studiul posibilitĂȚilor de utilizare a ......ca metodă de suflaj a gazului, conceput, proiectat,...
TRANSCRIPT
UNIVERSITATEA TEHNICĂ „GHEORGHE ASACHI” DIN IAȘI
FACULTATEA DE INGINERIE ELECTRICĂ, ENERGETICĂ ȘI INFORMATICĂ APLICATĂ
Ing. Ioan Ciprian Felea
STUDIUL POSIBILITĂȚILOR DE UTILIZARE A REACTORULUI DE TIP GLIDARC PENTRU BIODECONTAMINARE ÎN INSTALAȚII DE
CONDIȚIONARE A AERULUI
Rezumatul tezei de doctorat
Conducător științific:
Prof.univ.dr.ing. Eugen HNATIUC
Iași, 2019
-Rezumatul tezei de doctorat –
- 1 -
INTRODUCERE
Prezenta teză de doctorat intitulată „Studiul posibilităților de utilizare a reactorului de
tip Glidarc pentru biodecontaminare în instalații de condiționare a aerului” are în vedere
asigurarea și îmbunătățirea calității aerului furnizat într-o instalație de condiționare a aerului
către habitaclurile clădirilor dar și a vehiculelor. Subiectul tezei s-a impus în contextul în care
aplicații ce utilizează descărcările electrice de tip plasmă rece au evoluat de la depoluare și
tratare a suprafețelor către tratamente de biodecontaminare bacteriană și aplicații biomedicale.
Pentru a pune în evidență posibilitățile de decontaminare bacteriană a descărcărilor de
tip plasmă rece apelăm la un reactor Glidarc cu simetrie cilindrică ce utilizează „trecerea dublă”
ca metodă de suflaj a gazului, conceput, proiectat, executat și testat în experimentele aferente
prezentei teze.
Teza de doctorat este structurată pe 5 capitole din care ultimul se referă la concluzii și
include contribuțiile personale cât și perspective de dezvoltare ulterioară a cercetării.
În primul capitol, denumit „Descărcări electrice. Plasma rece”, se fac referiri la
descărcările electrice de tip plasmă rece, fenomenele de ionizare și deionizare din coloana
descărcării electrice stabilind caracterul de plasmă rece a acesteia. Se prezintă un tabel
comparativ cu principalii parametri ai diferitelor descărcări electrice de tip plasmă rece.
Cunoașterea speciior active generate de plasma rece permite, prin reacţiile şi efectele
lor tipice acestora, alegerea convenabilă a descărcărilor electrice de tip plasmă rece
performante pentru o aplicație dată.
Capitolul al doilea, intitulat „Reactoare cu plasmă rece”, prezintă stadiul actual al
utilizării descărcărilor electrice de tip plasmă rece la diverse tratamente de depoluare a aerului
și soluțiilor, adaptarea acestor descărcări electrice și alegerea convenabilă a unui tip de reactor
corespunzător unei aplicații preconizate. Tratamente actuale de biodecontaminare bacteriană și
tratare a țesuturilor vii confirmă și în prezent interesul cercetătorilor atât pentru utilizarea
descărcărilor de tip plasmă rece cât și pentru realizarea unor noi reactoare cu plasmă rece.
Menționăm că experimentele cu privire la tratamentele cu plasmă rece efectuate în
diferite laboratoare ale lumii confirmă fezabilitatea acestora. În prezent se pune cu acuitate
trecerea de la probarea fezabilitătții la trecerea utilizării la scară largă a unor asemenea
descărcări electrice.
-Rezumatul tezei de doctorat –
- 2 -
Un alt aspect se referă la multitudinea de reactoare cu plasmă rece ce impun definirea
unor indicatori de calitate care să permită aprecierea calității și a performanțelor acestora cât şi
compararea diferitelor variante constructive. Indicatorii de calitate permit și optimizarea
construcţiei acestora, precum şi alegerea corectǎ a parametrilor de funcționare: debit de gaz de
suflaj, puterea nominală, energie specifică.
S-a observat cǎ utilizarea unor reactoare de tip Glidarc cu descărcare volumică cu
simetrie plană a electrozilor cît şi a celor cu simetrie cilindrică, se dovedeşte fezabilă și
oportună din punct de vedere al eficienției tratamentelor preconizate.
Pentru soluția de prepare a PAW (Power Activated Water) „in batch” s-a propus o
soluție de optimizare a instalației din punct de vedere al volumului de apă tratat pentru o șarjă
astfel încât volumul total de PAW obținut într-o oră să fie maximǎ.
Capitolul trei al prezentei teze de doctorat, denumit „Caracterizarea reactoarelor cu
plasmă rece”, urmărește în principal caracterizarea corectǎ din punct de vedere al ingineriei
electrice a unor reactoare cu plasmă rece, definind puterea medie a descărcării și indicatorii de
calitate (randament, energie specifică etc.) astfel încât compararea performanţelor dar şi
evaluarea posibilitǎţilor de optimizare a acestora, corespunzător cerințelor impuse de un anumit
tratament, ceea ce facilitează alegerea justă a acestora.
Ca exemplu, propunând un algoritm de calcul inedit şi folosind o achiziţie de date ce se
referă la evoluţia în timp a tensiunii la bornele descărcării, ud(t), respectiv a curentului ce
parcurge descărcarea, i(t), se determină puterile (instantanee, maximă şi medie) ale acesteia,
pentru diferite reactoare de tip GlidArc. Determinarea puterilor pe baza datelor achiziționate
permit autorului evaluarea indicatorilor de calitate principali, energia specifică, ws , cât și
randamentul, η, facilitând compararea unor asemenea dispozitive și alegerea variantei optime
de reactor pentru tratamente de biodecontaminare.
Cunoașterea timpului de tratare permite evaluarea energiei consumate și deci a costului
tratamentului preconizat, aspect important mai ales la trecerea de la fezabilitate la aplicarea la
scare largă a unor asemenea tratamente.
Caracterizarea reactoarelor cu plasmă rece conform ingineriei electrice a confirmat
opțiunea pentru utilizarea reactorului GlidArc de construcţie originală, cu dublă trecere a
gazului de suflaj prin zona descărcării electrice, pentru efectuarea experimentelor de
decontaminare bacteriană.
-Rezumatul tezei de doctorat –
- 3 -
Capitolul patru, se referă la „Confirmări experimentale” și prezintă rezultatele
tratamentelor de biodecontaminare bacteriană folosind descărcări electrice de tip Glidarc
produse într-un reactor cu dublǎ trecere a gazului de suflaj prin zona de descǎrcare, care a fost
inclus într-un stand experiemental.
Acest stand (de fapt o incintă etanșă) asigură recircularea aerului contaminat cu bacterii
prin zona descărcărilor electrice și prelevarea probelor pentru evaluarea eficacitǎţii
tratamentului de decontaminare bacterianǎ.
Descărcările electrice de tip plasmă rece produse cu reactorul Glidarc cu simetrie
cilindrică și dublă trecere a gazului de suflaj permit obținerea PAW (Power Activated Water),
astfel confirmând metoda de tratare indirectă, cu PAW pentru decontaminare bacteriană.
Se poate spune astfel că cercetarea efectuatǎ confirmă premisele folosirii descărcărilor
electrice pentru decontaminare bacteriană prin tratamente directe sau indirecte.
Utilizarea indicatorilor de calitate şi definirea valorilor puterii medii a descǎrcǎrilor
electrice, permite aprecierea corectă a eficacității unor asemenea tratamente.
Punerea în evidență a efectelor de decontaminare bacteriană a fost posibilă pe baza
experimentelor efectuate în Laboratorul de Chimioterapie Antimicrobiană din cadrul USAMV
Iași.
Metoda inedită de evaluare a puterilor descărcărilor electrice reactorelor cu plasmă rece
a permis evaluarea indicatorilor de calitate prezentați în capitolul al treilea iar rezultatele
obținute, corelate cu rezultatele experimentale prezentate în capitolul patru au relevat alegerea
justă a tipului de reactor Glidarc pentru tipul de tratament efectuat, oferind și o alternativă de
biodecontaminare a instalațiilor de condiționare a aerului, prin integrarea acestuia pe un astfel
de circuit, recomandat în aval de filtrul de particule.
Menționez că, în prezentul rezumat se va folosi aceeași numerotare a paragrafelor,
figurilor, relațiilor și a indicațiilor bibliografice, ca în teză.
Pentru îndrumare și suport acordat elaborării prezentei teze de doctorat, autorul își
îndreaptă recunoștința către domnul Profesor Universitar Doctor Inginer Eugen HNATIUC.
De asemenea, doresc să mulțumesc colectivului Laboratorului de Chimioterapie
Antimicrobiană din cadrul USAMV Iași și în mod special domnului Prof. Dr. Mihai Mareș care
-Rezumatul tezei de doctorat –
- 4 -
m-a sprijinit în confirmarea posibilităților de biodecontaminare bacteriană folosind descărcări
electrice de tip plasmă rece.
I.2 Tipuri de descărcări electrice. Plasma rece si caracteristici
În fizică, [70], plasma reprezintă o stare de agregare distinctă a materiei, cu proprietăţi
specifice, fiind constituită din ioni, electroni şi particule excitate sau neutre (atomi sau
molecule). Poate fi considerată ca fiind un gaz total sau parţial ionizat, care macroscopic se
manifestă ca fiind neutru din punct de vedere electric.
Datorită sarcinilor electrice libere conţinute de plasmă, aceasta conduce curentul
electric, manifestarea ei fiind puternic influenţată de prezenţa în zonă a câmpurilor magnetice.
I.2.1 Descărcări electrice
Amorsarea descărcărilor electrice este influenţată de numeroşi factori, dar presupune
de fapt ca particulele existente într-un mediu fluid să dobândească suficientă energie pentru a
trece în stare ionizată.
În cele ce urmează ne vom referi doar la situaţia în care energia primită de particulele
de fluid care se ionizează provine de la o sursă electrică de alimentare.
În Fig. I-2 se poate urmări tranziţia de la starea solidă la starea de plasmă gazoasă [2],
[3]. Presupunând că avem un corp în stare solidă, aflat într-o incintă închisă, căruia i se
furnizează suficientă energie, 0,01 eV/particulă, se obţine trecerea acestuia în stare lichidă.
