Chương 1 trình bày tổng quan về plasma, plasma ở áp suất khí quyển, các chế độ phóng điện của plasma, các chất màu ô nhiễm và quy trình xử lý chất màu ô nhiễm. Chương 2 trình bày thực nghiệm chế tạo hệ plasma jet và các phương pháp nghiên cứu. Chương 3 trình bày kết quả nghiên cứu chế tạo hệ plasma jet hoạt động ở áp suất khí quyển sử dụng khí mang là không khí và ozon, các ứng dụng của hệ plasma jet trong xử lý nhanh chất màu Rhodamine B. Cơ sở về plasma Plasma là một chất khí bị ion hóa có chứa các điện tử, ion, gốc tự do và các loài( spieces) mang điện tích và trung tính bị kích thích cao.
Thuật ngữ plasma do Irving Langmuir đưa ra. Plasma có thể được tạo ra bằng cách cung cấp năng lượng cho một khí trung tính để ion hóa nó. Nguồn năng lượng có thể là bức xạ nhiệt, điện và điện từ. Plasma là môi trường rất hoạt động về mặt hóa học và vật lý mặc dù trạng thái gần như trung tính của chúng.
Ý tưởng cơ bản về tạo ra plasma, thành phần, các loại được tóm tắt trong Hình 1. Tóm tắt quá trình tạo ra plasma David A. Frank-Kamenezki đã sử dụng thuật ngữ "trạng thái thứ tư của vật chất" cho plasma. 99 % Vũ trụ của chúng ta bao gồm các ngôi sao, tinh vân, không gian giữa các vì sao bao gồm plasma [8].
Hệ Mặt trời của chúng ta cũng chứa đầy plasma dưới dạng gió Mặt trời. Trên Trái đất, ngoài các phòng thí nghiệm, chúng ta có thể thấy plasma trong cuộc sống hàng ngày của chúng ta như tia chớp, đèn huỳnh quang, TV plasma, v. Trong kỹ thuật và công nghệ 5 tiên tiến, chúng ta sử dụng plasma trong hàn, cắt, kích hoạt bề mặt, chuyển hóa chất, bảo vệ môi trường, nấu chảy, đốt và phóng điện cục bộ trong kỹ thuật điện, v. Phân loại plasma Tùy thuộc vào loại năng lượng cung cấp và lượng năng lượng truyền cho plasma, các đặc tính của plasma thay đổi về nhiệt độ và mật độ điện tử [8].
Plasma trong khí quyển có thể được chia thành hai loại - plasma cân bằng nhiệt cục bộ (plasma LTE) hoặc còn gọi là plasma nhiệt và plasma cân bằng nhiệt không cục bộ (plasma không LTE) hay còn gọi là plasma lạnh. Plasma cân bằng nhiệt cục bộ (plasma nhiệt) Trong các plasma LTE, quá trình chuyển đổi và phản ứng hóa học được kiểm soát bởi các va chạm và các quá trình bức xạ. Các va chạm có thể đảo ngược vi mô, tức là kích thích đi kèm với giảm kích thích; Sự ion hóa đi kèm với sự tái tổ hợp và ngược lại để duy trì sự cân bằng động học [9]. Để có LTE, yêu cầu các gradient cục bộ của các đặc tính plasma như nhiệt độ, mật độ electron và độ dẫn nhiệt phải đủ thấp để cho phép một hạt trong plasma đạt đến trạng thái cân bằng: thời gian khuếch tán phải tương tự hoặc cao hơn thời gian hạt cần đạt trạng thái cân bằng.
