استفاده از تكنولوژی پلاسمای غیرحرارتی جهت كاهش آلودگی دودكش نیروگاه

دراین مقاله ایده اصلی جهت حذف آلاینده ها, استفاده از پلاسمای غیرحرارتی است پلاسما كه در بعضی متون حالت چهارم ماده بدان اطلاق می شود توده ای است كه شامل ملكولها, یونها و الكترونها در فاز گازی است

دراین مقاله ایده اصلی جهت حذف آلاینده‌ها، استفاده از پلاسمای غیرحرارتی است. پلاسما كه در بعضی متون حالت چهارم ماده بدان اطلاق می‌شود توده‌ای است كه شامل ملكولها، یونها و الكترونها در فاز گازی است. لازم به ذكر است كه بالا بودن درجه حرارت از ویژگیهای پلاسما نیست و اتفاقاً در این بحث از پلاسمایی صحبت شده است كه دمای پایینی دارند. باید توجه داشت كه خاصیت «تخریب‌كنندگی» از ویژگی‌های توده پلاسما بشمار می‌رود كه با به كنترل درآوردن این خاصیت، می‌توان از آن در راستای اهداف مورد نظر استفاده مفید كرد. امروزه برای دو هدف می‌توان خاصیت تخریب‌كنندگی پلاسما را مهار كرده و از آن استفاده كرد، یكی از این اهداف استفاده از این ویژگی‌ پلاسما برای انجام عملیات بر سطوح مجاور پلاسما است كه به آن تاثیرات سطحی پلاسما گویند و دیگری استفاده از خواص پلاسما در كل حجم پلاسما است كه به آن تاثیرات حجمی پلاسما گویند. از نمونه‌های تاثیرات سطحی پلاسما، etch كردن سطح بردها برای ساخت تراشه‌های كامپیوتری و از نمونه‌های تاثیرات حجمی پلاسما نیز می‌توان به شكستن پیوند‌های ملكولی اشاره كرد.

در اینجا باید متذكر شد كه نیروگاهها با این فناوری می‌توانند به رویكرد جدیدی كه همانا استفاده از انرژی برق برای حذف آلاینده‌ها است، روی آورند. علت این امر سهل‌الوصول بودن انرژی برق برای نیروگاهها است. بر این اساس نیروگاهها قادر خواهند بود كه در ازاء دارا بودن مزیت انرژی برق سهل‌الوصول، از تكنولوژی‌هایی برای حذف آلاینده‌ها استفاده كنند كه سرمایه اولیه و هزینه جاری كمی داشته باشند.

● تعریف پلاسمای غیرحرارتی

پلاسما اساساً مجموعه‌ای از ذرات باردار مثبت و منفی در یك گاز خنثی است. این ذرات باردار الكترونها و یونهایی هستند كه اتمها یا ملكولها را باردار می‌سازند. در این قسمت ما با پلاسماهایی با میزان یونیزاسیون پایین سروكار داریم. این بدان معنی است كه دانسیته كلی تعداد ذرات باردار بسیار كمتر از دانسیته كلی تعداد ذرات خنثی است. به این پلاسماها شبه خنثی نیز گفته می‌شود. بدین معنی كه دانسیته كلی حاملهای بار مثبت عملاً دانسیته كلی حاملهای بار منفی است. اگر ما به یك چنین پلاسمایی از طریق اختلاف پتانسیل انرژی اعمال كنیم، این میدان الكتریكی بر ذرات باردار وارد شده و انرژی را به آنان منتقل می‌كند. البته ذرات خنثی (توده گاز) تحت تاثیر این میدان قرار نمی‌گیرند. الكترونها به دلیل سبكی وزن در زمان بین برخوردها فوراً تا سرعتهای بالا شتاب می‌گیرند.