Continuând acest proces de furnizare a energiei la valori mai mari, 0,1 eV/particulă, rezultă
vaporizarea completă a lichidului,
deci starea gazoasă. Dacă energia
primită creşte la valori de (1÷10)
eV/particulă, majoritatea atomilor şi a
moleculelor gazului se vor ioniza,
obţinând astfel starea de plasmă ,
formată în principiu din electroni,
ioni, particule excitate şi atomi;
temperatura asociată acestei stări este
de ordinul 104÷105 [K].
Fig. I-2 Tranziția fluid - plasmă
-Rezumatul tezei de doctorat –
- 5 -
Se poate afirma deci că plasma se manifestă sub forma unui gaz ionizat cu temperaturi
ridicate (104÷105 [K]), cu energii mari ale particulelor componente, în care se regăseşte o gamă
variată de specii active [1], [3].
Pentru a explica apariţia descărcărilor electrice se consideră un circuit electric de forma
celui din Fig. I-3, format dintr-o sursă de înaltă tensiune (SIT) şi rezistorul R, care alimentează
un tub în care se găsesc doi electrozi metalici, plasaţi la distanţa d unul de celălalt.
Ecuaţia care descrie comportarea acestui circuit este:
U0=Ud + R*I sau Ud=U0 - R*I, (I-1)
Având în vedere alura caracteristicii tensiune-curent, U(I), proprie descărcărilor
electrice în gaze, v. Fig. I-4, punctele de manifestare staţionarǎ a acestora vor fi tocmai
intersecţiile dintre aceastǎ curbǎ şi dreapta de ecuaţie Ud = Uo – R*I.
Pentru valoarea U0 a tensiunii de funcţionare la gol a sursei de alimentare, indicatǎ în
Fig. I-4, se constatǎ cǎ se pot obţine cinci situaţii de manifestare staţionară a descărcării,
corespunzând unuia dintre cele cinci puncte de intersecţie evidenţiate în figurǎ.
Fig. I-3 Schema electrică de principiu pentru obţinerea descărcărilor electrice
-Rezumatul tezei de doctorat –
- 6 -
Menţionǎm faptul cǎ zonele 1 - 4 corespund practic descărcărilor de tip plasmǎ non-
termicǎ, în timp ce zona 5 se referǎ la plasma termicǎ, numitǎ şi arc electric; se pot identifica
următoarele tipuri de descărcări electrice, numite obişnuit plasmă rece:
- descărcările de tip Corona (inclusiv descărcări de tip barieră dielectrică – DBD);
- descărcările luminiscente;
- descărcări de tip arc rampant, arc alunecător sau GlidArc (Gliding Arc).
I.2.1.1 Fenomene de ionizare în coloana descǎrcǎrii electrice
Ionizarea reprezintǎ transformarea unei particule neutre într-o pereche de purtători de
sarcină (electron + ion pozitiv). Aceastǎ transformare este condiţionată de un aport de energie,
numită energie de ionizare.
Fenomenele de ionizare prin autoemisie electronică se datoreazǎ câmpurilor electrice
cu intensităţi suficient de mari, de ordinul 3·107 V/cm, pe seama cărora particulele neutre
generează spontan perechi electron-ion pozitiv.
Densitatea de curent de autoemisie electronică, Jae, se poate evalua cu formula lui
Richardson:
Jae=A*a2*E2*e-(b/a*E), (I-2)
Fig. 1-4 Manifestarea descărcărilor electrice de regim staționar
-Rezumatul tezei de doctorat –
- 7 -
Ionizarea prin autoemisie termică este posibilă datorită creşterii locale a temperaturii
electrozilor metalici, în special a catodului, pe seama ciocnirii acestuia de cǎtre ionii pozitivi
de sarcină iniţiali, rezultaţi prin ionizările iniţiale (autoemisia electronică). Densitatea de curent
de autoemisie termică, Jat, se poate evalua cu relaţia propusǎ de acelaşi Richardson, [1], [4]:
Jat=A*T2*e-(bT
), (I-3)
Considerând cele două relaţii de mai sus, se poate accepta formula de calcul a densităţii
totale de curent datorat fenomenelor de autoemisie, Ja, de forma:
Ja=A*�T+a*E�2*e-(b
T+a*E), (I-4)
Se constată că densitatea de curent asociată fenomenelor de autoemisie are valori reduse
faţă de valorile asociate plasmei termice. Putem afirma deci că fenomenele de autoemisie sunt
caracteristice doar pentru stadiul iniţial, de amorsare a descărcărilor electrice, respectiv pentru
plasma rece.
Ionizarea prin ciocniri este fenomenul de ionizare specific etapei de dezvoltare a
descărcărilor electrice cǎtre plasma termicǎ. Pentru explicitarea acestuia se consideră doi
electrozi metalici, poziţionaţi la distanţa d unul de celǎlalt, într-o incintă ce conţine un gaz, Fig.
I-3, aceştia fiind conectaţi la o sursă de tensiune U, între ei manifestându-se un câmp electric
de intensitate E. Electronii (generaţi prin autoemisie sau cei existenţi liber în spaţiul dintre
electrozi), având sarcina electrică e = 1,6*10-19 [C], sunt acceleraţi datorită acţiunii unei forţe
de tip Coulomb, F:
E=U
d; F=e*E, (I-5)
astfel încât corespunzător masei m a acestora, (m = 9,109 * 10-31 [Kg], aceasta fiind de circa
1840 de ori mai mică decât masa unui neutron), deplasarea lor către anod se va realiza cu
acceleraţia a:
a=F
m , (I-6)
Considerând că fenomenele de descărcare prin ciocniri au loc într-un sistem
termodinamic reprezentat de zona de descărcare, având presiunea p, temperatura absolutǎ T şi
în care drumul mediu de ionizare al electronului este λi, iar drumul mediu liber al electronului
λe, sunt desigur valabile relaţiile:
-Rezumatul tezei de doctorat –
- 8 -
λi≅λe; λe×p=C=const, (I-7)
astfel încât viteza de deplasare a electronilor, dupǎ parcurgerea drumului lor mediu
liber, λe, va deveni de valoare v, iar energia cinetică a unui electron în această situaţie, Wc poate
fi calculată cu ajutorul relaţiei:
Wc=m×v2
2 , (I-8)
Pentru a realiza ionizarea prin ciocniri, sunt necesare valori suficient de mari ale vitezei
de deplasare a electronilor cǎtre anod, definite prin relaţia de mai jos, când este posibil ca
valoarea energiei cinetice a particulei, Wc, sǎ depǎşeascǎ valoarea energiei de ionizare, Wi = e
* Ui, rezultând deci:
v>�2×e×Ui
m=�2×e×E×λi
m=�2×e×U×C
m×(p×d) , (I-9)
Examinând relaţiile (I-9) se poate afirma cǎ fenomenele de ionizare prin ciocniri sunt
influenţate de sarcina specifică a electronului, (e/m), precum şi de produsul dintre presiunea p
a mediului în zona de descărcare şi distanţa d dintre electrozi (p*d).
Fenomenele de ionizare termică se manifestǎ în întregul volum de gaz dintre electrozi
şi au la bază creşterea importantǎ a temperaturii absolute a mediului în care se produce
descărcarea, T. In consecinţǎ energia cineticǎ de agitaţie termică a electronilor de masǎ m şi
vitezǎ v poate depǎşi energia de ionizare, Wi, putându-se scrie relaţii de forma:
m×v2
2=
3
2×k×T>Wi , (I-10)
Valoarea densitǎţii de curent corespunzǎtoare fenomenelor de ionizare termicǎ, Jt, se
poate evalua cu ajutorul unei relaţii de forma:
Jt=Jarc=χ×N1×E×b×q, (I-11)
χ- gradul de ionizare al gazului este definit ca raport dintre numǎrul de particule ionizate, n şi
numǎrul total de particule, N1, din unitatea de volum de gaz:
� = �
, (I-12)
-Rezumatul tezei de doctorat –
- 9 -
Fenomenele de ionizare termică depind de presiunea gazului, p şi de natura acestuia,
precizată de tensiunea de ionizare, Ui, aşa cum indică ecuaţia Eggert – Saha, ce pentru aer se
scrie sub forma:
p×χ2
1-χ2 =315,8×T2,5×e-11600×Ui
T ×10-3, (I-13)
Se poate afirma deci că factorii care influenţeazǎ manifestarea fenomenelor de ionizare
termicǎ, conform relaţiilor de mai sus, sunt: natura gazului în care are loc descǎrcarea, prin Ui,
parametrii termodinamici ai acestuia (T, p, b), natura materialului, forma electrozilor şi
intensitatea câmpului electric dintre electrozi, E, [1], [4].
I.2.1.2 Fenomene de deionizare în coloana descǎrcǎrii electrice
Fenomenele de deionizare constau în aceea că o pereche de purtători de sarcină se
neutralizează din punct de vedere electric, generând o particulă neutră, concomitent cu
eliberarea energiei primite prin fenomenul de ionizare.
Fenomenele de deionizare pot decurge prin recombinare respectiv prin difuzie.
Fenomenul de deionizare prin recombinare are loc prin neutralizarea a două particule
cu sarcini electrice contrare, cu generarea unei particule neutre şi eliberarea energiei primite în
timpul fenomenului de ionizare. Datoritǎ vitezelor de deplasare diferite ale purtătorilor de
sarcină din coloana descărcării electrice, ionii pozitivi fiind mai lenţi deoarece masa lor este
mult mai mare decât aceea a electronilor, ciocnirea directă cu recombinare este puţin probabilă..
Fenomenul de deionizare prin difuzie presupune deplasarea perechilor de purtători de
sarcină spre exteriorul coloanei de descărcare, unde apar fenomene de recombinare, în urma
cărora rezultă particule neutre şi este eliberată energia primită la ionizare. Evacuarea de energie
din coloana de plasmă indică faptul că asemenea deionizări sunt mai eficiente pentru controlul
gradului de ionizare al descărcărilor electrice.