Các va chạm không đàn hồi giữa các electron và các hạt nặng tạo ra các loài hoạt động trong plasma trong khi các va chạm đàn hồi làm nóng các hạt nặng và các electron mất năng lượng. Đó là lý do tại sao đối với plasma cân bằng nhiệt cục bộ hoặc plasma nhiệt, nhiệt độ của điện tử (Te), nhiệt độ của các hạt nặng (Th) và nhiệt độ tổng thể của khí (Tg) gần như giống nhau, tức là Te Th Tg 10.000 K, như chúng ta xem trong phóng điện hồ quang [8]. Plasma không cân bằng nhiệt cục bộ Trong plasma LTE, nhiệt độ của khí, các hạt nặng và electron là như nhau nhưng trong plasma không cân bằng nhiệt cục bộ (không LTE), nhiệt độ của 6 các electron (Te) cao hơn nhiều so với nhiệt độ của các hạt nặng (Th) nhưng do sự khác biệt về khối lượng rất lớn giữa các hạt nặng và electron, nhiệt độ của plasma hay nhiệt độ của khí (Tg) bị chi phối bởi nhiệt độ của các hạt nặng tức là Te >> Th Tg. Độ lệch của các plasma không LTE so với phân bố Boltzman đối với mật độ electron có thể được giải thích là do tốc độ khử kích thích electron của nguyên tử thấp hơn tốc độ kích thích electron tương ứng vì tốc độ khử bức xạ đáng kể [9].
Các electron di chuyển rất nhanh trong khi các hạt nặng gần như đứng yên so với các electron vì vậy không giống như các plasmas LTE, các plasmas không LTE có các gradient cục bộ của các đặc tính plasma như nhiệt độ, mật độ electron và độ dẫn nhiệt phải đủ cao và thời gian khuếch tán phải nhỏ hơn thời gian mà các hạt cần đạt đến trạng thái cân bằng. Trong trường hợp này, chúng ta sẽ có plasma không cân bằng. Các va chạm không đàn hồi giữa các electron và các hạt nặng là nguyên nhân dẫn đến hóa học plasma trong khi chỉ một số va chạm đàn hồi sẽ làm nóng các hạt nặng lên một chút (Th 300 - 1000 K), đó là lý do tại sao các electron vẫn có năng lượng cao (Te 10.000 K), như chúng ta xem trong phóng điện phát sáng [8]. Đó là lý do tại sao nhiệt độ tổng thể của plasma vẫn thấp (plasma lạnh).
Plasma ở áp suất khí quyển Hình 1.2 cho thấy mối quan hệ giữa nhiệt độ và áp suất và ảnh hưởng của chúng đến bản chất của plasma [10]. Khi chúng ta tăng áp suất, nhiệt độ của các điện tử và các hạt nặng cũng thay đổi và toàn bộ hệ plasma chuyển từ trạng thái cân bằng nhiệt động không cục bộ (plasma lạnh) sang trạng thái cân bằng nhiệt động cục bộ (plasma nhiệt) hay có thể nói sự chuyển từ phóng điện phát sáng sang phóng điện hồ quang. Trong vùng áp suất thấp (10⁻ 3 đến 10⁻ 1 Torr), nhiệt độ khí (Tg thấp hơn nhiều so với nhiệt độ electron (Te) (Hình 1. Mối quan hệ giữa nhiệt độ và áp suất, đối với các plasma cân bằng và không cân bằng.
Trong vùng áp suất thấp, chỉ có những va chạm không đàn hồi giữa các điện tử và các hạt nặng là nguyên nhân dẫn đến hiện tượng hóa học plasma mà không thể làm tăng nhiệt độ của các hạt nặng hoặc plasma. Khi áp suất tiếp tục tăng, sự chênh lệch giữa nhiệt độ của các electron và các hạt nặng tiếp tục giảm và cuối cùng, cả hai quá trình va chạm không đàn hồi đối với hóa học plasma và va chạm đàn hồi để tăng nhiệt độ của các hạt nặng trở nên tăng cường và plasma tiến gần đến trạng thái cân bằng nhiệt động học. Ở áp suất khí quyển, plasma gần như là plasma LTE. Mật độ công suất cao tạo ra plasma LTE (plasmas hồ quang) và nguồn cấp mật độ thấp hoặc nguồn cung cấp xung tạo ra các plasma không LTE (plasmas đồng nhất) là thời lượng xung ngắn ngăn cản việc đạt được trạng thái cân bằng [8].