انرژی‌ای كه آنها طی برخورد از دست می‌دهند توسط رقیب آنها جذب می‌شود. اگر فشار كم بوده و یا میدان الكتریكی قوی باشد، متوسط انرژی جنبشی الكترونها و قسمتی از یونها، بیش از انرژی مربوط به حركت تصادفی مولكولها خواهد بود. در اینجاست كه از یك پلاسمای غیرحرارتی یا غیرتعادلی صحبت به میان می‌آید. از سوی دیگر اگر فشار زیاد باشد و یا میدان الكتریكی ضعیف باشد به نحوی كه این ذرات باردار پیش از برخورد بعدی زیاد دور نشوند، ممكن است انرژی جنبشی ذرات باردار به سمت انرژی جنبشی ذرات خنثی میل كند یعنی حالت تقسیم مساوی انرژی (Equipartition) اتفاق می‌افتد. به این حالت پلاسمای حرارتی یا پلاسمای تعادلی گویند. یكی از مرسوم‌ترین پلاسماهای تعادلی، پلاسمای در دمای بالا است. در دماهای بالا تعداد برخوردهای بین ذرات بحدی زیاد می‌شود كه انرژی به طور مساوی بین تمام ذرات تقسیم می‌شود. از این رو پلاسماهای تعادلی را می‌توان پلاسمای داغ و پلاسماهای غیرتعادلی را پلاسمای سرد نامگذاری كرد.

● تخریب مولكولی

شكستن پیوندهای ملكولی اصولاً یا با هدف سنتز (ساخت) محصولات مناسب انجام می‌گیرد و یا هدف از آن حذف ملكولهای مزاحم است. از قدیمیترین روشهای سنتز به وسیله پلاسمای غیرحرارتی می‌توان به تولید ازن (مثلاً جهت ضدعفونی كردن در فرایند‌های تصفیه آب) اشاره داشت.

البته این مقاله به جنبه دیگر یعنی حذف آلودگی توسط پلاسما می‌پردازد. وضعیت از این قرار است كه پلاسماهای غیرحرارتی تولید رادیكالهای آزاد و دیگر ذرات فعالی خواهند كرد كه برای تخریب آلاینده‌ها مفید است. در حال حاضر در جهان تحقیقات وسیعی در زمینه تكنولوژیهای كاهش آلودگی هوا به كمك پلاسما در صنایع و حتی خودروها در دست انجام است تا تركیباتی از قبیل SOX و NOX كه در فاز گاز قرار دارند را حذف كنند.

در این فن‌آوری از انرژی الكتریكی جهت ایجاد مقدار زیادی رادیكالهای آزاد بسیار فعال در یك محیط گازی استفاده می‌شود و نكته اصلی آن است كه اینكار در دمای محیط انجام می‌پذیرد و اساساً این موضوع مزیت تكنولوژی پلاسماهای غیرحرارتی است.

● تولید پلاسماهای غیرتعادلی

پلاسماهای غیرتعادلی بر اساس مكانیزم بكار گرفته شده جهت تولید پلاسما، محدوده فشار و یا شكل هندسی الكترودها به گروههای مجزایی دسته‌بندی می‌شوند.

در ادامه بطور مختصر قابل ذكرترین مشخصات پنج تخلیه غیرتعادلی زیر را مورد بررسی قرار می‌دهیم:

۱) تخلیه تابشی

۲) تخلیه كرونا

۳) تخلیه بدون صدا

۴) تخلیه فركانس رادیویی (RF)

۵) تخلیه مایكروویو

● شیمی مربوط به تخلیه‌های غیرتعادلی

همانطوری كه بیان شد اساساً باید الكترونهای سریعی كه در نتیجه پلاسما بوجود آمده‌اند، واكنشهای شیمیایی پلاسما را آغاز كنند. الكترونها (e) با مولكولهای گاز M) و B) برخورد كرده و آنان را به سطح انرژی بالاتر برانگیخته كرده و انرژی خود را به همان میزان از دست می‌دهند. به دلیل وجود انرژی داخلی زیاد در این مولكولهای برانگیخته، بعضی از واكنشها آغاز می‌شود. بعنوان مثال واكنشها می‌تواند بصورت زیر باشد:

با توجه به اینكه واكنشD + e+M فقط در دماهای بالا به وقوع می‌پیوندد عملاً واكنش (۲) باعث آغاز تولید ذرات C و D خواهد شد.

هر واكنش توسط تعدادی مشخصه اصلی مثل واكنشگرها A)و M*)، محصولات C) و D)، فشار، دما، گرمای واكنش H) در فشار ثابت و U در حجم ثابت) و ضریب سرعت P، مشخص می‌شود. در واكنشهای الكترونی مثل (محصول e+B) زمانی می‌توان ضریب سرعت را مشخص كرد كه دو رابطه زیر معلوم باشند.