Factorii de influenţǎ asupra fenomenelor de deionizare se dovedesc a fi aceiaşi ca în
cazul fenomenelor de ionizare, anunţând eficacitatea deosebită la modificarea acestora: astfel,
de exemplu, scăderea intensităţii ionizǎrilor va fi asociatǎ cu creşterea intensităţii deionizărilor,
pe seama creşterii valorilor presiunii gazului, p sau a vitezei fluidului de suflaj.
Dacă fenomenele de ionizare sunt în echilibru dinamic cu fenomenele de deionizare,
descărcarea electrică se manifestă staţionar, aceasta putând fi însă stabilă sau instabilă.
-Rezumatul tezei de doctorat –
- 10 -
De asemenea, pentru descărcările electrice de regim staţionar, deosebim descărcări
autonome, care se menţin chiar şi după încetarea fenomenelor iniţiale de ionizare, care au
condus la amorsarea acestora, respectiv neautonome, dacă în absenţa fenomenelor iniţiale de
ionizare descărcarea electrică încetează să se mai manifeste.
Valorile minime ale tensiunii Uo a sursei de alimentare, în funcţie de valorile produsului
(pd), pentru care descărcarea electrică amorsată poate fi autonomă sunt definite de curbele lui
Paschen, v. Fig. I-5 şi se pot calcula cu ajutorul relaţiei:
U= UiC
× (p×d)
ln (p×d)
C×ln(1+1γ)
, (I-14)
Pentru a obţine o descărcare electrică autonomă este necesar ca, pentru o valoare dată
a produsului (pd), valorile tensiunii de alimentare a sursei la gol, Uo, să depăşească valorile
tensiunii U(pd) indicate în Fig. I-5, corespunzătoare gazului în care aceasta se manifestă.
Se constată că aceste curbe, U(pd), prezintă un minim, Umin :
Umin=e×Ui×ln �1+1
γ�, (I-15)
pentru o valoare a produsului (pd)min :
(p×d)min=C×e×ln �1+1
γ� , e = 2,7812, (I-16)
Fig. I-5: Curbele lui Paschen, U(p*d), pentru diferite gaze
-Rezumatul tezei de doctorat –
- 11 -
Semnalǎm faptul cǎ în cazul aplicaţiilor care utilizeazǎ descǎrcǎri electrice, când este
de dorit ca acestea sǎ se manifeste ca descǎrcǎri autonome, care se întreţin mai uşor, este de
dorit ca punctul de funcţionare să fie în zona Uo > Umin, pentru a reduce nivelul de izolaţie al
instalaţiei şi de asemenea costurile acesteia, astfel încât zona corespunzǎtoare valorilor (pd)min
devenind foarte interesantǎ pentru asemenea situaţii.
I.2.2 Plasma rece şi caracteristici
După cum s-a precizat, descărcările electrice, pe care le numim obişnuit plasmă rece,
sunt cele de tip Corona, descărcările cu barieră dielectrică (DBD), descărcările luminiscente
respectiv cele de tip Glidarc.
În Tabelul I-1 se precizează principalii parametri pentru diferite tipuri de plasmă.
Tabel I-1: Parametrii caracteristici pentru diferite tipuri de descărcări electrice
Parametri
Tipul descărcării
Corona Impuls DBD
Luminiscent GlidARC Arc electric (Plasmă termică)
U0 [KV] (tensiunea descărcării)
>10 100 5 1 ÷ 20 30V ÷ 50V
I [A] (curentul prin descărcare)
< 10-5 < 10-3 0,1 1 10 ÷ 103
p [atm] (presiunea gazului)
≤ 1 ≤ 1 <≤ 1 1 1
T [K] (temperatura gazului)
500 500 < 500 2000 > 10000
χ (gradul de ionizare)
< 10-6 < 10-5 < 10-4 < 10-2 10-2 ÷ 1
J [A/cm2] (densitatea de curent)
10-9 10-5 10-3 1 ÷ 102 102 ÷ 104
I.3.2 Tipuri de specii şi reacţii chimice generate în plasma rece
Moleculele gazului plasmatic se regăsesc sub formă de ioni, electroni, particule
excitate, particule neutre (neîncărcate electric) şi diverse alte specii sau radicali, [16].
Identificarea acestor specii şi radicali a fost necesară în scopul evaluării influenţei lor
asupra diferitelor tratamente cu plasmă rece, pentru a completa constatarea cu privire la
spectrul larg de acţiune al acestor descărcări electrice, cu asigurarea unor tratamente selective
pentru fiecare din multitudinea de aplicaţii diverse preconizate, [45].
-Rezumatul tezei de doctorat –
- 12 -
În prezenţa unui lichid, cum este apa de exemplu, speciile şi radicalii metastabili
generaţi în urma acţiunii descărcărilor de tip plasmă rece sunt încă mai diversificate, aşa cum
se poate urmări în Fig. I-6, [49].
Speciile active şi radicalii metastabili generaţi pe seama descărcărilor de tip plasmă rece
sunt foarte reactive din punct de vedere electrochimic şi pot întreţine reacţiile tipice care pot fi
reacţii omogene sau reacţii heterogene, [16].
O altă manifestare tipică pentru utilizarea descărcărilor electrice o constituie efectul de
acidificare a unei soluții supuse tratamentului cu plasmă rece, efect unanim recunoscut în
prezent şi important în toate procesele ce presupun fenomene de oxidare, de la aspecte
ecologice legate de descompunerea materiei organice (gunoiul menajer) şi/sau curățarea
solvenților, până la aplicaţiile biomedicale sau cele de biodecontaminare bacteriană, care se
dezvoltă încă în prezent, [47], [48], [49].
Distribuția speciilor reactive care apar în cazul folosirii unei descărcări de tip plasmă
rece (Glidarc), [49], sunt exemplificate în Fig. I -7.
Fig. I-6 Plasma și componentele plasmei în interacțiunea cu mediul lichid
-Rezumatul tezei de doctorat –
- 13 -
Speciile active generate în plasma rece pot acționa, atât în mod direct cât şi în mod
indirect, asupra mediilor de tratat, evidenţiindu-se prin efecte specifice ale acestora, cum sunt
efectul de acidificare a soluțiilor tratate sau efectul de oxido – reducere, ce induc reacţiile
electrochimice utile în vederea tratării soluțiilor.
În reacțiile de oxidare a speciilor active formate în plasma rece sunt implicate atât
peroxidul de hidrogen, H2O2, cât şi RNS (specii active ale azotului). La formarea nitriților şi
mai apoi a nitraților, sunt implicați peroxinitriții.
II. REACTOARE CU PLASMĂ RECE
Reactorul cu Plasmǎ Rece (RPR), este un ansamblu care permite obţinerea unor
descǎrcǎri electrice tip plasmǎ rece, destinate unor aplicaţii diferite, împreunǎ cu toate
accesoriile aferente.
Menţionǎm faptul cǎ existǎ practic o foarte mare diversitate de asemenea dispozitive,
cu principii de funcţionare distincte şi cu parametri nominali diferiţi, astfel încât pentru a
identifica un anumit RPR utilizat pentru o anumitǎ aplicaţie, din multitudinea de variante şi
tipodimensiuni existente, la denumirea reactorului se precizeazǎ de obicei şi tipul de plasmǎ
rece utilizat. În acelaşi scop se adaugǎ uneori şi informaţii referitoare la sursa de alimentare,
mai ales cu privire la frecvenţa sau forma semnalelor electrice utilizate.
Fig. I-7: Distribuţia speciilor pentru o descǎrcare tip Glidarc la tratarea cu mediul lichid, [49].
-Rezumatul tezei de doctorat –
- 14 -
II.1. Tipuri de reactoare cu plasmă rece
Evoluţia continuǎ a aplicaţiilor RPR care folosesc descărcări electrice, a condus firesc
la realizarea de noi surse de plasmǎ rece, mereu mai performante şi mai bine adaptate
tratamentelor preconizate.
Cunoaşterea construcţiei, a principiilor de funcţionare şi a performanţelor diferitelor
tipuri de RPR este esenţialǎ atât pentru alegerea corectǎ a soluţiei de preferat pentru o aplicaţie
datǎ, cât şi pentru definirea corectǎ unor criterii de eficienţǎ pentru asemenea dispozitive.
Aceste aspecte devin încǎ mai importante în etapa actualǎ, de extindere a unor asemenea
aplicaţii, când se preconizeazǎ trecerea de la demonstrarea fezabilitǎţii tratamentelor cu plasmǎ
rece la etapa utilizǎrii lor la scarǎ largǎ, urmǎrindu-se prioritar asigurarea selectivitǎţii respectiv
a eficacitǎţii maxime a diverselor dispozitive.
Vom prezenta deci principalele tipuri de RPR, care sunt:
- reactoarele cu descǎrcǎri electrice de tip Corona;
- reactoarele cu descǎrcǎri electrice de tip DBD;
- reactoarele cu descǎrcǎri electrice de tip Glidarc.
II. 1. 3. Reactoare electrochimice de tip Glidarc
Clasificarea reactoarelor de tip Glidarc poate ţine seama de criterii diverse, deosebind:
a) dupǎ geometria descǎrcǎrii:
- reactoare GlidArc cu descărcare plană, descărcarea manifestându-se între
doi electrozi E1 şi E2, dispuşi la 180° unul faţă de celalalt, Fig. II-15;
- reactoare GlidArc cu descărcare volumică, realizată între trei sau multiplu
de trei electrozi principali, E1, E2 şi E3, dispuşi la 120°, Fig. II-16, sau între
doi electrozi cu simetrie cilindricǎ.
b) dupǎ frecvenţa sursei de alimentare:
- reactoare GlidArc de curent continuu;
- reactoare GlidArc alimentate cu impulsuri;
- reactoare GlidArc de curent alternativ, 50 [Hz];
- reactoare GlidArc de frecvenţǎ ridicatǎ, (100 – 30000) [Hz].
-Rezumatul tezei de doctorat –
- 15 -
c) dupǎ tipul sursei de alimentare:
- reactoare GlidArc monofazate;
- reactoare GlidArc trifazate.
d) dupǎ modul de circulare a gazului de suflaj:
- reactoare GlidArc fǎrǎ circulare a gazului de suflaj, în „batch”;
- reactoare GlidArc cu circulare continuǎ a gazului de suflaj.