Trong một plasma jet trong khí quyển, lõi plasma ở trạng thái cân bằng nhiệt động trong khi một phần ngoài ở trạng thái cân bằng phi nhiệt [8]. Các nguồn và chế độ phóng plasma ở áp suất khí quyển Để tạo ra plasma trong khí quyển, có thể sử dụng các loại nguồn khác nhau với các loại tần số khác nhau. Các nguồn này chủ yếu có thể được chia thành ba loại nguồn là phóng điện DC (dòng điện một chiều), phóng điện tần số thấp ở chế độ liên tục hoặc xung, phóng điện RF (tần số sóng vô tuyến) và phóng điện vi ba. Trong phóng điện tần số thấp DC với chế độ làm việc liên tục, chúng ta có thể có plasma hồ quang nhưng nếu chúng ta có chế độ làm việc xung, chúng ta có thể có phóng điện rào cản điện môi (DBD).
Tùy thuộc vào các thông số khác, các phóng điện này có thể ở dạng sợi hoặc phát sáng [11]. Phóng điện RF cũng có thể hoạt động với nguồn điện thấp và cao. Trong số các loại phóng điện khác nhau này, phóng điện DBD được sử dụng rộng rãi nhất. Plasma DBD Phóng điện rào cản điện môi (DBD) hoặc phóng điện im lặng hoạt động ở áp suất cao hơn khoảng 10 - 1000 kPa.
Phóng điện DBD là một loại phóng điện AC hoặc RF đặc biệt với tần số trong dải tần từ 1 đến 20 kHz. Sự phóng điện có thể được đánh lửa bằng nguồn điện hình sin hoặc nguồn điện xung [12]. Hàng rào điện môi được đặt giữa hai điện cực. Các điện cực có thể được đặt song song hoặc đồng tâm, như trong Hình 1.
Các cấu hình song song và đồng tâm của phóng điện DBD; (a), (b), (c) thể hiện sự sắp xếp các điện cực song song; (d) cho thấy cách sắp xếp các điện cực đồng tâm. 9 Các rào cản điện môi có thể chạm vào một hoặc cả hai hoặc không chạm vào bất kỳ điện cực nào (Hình 1. Thông thường có khoảng cách vài mm trong trường hợp phóng điện hàng rào điện môi nhưng không có khoảng cách trong trường hợp phóng điện bề mặt. Đôi khi, tất cả không gian giữa các điện cực được đóng kín bằng các chất điện môi (Hình 1.
Cả hai chế độ phóng điện vi sợi (filamentary) và phát sáng đều được quan sát ở áp suất khí quyển. Bản chất của phóng điện phụ thuộc vào khí làm việc hoặc hỗn hợp khí, rào cản điện môi và các điều kiện vận hành [13]. Các cấu hình điện cực khác nhau không có khoảng trống giữa các điện cực [14]. Phóng điện rào cản điện môi vi sợi Trong hầu hết các trường hợp, DBD có chế độ hoạt động đa steamer với sự hình thành của các vi phóng điện sau đó biến đổi thành các sợi nhìn thấy được.
Chúng đập vào cùng một vị trí khi phân cực thay đổi do hiệu ứng bộ nhớ và các vi phóng điện này trông giống như các sợi liên tục. 10 Khi một điện áp cao được đặt vào các điện cực, các điện tử nền hoặc điện tử đánh bật ra khỏi các hạt nặng, bắt đầu dòng thác được nhân lên được điều chỉnh bởi hệ số ion hóa Townsend α, là hàm của điện trường cảm ứng E/n trong đó E là điện trường và n là mật độ của chất khí. Sự tích tụ điện tích trong thác do điện trường mạnh đặt vào tạo ra điện trường cục bộ cho phép các phát triển treamer. Có một sự chuyển đổi thác sang streamer và sau đó streamer lan truyền trong vòng 10 ns từ cực dương sang cực âm theo hướng ngược lại với dòng thác, với tốc độ rất cao (khoảng 108 cm/s, nhanh hơn dòng thác một bậc) để bao phủ khoảng cách giữa các điện cực tính bằng nano giây [15].