flüssigkeiten
1,00E+00
1,00E+01
1,00E+02
1,00E+03
1,00E+04
1,00E+05
1,00E+06
1,00E+07
1,00E+08
1,00E+09
0 5 10 15 20 25 30
treatment time [min]
nu
mb
er
of
via
ble
mic
roo
rga
nis
ms
1.5 ml (NaCl)
1.5 ml (PBS)
5.0 ml (NaCl)
5.0 ml (PBS)
10.0 ml (NaCl)
10.0 ml (PBS)
detection limit
109
108
107
106
105
104
103
102
101
100
HNO2-Bildung
H2O2-Bildung
kein O3-Effekt
elektr. steuerbar
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Zusammenfassung und Ausblick
Plasmaverfahren sind eine effiziente Alternative zur Behandlung
gering kontaminierter Abluftströme.
Breiter Wirkungsbereich (Saure Gase, VOC, Partikel, Mikroorganismen)
Kombination mit anderen Verfahren
Kritisch: Energieeffizienz, Selektivität und Nebenprodukte, Aerosole
Offene fundamentale Fragenstellungen müssen beantwortet werden
Verknüpfung Entladungsphysik – Plasmachemie
Physikalisch-chemische Effekte bei Wechselwirkung mit
Reaktionsvermittlern (katalysatoren, Adsorber, Flüssige Phase)
Elektrischer Durchbruch in Flüssigkeiten und Wirkungsmechanismen von
Plasmen in Flüssigkeiten
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Zusammenfassung und Ausblick
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Contact
Leibniz-Institute for Plasma Science and Technology
Adresse: Felix-Hausdorff-Str. 2, 17489 Greifswald, Germany
Telefon: +49 - 3834 - 554 300, Fax: +49 - 3834 - 554 301
E-Mail: [email protected], Web: www.inp-greifswald.de