II. 2. 2. Evoluţia reactoarelor electrochimice cu plasmă rece de tip Glidarc
Evoluţia reactoarelor de tip GlidArc a respectat tendinţele anunţate anterior, privind
ameliorarea interfeţei de transfer a speciilor active de la descǎrcarea electricǎ la mediul de
tratat, privind creşterea puterii active a descǎrcǎrii electrice utile şi respectiv necesitatea de a
adapta puterea activǎ a descǎrcǎrii la valorile nesesare pentru un tratament dat, în conformitate
cu cerinţele tot mai diverse impuse prin extinderea aplicaţiilor acestor dispozitive.
Corespunzǎtor primei tendinţe se remarcǎ preferinţa pentru construcţii de reactoare
GlidArc cu descǎrcare volumicǎ, cu 3 sau multiplu de 3 electrozi, respectiv pentru reactoarele
cu simetrie cilindricǎ, cu electrod rotativ sau cu descǎtcare electricǎ rotativǎ, v. § II. 1. 3. 1.
În cazul tratǎrii soluţiilor, ameliorarea interfeţei de transfer a speciilor active este
evidentǎ la amorsarea descǎrcǎrii electrice în lichid dar mai ales în cazul pulverizǎrii soluţiei
de tratat în gazul de suflaj, v. §II. 1. 3. 2.
Creşterea puterii electrice a descărcării are rolul de a spori populaţia de specii active
generate de descǎrcarea electricǎ şi în consecinţǎ creşte reactivitatea şi eficienţa tratamentelor.
O primǎ posibilitate în cazul reactoarelor de plasmă rece de tip Glidarc se referǎ la
creşterea puterii electrice a descărcării, Pd, prin mǎrirea debitului de gaz de suflaj, Q, însǎ valori
prea mari ale acestui debit pot conduce la întreruperea descǎrcǎrii.
O altǎ modalitate de sporire a puterii electrice a descărcării este aceea de a schimba
sursa de înaltă tensiune care alimentează reactoarele de tip Glidarc, înlocuind transformatoarele
cu flux de pierderi mărit şi caracteristicǎ de ieşire căzătoare, U(I), v. Fig. II-34a, cu
transformatoare obişnuite, cu caracteristică de ieşire rigidă, v. Fig. II-34b, când se impune însă
utilizarea raţională a unor limitatoare de curent, pentru a păstra caracterul de plasmă rece al
descărcării, [71].
-Rezumatul tezei de doctorat –
- 16 -
Elementele de limitare a valorilor curentului care parcurge descǎrcarea pot fi rezistoare,
când randamentul ansamblului sursǎ de alimentare-reactor poate ajunge la 0,45‚ (faţǎ de cca
0,1 în cazul din Fig. II-34a), respectiv bobine cu miez feromagnetic, cu avantaje privind
gabaritul dar şi diminuarea evidentă a pierderilor de putere activă, astfel încât randamentul
ansamblului poate depăşi valoarea de 0,75, [71].
Dacă se acceptă relaţia lui Ayrton, pentru evaluarea tensiunii Ud la bornele descărcării
electrice de tip GlidArc de curent continuu, (II-1):
U� = α + β ∗ δ + ���∗�� , (II-1)
în care i este curentul care parcurge descărcarea, α, β, γ şi δ - coeficienţi constanţi, iar d –
distanţa dintre electrozi, se poate evalua puterea Pd a descărcării electrice iar puterea descărcării
electrice, Pd, se poate scrie sub forma:
P� = U� ∗ i = �α + β ∗ d� ∗ i + �γ + δ ∗ d� ,( II-2)
Se remarcă faptul că pentru a creşte valorile puterii Pd putem apela fie la mărirea
valorilor curentului i, fie la creşterea distanţei d dintre electrozi.
Prima soluţie conduce la transformarea descărcării în plasmă termică, în timp ce a doua
cale implică creşterea valorilor la gol ale tensiunii sursei de alimentare, deci costuri sporite ale
izolaţiei ansamblului.
În evoluţia reactoarelor GlidArc cu simetrie cilindricǎ semnalǎm o variantǎ constructivǎ
realizatǎ în premierǎ la Universitatea Tehnicǎ „Ghe. Asachi” din Iaşi, care permite funcţionarea
Fig. II-34: Caracteristici de ieşire pentru transformatoarele de alimentare ale reactoarelor GlidArc
-Rezumatul tezei de doctorat –
- 17 -
atât în varianta de reactor electrochimic de tip Glidarc cu o „trecere simplǎ” a gazului de suflaj
prin zona descǎrcǎrii, cum se poate urmari în Fig. II-40, cât şi funcţionarea cu ”trecere dublă”
a gazului prin zona de amorsare a descărcărilor, Fig. II-41.
Pentru a impune zona de amorsare a descǎrcǎrii se foloseşte un electrod auxiliar ce
asigurǎ distanţa minimǎ dintre electrozi, a cǎrui poziţie este corelatǎ cu injecţia gazului de
suflaj.
Aspectul descǎrcǎrilor electrice în cele douǎ variante de funcţionare a dispozitivului
poate fi urmǎrit în Fig. II-42.
Fig. II-40: Reactor Glidarc cu simetrie cilindrică şi magneţi permanenţi cu „trecere simplă” a gazului prin zona de descǎrcare
Fig. II-41: Reactor Glidarc cu simetrie cilindrică şi magneţi permanenţi cu „trecere dublă” a gazului prin zona de descǎrcare
-Rezumatul tezei de doctorat –
- 18 -
II. 2. 3. Indicatori de calitate pentru reactoare electrochimice cu plasmă rece
Având în vedere varietatea impresionantǎ de reactoare cu plasmǎ rece realizate pânǎ în
prezent dar şi a celor cu descǎrcǎri electrice de tip GlidArc, care şi-au probat eficienţa prin
experimente realizate în numeroase laboratoare din întreaga lume, se pune în prezent problema
de a trece de la etapa de a demonstra fezabilitatea unor asemenea tratamente cǎtre etapa de
aplicare la scarǎ largǎ a acestora. Aceasta este o provocare inginereascǎ majorǎ, deoarece
impune identificarea unor indicatori şi parametri care sǎ permitǎ definirea unor criterii pentru
compararea diferitelor variante constructive, optimizarea construcţiei acestora, dar şi alegerea
corectǎ a reactorului potrivit pentru o anumitǎ aplicaţie.
Un prim şi important indicator de calitate pentru reactoarele cu plasmǎ rece este puterea
medie a descǎrcǎrii electrice, Pd, putându-se defini de asemenea puterea instantanee, p,
respectiv puterea maximǎ, Pmax. Menţionǎm dificultǎţile legate de mǎsurarea directǎ a acestor
puteri (cu interes deosebit totuşi pentru puterea medie), datoritǎ descǎrcǎrilor electrice ce se
manifestǎ ca un fenomen neliniar, ce genereazǎ armonici şi mai ales perturbaţii
electromagnetice, [81], [82].
Un alt indicator al reactoarelor de plasmă rece este randamentul, η, ce poate fi definit
ca fiind raportul dintre puterea medie a descărcării electrice utile, Pd şi puterea electrică
absorbită de la reţea, Pa:
η = ����
,( II-3)
Fig. II-42: Aspecte ale descărcării Glidarc pentru funcţionarea cu „trecere simplă” şi respectiv cu „trecere dublă”
-Rezumatul tezei de doctorat –
- 19 -
S-a observat faptul cǎ valorile randamentului nu sunt menţionate de obicei de
cercetǎtorii care folosesc reactoare cu plasmǎ rece, iar ca putere medie se anunţǎ adesea puterea
absorbitǎ de la reţea.
Indicatorul care anunţǎ reactivitatea gazului ce trece prin zona descǎrcǎrii electrice în
tratamentele cu plasmǎ rece este energia specificǎ, ws [J/L], definită ca fiind raportul dintre
puterea medie a descărcării electrice utile, Pd şi debitul gazului de suflaj Q [L/s].
w! = ��" ,( II-4)
Se poate defini, ca un nou parametru al reactoarelor cu plasmă rece, energia electrică
necesară pentru un tratament dat, Wd [KWh], de duratǎ τ, pentru un volum cunoscut de tratare,
V [L],
#$ = %$ ∗ & ,( II-5)
indicator ca şi energie electrică consumată pe unitatea de volum de tratat, Ed:
'$ = ()$ , ( II-6)
În ceea ce priveşte costurile energiei consumate pe durata τ a tratamentului, se poate
defini ca un nou indicator, costul pe unitate de volum de tratat, Cd:
*$ = '$ ∗ + , ( II-7)
p fiind preul unitar al energiei consumate.
Considerând valorile puterii medii a descărcării electrice, Pd şi ale energiei specifice,
ws, pentru diferite tipuri de descǎrcǎri electrice de tip plasmă rece, este posibilǎ o comparare a
acestora, aşa cum se poate urmǎri în Tabelul II-1, [1].
Tabel II-1: Indicatori de calitate pentru principalele tipuri de descǎrcǎri electrice-plasmǎ rece
Indicator de calitate
Tipul descǎrcǎrii
Corona DBD-impuls GLIDARC
Pd [W] 10-50 0,5-5 2500
ws[J/L] 10 20-30 400
-Rezumatul tezei de doctorat –
- 20 -
Se constatǎ cǎ reactoarele de tip GlidArc sunt cele mai performante prin prisma acestor
indicatori, justificând opţiunea noastrǎ pentru utilizarea acestora.
Subliniem faptul cǎ prin considerarea unor asemenea indicatori de calitate este posibilǎ
atât compararea performanţelor unor reactoare cu plasmǎ rece, chiar dacǎ funcţioneazǎ cu
descǎrcǎri electrice diferite, cât, mai ales, optimizarea construcţiei unui anumit tip de reactor.
Considerând astfel ca indicatori de calitate puterea medie a descǎrcǎrii electrice, Pd şi
energia specificǎ, ws, ambele depinzând de debitul gazului de suflaj, Q, se constatǎ cǎ în cazul
reactoarelor GlidArc monofazate cu simetrie planǎ, curbele Pd(Q) şi ws(Q), au alura indicatǎ
în Fig. II-45.