۱) توزیع انرژیهای الكترونی

۲) سطح مقطع ……… فرآیند

زمانی‌كه سطح مقطع به عنوان تابعی از انرژی یا سرعت بوده و به كمك حل معادله بولتزمن، تابع توزیع الكترون محاسبه شده باشد، ضریب سرعت را می‌توان از انتگرال زیر محاسبه كرد:

كه تابع توزیع انرژی الكترون بصورت زیر نرمالیزه می‌شود:

در مورد واكنش بین دو اتم یا دو مولكول، روند حل اساساً بهمین صورت است فقط در اینجا باید حركت هر دو عضو A و B مورد توجه قرار گیرد بعبارت دیگر باید متوسط توابع توزیع fA و fB بحساب آید.سمبلهایA و B برای اتمها و A۲ و B۲ برای مولكولها و e برای الكترون است. M یك شركت موقت در برخوردها است وذراتی كه با + یا – مشخص هستند بیانگر یونها هستند و ذرات برانگیخته دارای * هستند.

● قابلیت روش پلاسمای غیرحرارتی در حذف آلاینده‌ها:

در سالهای اخیر از سیستمهای مختلف پلاسمای غیرحرارتی برای حذف انواع آلاینده بهره‌ گرفته شده است. بعضی از این سیستمها در مقیاس آزمایشگاهی و نیمه صنعتی و برخی دیگر در مقیاس صنعتی ساخته و راه‌اندازی شده‌اند.

اساساً انجام تستهای آزمایشگاهی و نیمه صنعتی برای فهمیدن امكان‌پذیری تكنیك و فهم جنبه‌های فرآیندی تكنیك انجام می‌شود و سیستمهای صنعتی برای حصول به پارامترهای اقتصادی مثل هزینه سرمایه‌گذاری اولیه و هزینه جاری ایجاد می‌شوند. واحدهای صنعتی همچنین از دیدگاه مقیاس‌پذیری اصول فرآیند نیز مورد بررسی قرار می‌گیرند.

پلاسماهای غیرحرارتی قادرند گازهایی با حجم كم یا زیاد را تصفیه كنند كه این مزیت باعث خواهد شد كه این تكنولوژی برای محدوده وسیعی از فرآیندها قابل استفاده باشند. در روش پلاسمای تخلیه بدون صدا از انرژی الكتریكی جهت ایجاد مقدار زیادی رادیكالهای آزاد بسیار فعال در یك محیط گازی استفاده می‌شود و نكته اصلی آنكه در دمای محیط انجام می‌پذیرد. در ادامه این رادیكالها با آلاینده‌های موجود در جریان گاز واكنش كرده و باعث اكسیداسیون تقریباً كامل تركیبات الی به CO۲ و H۲O می‌شود و تركیباتی از قبیل كلر، گوگرد و نیتروژن نیز به HCL، H۲SO۴ و HNO۳ تبدیل خواهند شد. جالب آنكه تكنولوژی NTP قادر است بطور همزمان تعداد زیادی از آلاینده‌ها از قبیل VOC، SOx و NOx و تركیبات آلی كلرینه و سولفونه شده را كه در اغلب گازهای صنعتی وجود دارند را حذف كنند كه این یكی دیگر از مزایای این تكنولوژی است. بعلاوه این تكنولوژی قادر است كه در غلظتهای زاید (بیش از ppmv۱۰۰۰) و غلظتهای كم (كمتر از ppmv۱۰۰۰) براحتی كار كند.

همانطور كه گفته شد در پلاسمای غیرحرارتی، ذرات پلاسما در تعادل حرارتی قرار ندارند بدین معنی كه الكترونها، یونها و ذرات خنثی دارای دما و انرژی جنبشی متفاوتی هستند كه در این بین الكترونها به دلیل جرم كمتر دارای بیشترین دما هستند. الكترونهایی كه در پلاسمای غیرحرارتی وجود دارند، دارای انرژی زیادی هستند.

مهندس عبداله مصطفایی- پژوهشگاه نیرو- گروه محیط‌زیست

---