Examinând aceste curbe se constatǎ cǎ ambele prezintǎ puncte de maximum,
interesante pentru diferite experimente, însǎ pentru valori diferite ale debitului de gaz, Q1
pentru curba 2, respectiv Q2 pentru curba 1. Existǎ desigur aplicaţii pentru care este de preferat
ca puterea descǎrcǎrii sǎ fie maximǎ, şi altele care necesitǎ valori cât mai mari ale energiei
specifice.
Funcţionarea optimǎ a unui asemenea reactor GlidArc cu simetrie planǎ, se obţine când
valorile maxime ale puterii descǎrcǎrii şi energia specificǎ maximǎ se obţin pentru o aceeaşi
valoare a debitului de gaz de suflaj, deci când Q1 = Q2. Acest deziderat se poate obţine prin
considerarea unor aspecte specifice curgerii fluidelor (gazelor) prin incinta reactorului.
Fig. II-45: Cu privire la optimizarea reactorului Glidarc cu simetrie plană
-Rezumatul tezei de doctorat –
- 21 -
Considerând acum aceleaşi curbe, Pd(Q) şi ws(Q), pentru un reactor GlidArc cu simetrie
cilindricǎ şi descǎrcare electricǎ rotativǎ, v. Fig. II-46, se constatǎ cǎ valorile maxime ale
acestor indicatori de calitate se obţin pentru o aceeaşi valoare a debitului de gaz de suflaj,
putându-se afirma cǎ un asemenea dispozitiv funcţioneazǎ optim d.p.d.v. aerodinamic.
Vom prezenta acum o posibilitate de optimizare a reactoarelor GlidArc pentru
prepararea apei activate cu plasmǎ rece în „șarjǎ” sau „batch”, fǎrǎ recircularea lichidului însǎ,
Fig. II-47.
Dacǎ se noteazǎ cu Vo volumul de apǎ distilatǎ de tratat într-o şarjǎ, timpul de tratare al
acestei şarje, T [s], se poate evalua cu relaţia:
Fig. II-46: Cu privire la optimizarea reactorului Glidarc cu simetrie cilindrică
Fig. II-47: Cu privire la optimizarea unui reactor GlidArc pentru prepararea PAW
-Rezumatul tezei de doctorat –
- 22 -
T=τ0+τ1 , ( II-8)
unde τ0 reprezintǎ timpul de manevrare a instalaţiei, iar τ1 – un timp depinzând de volumul V0
de lichid de tratat, conform unei relaţii de forma:
τ1=αV0+βV02 , ( II-9)
valorile coeficienţilor α şi β putându-se determina conform experimentului efectuat.
Volumul total de PAW preparat într-o orǎ de exemplu, V, se poate calcula cu ajutorul
relaţiei:
V=N×V0 , ( II-10)
în care N este numǎrul de şarje realizate în acest timp:
N=3600
(τ0+αV0+βV02)
, ( II-11)
Considerând relaţiile (II-10) şi (II-11), rezultǎ final pentru volumul total V, o expresie
de forma:
V=3600×V0
(τ0+αV0+βV02)
, ( II-12)
Se constatǎ cu uşurinţǎ cǎ funcţia V (Vo) prezintǎ un punct de maximum pentru o
valoare V0*:
V0*=�τ0
β , ( II-13)
valoarea V0* fiind soluţie a ecuaţiei:
dV
dV0 = 0 , ( II-14)
Alura curbei V(V0) este ilustratǎ în Fig. II-48 şi
confirmǎ o valoare maximǎ pentru volumul total V ce
corespunde valorii V0*.
Fig. II-48: Cu privire la optimizarea unui reactor GlidArc
pentru prepararea PAW
-Rezumatul tezei de doctorat –
- 23 -
Atunci când studiile cu privire la diferitele aplicaţii ale descǎrcǎrilor de tip plasmǎ rece
vor considera şi protocolul de tratare, se vor identifica criterii şi cerinţe specifice, astfel încât
aceşti indicatori de calitate, ca şi aceia care vor identificaţi poate ulterior, vor permite alegerea
corectǎ a tipului de reactor pentru o aplicaţie datǎ.
Utilizarea descărcărilor electrice de tip plasmă rece pentru diferite tratamente, folosind
metoda directǎ pentru depoluarea gazelor sau a soluţiilor de exemplu, ori metoda indirectă
(pentru generarea PAW sau PAM), pentru biodecontaminare bacterianǎ sau tratarea ţesuturilor
vii, este necesară adaptarea constructivǎ şi funcţională a reactorului, la tipul de tratament ce
urmează a fi efectuat.
Principalele utilizǎri ale reactoarelor ce apeleazǎ la descărcări electrice de tip plasmă
rece, se referǎ la tratarea diverselor afecţiuni ale ţesuturilor vii, folosind metode directe sau
indirecte (cu producere de PAW sau PAM), la tratamente de depoluare a mediului, la
tratamente de biodecontaminare bacterianǎ, cât şi la procedee tehnologice de condiţionare a
suprafeţelor în vederea asigurǎrii biocompatibilitǎţii materialelor de implant sau în vederea
unor operaţiuni tehnologice ulterioare.
Analiza reactoarelor cu plasmă rece folosind indicatorii de calitate amintiţi anterior,
relevă chiar posibilităţi de optimizare a construcţiei acestora, în scopul îmbunătăţirii
performanţelor şi a mai bunei adaptǎri la cerinţele tratamentului preconizat, legate fie de
interfaţa de transfer a speciilor active cǎtre mediul de tratat, fie de necesitatea creşterii puterii
medii a descǎrcǎrii electrice, Pd, fie de utilitatea unor valori mai mari a energiei specifice, ws.
Se remarcǎ faptul cǎ utilizarea unor reactoare de tip Glidarc cu descărcare volumică cu
simetrie plană a electrozilor cît şi a celor cu simetrie cilindrică şi descǎrcare rotativǎ, se
dovedeşte beneficǎ în instalaţii de biodecontaminare.
III. CARACTERIZAREA REACTOARELOR CU PLASMĂ RECE
Alegerea corectǎ a variantei de reactor cu plasmǎ rece, din marea varietate de construcţii
existente, care permitǎ o utilizare eficientǎ pentru o aplicaţie datǎ, presupune în primul rând
caracterizarea corectǎ a unor asemenea dispozitive, pentru a le putea compara performanţele şi
a evalua posibilitǎţile de a rǎspunde optim la cerinţele de funcţionare proprii unui anumit
tratament preconizat.
-Rezumatul tezei de doctorat –
- 24 -
III. 1. Oportunitatea caracterizării reactoarelor cu plasmă rece
Plasma rece, inactivează cu eficienţă bacterii, levuri, mucegaiuri şi fungi, substanţe cu
potenţial de alertă bio–teroristă. Reactoarele electrochimice cu plasmǎ rece pot fi întrebuinţate
pentru biodecontaminare şi sterilizare a suprafeţelor, a instrumentarului medical, a apei, a
aerului, a hranei umane, a ţesuturilor vii, fără a cauza distrugerea acestora ori efecte adverse,
demonstrându-şi astfel potenţialul important în domeniile amintite.
Efectele de sterilizare atribuite plasmei reci de exemplu, sunt o consecinţǎ a acţiunii
sinergice a mai multor mecansime, ce au la bazǎ manifestarea descǎrcǎrilor electrice de acest
tip, cum ar fi obţinerea radiaţiei UV, a câmpului electric, a particulelor încărcate de tip ioni, a
speciilor active şi a radicali metastabili asociaţi.
Cunoaşterea şi înţelegerea acestor mecanisme, a rolului fiecǎrei specii şi a sinergiei ce
intervine în acţiunea lor simultanǎ, este esenţială pentru a sparge caracterul de ”black – box”
al proceselor induse, ce permit obţinerea unor tratamente eficiente de biodecontaminare,
sterilizare sau cu efecte medicale în diverse maladii.
Este deci necesarǎ o abordare multidisciplinară a cunoaşterii acestor mecansime, ceea
ce implicǎ expertize din domeniul fizicii, al chimiei, al microbiologiei, al medicinei şi ingineriei
electrice.
Până în prezent se vorbea mai ales despre caracterizarea reactoarelor electrochimice cu
descărcări electrice tip plasmă rece, pe baza expertizei corespunzǎtoare fiecǎruia din domeniile
anterior anunţate.
Astfel, fizica plasmei apreciazǎ descărcările electrice tip plasmǎ rece, identificând şi
analizând, în principal, următoarele caracteristici:
densitatea de particule ionizate ca fiind definită de concentraţia electronilor, ne,
concentraţia ionilor, ni, şi concentraţia particulelor neutre, nn;
intensitatea câmpului electric, E, depinzând de tensiunea de alimentare, de distanţa
dintre electrozi şi de geometria acestora;
temperatura electronilor, Te și temperatura ionilor, Ti care în cazul plasmelor reci
sunt inegale, Te>>Ti;
temperatura rotațională, Tr, ca fiind temeperatura ce descrie numǎrul de niveluri
de rotaţie a speciilor moleculare;
-Rezumatul tezei de doctorat –
- 25 -
temperatura vibrațională, Tv, descrisă ca fiind numărul de stări vibraţionale a
speciilor moleculare;
tensiunea de ionizare, Ui ;
lungimea Debye, λD, descrisă ca distanţa pe care sunt ecranate câmpurile electrice
externe plasmei;
Chimia, are în vedere mai ales, studierea efectelor descǎrcǎrilor de tip plasmǎ rece prin
identificarea şi analizarea compuşilor chimict generaţi de acestea (ioni, specii active, particule
excitate, radicali etc.), la interfaţa cu un gaz de suflaj sau cu un lichid de tratat, identificând şi
principalele tipuri de reacţii electrochimice care pot interveni în asemenea condiţii. Ca urmare
au rezultat următoarele::
identificarea speciilor sursă, de tipul O2, N2 și H2O;
identificarea speciilor primare, de tipul moleculelor excitate de O, N, H2O și a
radicalilor de tip hidroxil oH, oOH, oO, specii activate de tip ROS și RNS;
identificarea speciilor secundare, de tipul O2+, O+, N2
+, N+, OH-, NO2-, NO3
-, ONO2-
, H, OH, H2O2, HO2, O3, NO, NO2, ONO2H (radical hidroxil, peroxid de hidrogen,
radical peroxil);
identificarea speciilor tratate rezultate ca urmare a tratării cu plasma rece denumite și produși ai oxidării, de tipul NO2
-, NO3-, H+.
Evoluţiile tehnologice din ultimii ani au permis utilizarea unor metode speciale pentru
analiza şi studiul descǎrcǎrilor de tip plasmǎ rece, cum ar fi spectrometria sau analiza
descărcărilor electrice prin utilizarea camerelor de filmare ultrarapide (engl.” high speed
camera”).
Folosirea spectrometriei pentru studiul şi analiza plasmei reci are ca scop considerarea
unui eşantion de gaz plasmatic şi evaluarea calitativǎ şi cantitativǎ a constituenţilor produşi în
condiţii controlate. Utilizarea spectrometriei în analiza plasmei reci, ce se manifestǎ în afara
echilibrului termodinamic, a fost posibilǎ doar dupǎ perfecţionarea metodelor de achiziţie de
date şi în condiţiile acceptǎrii unor ipoteze speciale de studiu.
Analiza cu camera de filmare de mare viteză are ca scop studierea deplasării
descărcărilor de tip plasmǎ rece de-a lungul electrozilor, urmǎrirea geometriei şi a parametrilor
geometrici ai acesteia, cât şi a evoluţiei descărcării în timp, de la amorsare până la stingerea ei.
Definirea lungimii medii a descǎrcǎrii de tip GlidArc pentru o semiperioadǎ, ar permite
-Rezumatul tezei de doctorat –
- 26 -
utilizarea relaţiei lui Ayrton, pentru aprecierea comportǎrii circuitului electric în care este
montat reactorul.
O altă posibilitate de caracterizare a reactoarelor ce folosesc descărcări electrice de tip
plasmă rece răspunde unor cerinţe ale ingineriei electrice şi presupune determinarea unor
parametri specifici, cum sunt:
tensiunea la bornele descărcării electrice, Ud(i);
curentul electric care parcurge descărcarea de tip plasmă rece, i;
puterile electrice ale descărcării, instananee, p, maximă, Pmax, respectiv medie, Pm;
puterea consumată de la reţeaua de alimentare, Ps şi randamentul reactorului cu
plasmă rece, η;
spectrul de armonici şi nivelul perturbaţiilor electromagnetice asociat funcţionării
unor asemenea reactoare.
Semnalǎm faptul cǎ pentru mǎsurarea valorilor tensiunii la bornele descǎrcǎrii se
apeleazǎ obişnuit la divizoare de tensiune sau la sonde de înaltǎ tensiune asociate cu un
osciloscop, iar pentru mǎsurarea valorilor curentului ce parcurge descǎrcarea se folosesc
transformatoare de curent sau traductoare Hall, mai rar mǎsurarea directǎ cu ajutorul
ampermetrului, din cauza nivelului de izolaţie impus de sursa de alimentare de înaltǎ tensiune.
Caracterizarea electrică a reactoarelor cu descărcări de tip plasmă rece permite ca, în
condiţiile existenţei unei diversităţi impresionante de dispozitive, ce pot genera diferite tipuri
de descărcări, caracterizate prin parametri nominali diferiţi, să fie posibilă aprecierea raţionalǎ
a performanţelor, dar mai ales compararea lor, în vederea alegerii corecte a soluţiei pentru o
aplicaţie dată, considerând eventual şi indicatorii de calitate ai reactoarelor, definiţi anterior
Se consideră puterea electrică medie a descărcării, Pm = Pd, ca indicator de bază pentru
evaluarea performanţelor reactoarelor cu plasmă rece, fiind necesar însă să se precizeze şi
valorile puterii maxime ale acesteia, Pmax, respectiv ale puterii instantanee, p.
Menţionǎm faptul cǎ, la funcţionarea în curent continuu sau în curent alternativ
sinusoidal, în absenţa armonicilor, evaluarea acestor puteri este relativ simplǎ.
Astfel în cazul curentului continuu, pentru un consumator rezistiv, parcurs de curentul
Imax atunci când este alimentat de la o sursǎ având tensiunea Umax, se pot scrie relaţiile evidente:
+ = %, = %,-. = /,-. ∗ 0,-. ,(III-1)
-Rezumatul tezei de doctorat –
- 27 -
În cazul aceluiaşi consumator, care funcţioneazǎ în curent alternativ, fiind alimentat de
la o sursǎ de tensiune u(t) şi care este parcurs de curentul i(t):
1�2� = √2 ∗ / ∗ 567�82� , 6�2� = √2 ∗ 0 ∗ 567�82� , (III-2)
unde U respectiv I reprezintǎ valorile efective ale tensiunii respectiv ale curentului iar ω –
pulsaţia tensiunii sursei, expresia puterii instantanee, p, disipate pe rezistor este :
+�2� = 1�2� ∗ 6�2� = / ∗ 0 ∗ 91 − <=5�282�> , (III-3)
aceasta evoluând cu pulsaţia 2ω, între o valoare minimǎ (nulǎ) şi o valoare maximǎ, Pmax :
%,-. = 2 ∗ / ∗ 0 = /,-. ∗ 0,-. , (III-4)
Pentru a evalua puterea medie, Pm, se apeleazǎ la relaţia:
%, = 1? @ +�2�A2
B
C= 2
? @ +�2�A2BD
C= 2
? @ 1�2� ∗ 6�2�A2BD
C , �III − 5�
rezultând:
%, = / ∗ 0 = HIJKD ,(III-6)
Dacǎ se utilizeazǎ, pentru alimentarea aceluiaşi rezistor, o sursǎ ce genereazǎ un impuls
de tensiune u(t), de duratǎ τ, având de exemplu forma din Fig. III-8, cu Umax respectiv Imax
notându-se valorile maxime ale tensiunii respectiv ale curentului, se pot scrie realţiile ce
definesc succesiv, pentru aceastǎ situaţie, puterea instantanee, p:
%�2� = 1�2� ∗ 6�2� ,(III-7)
puterea maximǎ, Pmax:
%,-. = /,-. ∗ 0,-. ,(III-8)
sau puterea medie pe durata τ a impulsului, Pm:
%, = LM %,-. ,(III-9)
-Rezumatul tezei de doctorat –
- 28 -
De remarcat că pentru asemenea situaţii se mai poate defini şi puterea medie pe durata
T a ciclului, ce ţine seama de frecvenţa de repetare a impulsurilor, Pm*, parametru mai
reprezentativ pentru sursele de alimentare impulsionale:
%,∗ = & ?N ∗ %, ,(III-10)
de exemplu pentru τ = 10 [ns] şi T = 10 [µs], obţinându-se Pm* = 0,001 Pm.
Descǎrcǎrile electrice de tip plasmǎ rece reprezintǎ fenomene tipic neliniare şi inerţiale,
care genereazǎ armonici de rang superior şi perturbaţii electromagnetice în circuitele electrice
în care se manifestǎ, astfel încât mǎsurarea directǎ a puterilor nu mai este posibilǎ nici cu
aparate de mǎsurǎ analogice, nici chiar cu aparate de mǎsurǎ digitale.
Ca urmare se propune pentru aprecierea puterii medii o metodǎ proprie, originalǎ, care
are la bazǎ înregistrarea curbelor ce corespund variaţiei în timp a tensiunii la bornele
descǎrcǎrii, u(t) şi respectiv variaţiei în timp a curentului ce parcurge descǎrcarea electricǎ de
tip plasmǎ rece, i(t).
III.2.1. Definirea puterilor în descărcările electrice
Puterea instantanee, p, pentru o descărcare electrică, este în fiecare moment, datǎ de
relaţia:
+ = 1$ ∗ 6 9#> ,(III-11)
unde ud reprezintă valoarea tensiunii măsurată între electrozii reactorului, iar i - curentul prin
descărcare.
Fig. III-8: Cu privire la puterea medie pentru surse impulsionale [63]
-Rezumatul tezei de doctorat –
- 29 -
Valoarea puterii instantanee, p, se modificǎ în timp, în concordanţǎ cu variaţia tensiunii
descărcării, ud(t) şi respectiv a curentului ce parcurge descărcarea, i(t), atât în cazul surselor de
curent alternativ cât şi a celor de tip impulsional. Cea mai mare valoare a puterii instantanee
reprezintă practic puterea maximă a descǎrcǎrii electrice, Pmax [W].
Puterea medie a descărcărilor electrice poate fi evaluatǎ în mod direct doar dacǎ acestea
se manifestǎ în regim staţionar, pentru surse de alimentare de curent continuu, folosind relaţia,
[64]:
%, = /$ ∗ 0 9#> ,(III-12)
unde, Ud reprezintă tensiunea la bornele descărcării iar I, curentul prin descărcare.
Aceşti parametri sunt constanţi pentru un regim staţionar de funcţionare a descǎrcǎrii
electrice, în aceste condiţii fiind valabile relaţiile:
+ = %,-. = %, 9#> ,(III-13)
Menţionǎm faptul cǎ pentru reactoarele de tip GlidArc, gazul de suflaj injectat în zona
descǎrcǎrii electrice, produce alungiri ale acesteia, urmate de stingeri repetate şi de reamorsǎri
dupǎ fiecare stingere, deci descǎrcarea se manifestǎ într-un continuu regim dinamic, în care
intervin modificǎri ale tensiunii Ud(t), respectiv ale curentului Id(t), astfel încât relaţiile (III-12)
şi (III-13) nu sunt valabile în aceastǎ situaţie.
Similar, în cazul alimentǎrii reactorului de tip GlidArc de la o sursǎ de curent alternativ,
u(t), v. rel. (III-2), prin intermediul unui rezistor, R [Ω], cu rolul de a limita curentul din circuit,
i(t), caracterul neliniar al descǎrcǎrii electrice face ca atât tensiunea la bornele descǎrcǎrii, ud(t),
cât şi curentul ce o parcurge, id(t), sǎ evolueze periodic în timp, corespunzǎtor unor amorsǎri şi
stingeri repetate ale descǎrcǎrii, dar nesinusoidal, astfel încât ţinând seama de evoluţia în timp
a mǎrimilor ud(t) şi id(t), se pot defini doar puterile instantanee ale descǎrcǎrii, p(t), folosind o
relaţie de forma:
+�2� = 1$�2� ∗ 6$�2� ,(III-14)
Urmǎrind evoluţia puterii instantanee a descǎrcǎrii electrice în funcţie de timp, p(t), se
poate identifica cea mai mare valoare a acesteia, care este puterea maximǎ a descǎrcǎrii, Pmax.
Evaluarea puterii medii a descǎrcǎrii electrice nu se poate însǎ realiza prin mǎsurǎtoare
directǎ, fiind necesar sǎ se identifice alte soluţii pentru rezolvarea acestei probleme.
-Rezumatul tezei de doctorat –
- 30 -
În plus, pentru valori mari ale debitului gazului de suflaj, se evidenţiazǎ amorsǎri şi
stingeri repetate ale descǎrcǎrii pentru o semiperioadǎ a evoluţiei tensiunii de alimentare, când
evaluarea puterii medii a descǎrcǎrii este încǎ mai dificilǎ, [65].
III. 2. 2. Evaluarea puterii medii a descărcării electrice pentru reactorul
GlidArc
Pentru evaluarea puterii medii a descǎrcǎrilor de tip plasmǎ rece, se propune un algoritm
de calcul care considerǎ formele de undă ce descriu evoluţia în timp a tensiunii, ud(t) şi a
curentului, id(t), corespunzǎtoare descărcării electrice, v. Fig. III-9, ambele având evoluţii
periodice şi trecând simultan prin valoarea zero, în conformitate cu comportamentul rezistiv al
descărcării, în cazul unei surse de alimentare de curent alternativ.
Formele de undă obţinute cu sisteme de achiziţie a datelor pentru un reactor Glidarc
conectat la o sursă de alimentare în curent alternativ şi cu valori mici ale debitului de gaz de
suflaj, au o evoluţie similară cu cea descrisă în Fig. III-9. Valorile tensiunii Uam şi Ust corespund
amorsǎrii descărcării electrice, respectiv stingerii acesteia
Corespunzǎtor acestor curbe, se poate obţine cu uşurinǎ curba p(t), a evoluţiei în timp
a puterii instantanee, pentru o semiperioadǎ, (sau pentru o perioadǎ dacǎ cele douǎ
semiperioade nu sunt identice), cum se observǎ în Fig. III-10.
Fig. III-9: Evoluția tensiunii şi a curentului pentru o descărcare electrică de tip Glidarc, [65]
-Rezumatul tezei de doctorat –
- 31 -
Puterea electrică medie a descărcării electrice tip GlidArc, Pm, se poate obţine pornind
de la curba p(t), folosind relaţia, [63]:
%$ = %, = 1& @ +�2�A2
O
C= 2
& @ +�2�A2OD
C= 2
& @ 1�2� ∗ 6�2�A2.OD
C , �III − 15�
Pentru a evalua integrala din relaţia (III-15), vom apela la o partiţie a intervalului de
timp (0,T/2) din Fig. III-10, în „n” intervale de timp egale, de duratǎ τ :
τ=T
2n ,(III-16)
dupǎ care vom considera succesiv valorile pk ale puterilor instantanee, pentru fiecare moment
kτ, k = 0, 1, 2, ..., n.
Pentru definirea puterii medii a descǎrcǎrii, vom substitui integrala din relaţia (III-15)
cu suma Riemann, pentru valori ale puterilor p0=pn=0, rezultând:
@ p�t�dt
T/2
0
= Q Sk
n
j=0
, �III − 17�
Fig. III-10: Evoluția puterii instantanee pentru o descărcare electrică de tip Glidarc, [65]
-Rezumatul tezei de doctorat –
- 32 -
aproximarea fiind cu atât mai precisǎ cu cât valorile „n” sunt mai mari, valorile Sk putându-se
aproxima cu aria unui trapez, având bazele pk-1 şi pk, iar înǎlţimea τ :
Sk=(p
k-1+p
k)*τ
2, p
0=p
m=0 ,(III-18)
Dupǎ efectuarea calculelor, se obţine pentru evaluarea puterii medii a descǎrcǎrii
electrice de tip GlidArc, Pm = Pd, o expresie de forma:
Pm=1
n* Q pk
n-1
1
,(III-19)
unde pk reprezintă puterile instantanee definite conform partiţiei din Fig. III-10.
Subliniem faptul cǎ acest procedeu se poate aplica nu doar pentru descǎrcǎrile electrice
de tip plasmǎ rece de curent alternativ, ci pentru toate situaţiile în care dispunem de
înregistrarea curbelor u(t) respectiv i(t), iar metodele uzuale de evaluare a puterii nu se pot
utiliza.
III. 2. 3. Caracterizarea electricǎ a unor reactoare de tip GlidArc.
Confirmǎri experimentale
Măsurarea parametrilor electrici primari şi înregistrarea acestora, pentru reactoare de
tip Glidarc, a apelat la o schemǎ de forma datǎ în Fig. III-11, în care s-a utilizat un divizor
rezistiv pentru obţinerea valorilor tensiunii la bornele descǎrcǎrii, ud(t) şi un transformator de
curent pentru a evalua curentul ce parcurge descǎrcarea, id(t), [65].
Menţionǎm faptul cǎ divizorul de tensiune este de tip compensat, pentru ca timpul de
rǎspuns sǎ fie minim, parametrii electrici ai acestuia îndeplinind condiţii de forma, [66] [67]:
R1*C1=R2*C2=R3*C3=R4*C4 ,(III-20)
La măsurarea curentului, având în vedere valorile mari ale tensiunii sursei de
alimentare, s-a ales un transformator de curent, ce asigură un nivel corespunzǎtor de izolaţie,
[67]. Clasa de precizie a transformatorului de curent este între 0.02÷0,05 %, iar raportul de
transformare, ki, se poate evalua cu relaţia, [66]:
ki=I1
I2≅ n2
n1 , (III-21)
-Rezumatul tezei de doctorat –
- 33 -
unde I1 şi I2 sunt intensităţile curenţilor din circuitul primar, respectiv secundar, iar n1 şi n2
sunt numerele de spire din circuitul primar, respectiv cel secundar.
Reactoarele au fost alimentate la o sursă de înaltă tensiune de 10 [kV], care furnizează
un curent maxim de 100 [mA]. Înregistrarea parametrilor electrici, pentru fiecare tip de reactor,
s-a realizat corespunzător funcţionǎrii fără magneţi permanenţi, respectiv cu magneţi
permanenţi, considerând valori diferite ale debitului de gaz de suflaj, conform informaţiilor din
Tabelul III.2.
Fig. III-11: Schema de măsurare a curentului şi a tensiunii pentru reactoare tip Glidarc
Q[L/min] Nr. probă
15 1
25 2
30 3
40 4
50 5
Tabel III.2: Valori ale debitului de aer folosite la înregistrarea parametrilor electrici ai reactoarelor GlidArc
-Rezumatul tezei de doctorat –
- 34 -
Pentru fiecare dintre tipurile de reactoare GlidArc considerate, se înregistreazǎ curbele
ud(t) şi respectiv id(t), în condiţii de funcţionare precizate, dupǎ care se va evalua puterea
electricǎ medie a descǎrcǎrii, Pm= Pd. Este desigur posibil sǎ se evidenţieze efectul magneţilor
permanenţi asupra funcţionǎrii acestor reactoare cu plasmǎ rece, ca şi influenţa valorilor
debitului de gaz de suflaj, asupra puterilor ce caracterizeazǎ descǎrcarea electricǎ.
III. 2. 3. 1. Reactoare GlidArc cu simetrie cilindricǎ cu trecere dublǎ a
gazului
În cazul reactorului GlidArc cu simetrie cilindricǎ şi „trecere dublǎ” a gazului prin zona
descǎrcǎrii electrice, v. Fig. II-41, formele de undă înregistrate pentru ud(t) şi i(t), la
funcţionarea fǎrǎ magneţi permanenţi, pentru un debit al gazului de suflaj Q = 15 [L/min],
sunt date în Fig.III-12, urmate de graficul corespunzător evoluţiei în timp a puterii instantanee,
p(t), prezentat în Fig. III-13.
Aplicând metoda anunţată anterior de estimare a puterii medii a descǎrcǎrii electrice, v.
rel. (III-19), pentru o partiţie a semiperioadei, T/2, în n = 30000 de intervale de duratǎ τ, pentru
un debit de gaz de suflaj Q=15 [L/min], valoarea puterii medii a descărcării electrice rezultǎ
Pm=54[W], iar puterea maximă are valoarea Pmax≈ 160 [W].
Fig. III-12: Formele de undă ale curentului şi ale tensiunii, în cazul reactorului de tip Glidarc cu simetrie cilindrică cu „dublǎ trecere”, la funcţionarea fără magneţi
permanenţi, pentru un debit de gaz de suflaj Q=15 [L/min]
-Rezumatul tezei de doctorat –
- 35 -
Formele de undă pentru tensiunea şi curentul ce parcurge descărcarea, în cazul aceluiaşi
reactor de tip GlidArc cu trecere dublǎ, la funcţionarea fǎrǎ magneţi permanenţi, pentru un
debit de gaz de suflaj Q = 50 [L/min], sunt prezentate în Fig. III-20, iar evoluţia puterii
instantanee, p(t), se prezintă în graficul din Fig. III-21.
Fig. III-13: Evoluţia în timp a puterii electrice instantanene, p(t), în cazul reactorului de tip Glidarc cu simetrie cilindrică şi „trecere dublǎ”, la funcţionarea fără magneţi permanenţi, pentru un debit al gazului de suflaj de Q=15 [L/min]
Fig. III-20: Formele de undă ale curentului şi ale tensiunii, în cazul reactorului Glidarc cu simetrie cilindrică şi trecere dublǎ, la funcţionarea fără magneţi permanenţi, pentru
un debit de gaz de suflaj Q=50 [L/min]
-Rezumatul tezei de doctorat –
- 36 -
Aplicând algoritmul propus, pentru acelaşi reactor de tip GlidArc cu „trecere dublǎ”,
prin modificarea debitului gazului de suflaj la valoarea Q=50 [L/min], valoarea puterii medii
a descărcării electrice este Pm=110[W], iar puterea maximă este Pmax≈ 500 [W].
Folosind rezultatele pentru evaluarea puterii medii, Pm şi a puterii maxime a descărcării
pentru reactorul GlidArc cu „dublǎ trecere” la funcţionarea fǎrǎ magneţi permanenţi, pentru
diferitele valori ale debitului de gaz de suflaj considerate, s-au evaluat indicatorii de calitate,
definiţi în Capitolul II.2.3, prezentaţi în Tabelul III.3.
Se constată o creştere a valorilor puterii maxime, Pmax, mai pronunţată decât aceea a
puterii medii, Pm, rezultate prin creşterea debitului de gaz de suflaj, cu observaţia că energia
Fig. III-21: Evoluţia puterii electrice instantanee, p(t), în cazul reactorului Glidarc cu simetrie cilindrică şi „trecere dublǎ”, la funcţionarea fără
magneţi permanenţi, pentru un debit de gaz de suflaj Q=50 [L/min]
Q[L/min] Pmax
[W] Pm
[W] ws
[J/L] η
15 160 54 216 0.34
25 250 70 168 0.28
30 260 84 168 0.32
40 270 92 138 0.34
50 500 110 132 0.22
Tabel III. 3: Indicatori de calitate pentru reactorul Glidarc cu simetrie
cilindrică cu „dublǎ trecere”, funcţionând fără magneţi permanenţi, pentru diferite valori ale debitului gazului de suflaj, Q
-Rezumatul tezei de doctorat –
- 37 -
specifică maximă, respectiv randamentul maxim, nu corespund valorilor maxime ale puterii
medii.
Se constată din Fig. III-22 că la creșterea valorilor debitului de gaz de suflaj se obțin
valori mereu mai mari ale puterii medii a descărcării electrice, Pm, respectiv valori mai mici
ale energiei specifice. Alegerea valorii debitului de gaz de suflaj în funcționarea reactorului
ține seama de valorile energiei specifice corespunzătoare tratamentului preconizat.
Evaluarea și alegerea reactoarelor de tip plasmă rece pentru diverse aplicații se poate
face din punct de vedere al fizicii plasmei, a chimiei, microbiologiei, medicinei și ingineriei
electrice.
Utilizarea indicatorilor de calitate sunt necesari pentru compararea și analizarea
diverselor variante constructive de reactoare în scopul integrării cât mai eficiente în aplicații
de tratare și decontaminare bacteriologică.
Utilizarea unui algoritm ce se fundamentează pe studierea formelor de undă a tensiunii
ud(t) și curentului i(t) corespunzătoare descărcării electrice este o soluție pentru a analiza
evoluția în timp a puterii instantanee, p(t), a puterii maxime, Pmax și a puterii medii Pmed.
Facilitarea comparării diferitelor reactoare de tip plasmă rece, evaluând eficiența
electrică a acestora, prin intermediul indicatorilor de calitate are ca scop alegerea unei soluții
optime de reactor adaptată la aplicația de tratare.
Fig. III-22: Evoluţia puterii electrice medii, Pm, respectiv a energiei specifice, ws, în cazul reactorului Glidarc cu simetrie cilindrică şi „trecere dublǎ”, la
funcţionarea fără magneţi permanenţi, pentru diferite debite de gaz de suflaj
-Rezumatul tezei de doctorat –
- 38 -
La reactorul Glidarc cu simetrie cilindrică ce utilizează metoda ”trecerii duble” s-a
observat, odată cu introducerea unui câmp magnetic prin integrarea magneților permanenți, la
diferite debite ale gazului de suflaj, o creștere a puterii medii concomitent cu descreșterea
puterii maxime a descărcării, o creștere a energiei specifice și un randament îmbunătățit chiar
și la debite de gaz de suflaj mai mici.
În condițiile de testare anunțate s-a optat pentru alegerea din punct de vedere electric a
reactorului Glidarc cu simetrie cilindrică și injectare a gazului de suflaj utilizând ”trecerea
dublă” pentru integrarea sa în instalația de tratare și decontaminare bacteriologică.
IV. CONFIRMĂRI EXPERIMENTALE
În prezenta teză de doctorat se propune o posibilitate de biodecontaminare bacteriană a
aerului care folosește descărcări electrice de tip plasmă rece. Această soluție poate fi integrată
în instalațiile de condiționare a aerului utilizate în spații publice cât și habitacluri ale diverselor
vehicule.
Utilizarea descărcărilor electrice de tip plasmă rece cu rol în biodecontaminare poate deveni
fezabilă, acestea producând electroni excitați energetic, ce intră în coliziune cu moleculele
neutre ale amestecului de gaz care la rândul lor produc molecule de gaz în stare excitată,
molecule de gaz disociate, ioni și electroni. Acestea la rândul lor induc reacții chimice datorită
caracteristicilor proprii reactive.
Într-o perioadă relativ scurtă de timp și, mai mult în ultimul sfert de veac, aria de răspândire
a aplicațiilor și domeniilor ce folosesc descărcări electrice de tip plasmă rece s-a extins din ce
în ce mai mult. Aceasta a fost posibil datorită reactivității chimice oferită de plasma aflată în
afara echilibrului termic dar și a varietății de condiții chimico – fizice conferită prin controlul
parametrilor ce stau la baza generării descărcărilor electrice de tip plasmă rece (tensiune,
curent, putere, debit de gaz).
Datorită posibilității de control a acestor parametri ce oferă unui gaz ionizat caracterul de
plasmă rece există o varietate mare de descărcări electrice de tip plasmă rece ce sunt implicate
în diferite aplicații de tratare, biodecontaminare și securitate.
Au fost dezvoltate și integrate diferite variante constructive de reactoare electrochimice de
tip plasmă rece ce folosesc următoarele metode de tratare:
-Rezumatul tezei de doctorat –
- 39 -
Tratarea directă în cadrul căreia mediul ori suprafața de tratare este expusă în mod
direct acțiunii plasmei reci și care reprezintă o metodă de tratare în vederea
depoluării mediului, a tratării suprafețelor metalice și plastice, biodecontaminare,
tratamente medicale;
Tratarea indirectă asociată cu generarea în prealabil a ”apei activate cu plasmă”
(PAW) și a ”mediului activat cu plasmă” (PAM), care sunt aplicate ulterior în
vederea tratamentului și / sau biodecontaminării. Astfel tratarea indirectă este
preferată pentru biodecontaminare bactericidă, tratarea țesuturilor vii,
recondiționarea artefactelor și obiectelor arheologice, dar și pentru diverse aplicații
tehnologice.
Utilizarea și integrarea unui reactor electrochimic în vederea tratării folosind una din cele
două metode trebuie să țină seama de cerințe specifice tratării cu descărcări electrice de tip
plasmă rece.
Astfel, pentru tratamente în vederea depoluării mediului trebuie luate în considerație
următoarele cerințe:
timpi de tratare cât mai scurți;
tratarea în același timp cu producerea ”poluantului” (dacă este posibil);
puterea maximă a descărcării, Pmax;
distribuție volumică uniformă a speciilor active;
în cazul volumelor mari de poluanți de tratat se are în vedere posibilitatea conectării
la rețele de furnizare a energiei electrice cu valori mari ale tensiunii de alimentare;
asigurarea unei bune interfețe între speciile active și poluant.
În ceea ce privește tratarea țesuturilor vii se au în vedere următoarele cerințe:
timpi limitați de tratare pentru a evita efecte secundare ale tratamentului;
putere limitată a descărcării la suprafața de tratat (piele);
alegerea optimă a metodei de tratare, directă sau indirectă;
alegerea unor reactoare ce furnizează valori mici ale puterii necesare descărcării și
/ sau utilizarea unor surse de alimentare impulsionale.
La efectuarea tratamentelor de biodecontaminare se iau în considerație următoarele cerințe:
descreșterea puterii necesare descărcării, Pd;
-Rezumatul tezei de doctorat –
- 40 -
optimizarea timpilor de tratare;
adaptarea tratamentului de inactivare la tipul de bacterie de tratat;
îmbunătățirea interfeței de transfer între speciile create în descărcare și mediul de
tratat.
Pentru tratarea suprafețelor se va ține seama de următoarele cerințe:
alegerea puterii necesare descărcării în corelație cu proprietățile materialului de
tratat;
descreșterea timpilor de tratare;
distribuție uniformă a energiei pe suprafața de tratat.
IV.1. Tratamente directe cu plasmă rece
O soluție constructivă de instalație pentru efectuarea tratării directe cu plasmă rece, folosind
reactorul Glidarc cu simetrie cilindrică, cu injectarea gazului de suflaj prin metoda ”trecerii
duble” a fost proiectată și executată având în vedere aplicativitatea acestuia, anume integrarea
într-o instalație de condiționare a aerului. Ținând cont de acest aspect se realizează o instalație
de recirculare a aerului ilustrată schematic în Fig. IV-4
Fig. IV-4 Schema bloc a instalației de recirculare a gazului tratat direct cu reactorul Glidarc și simetrie cilindrică
1. Incintă de sticlă, ermetizată; 2. Pompă de aer cu debit constant; 3. Recuperator de gaz tratat; 4. Sursă de înaltă tensiune; 5. Reactor Glidarc cu simetrie cilindrică; 6. Aparat de aerosolizare
-Rezumatul tezei de doctorat –
- 41 -
Utilizarea și integrarea reactorului de tip Glidarc cu simetrie cilindrică în instalația de
recirculare a aerului a fost realizată astfel: în incinta (1) ermetizată și realizată din sticlă, cu un
volum de 0,5 [m3] a fost montată pompa de aer cu debit constant (2) pentru recircularea gazului
gazului dar și pentru asigurarea unui debit de 50 [L/min]. Prin intermediul aerosolizorului (6)
a fost introdus mixul de fungi de tip Penicilium și ulterior Aspergillus sub formă de suspensie
în aerosoli. După aerosolizare s-a pornit pompa de recirculare și s-a trecut gazul din incinta (1)
prin reactorul Glidarc cu simetrie cilindrică (5) conectat la sursa de înaltă tensiune (4). La
injectarea gazului de suflaj s-a ales metoda ”trecerii duble” pentru o durată de timp de 20
minute, ceea ce ar însemna ca volumul total de gaz amestecat cu mixul de fungi din interiorul
incintei (1) a fost tratat de două ori. După tratarea volumului de gaz utilizând descărcările
electrice de tip plasmă rece, reactorul a fost decuplat de la sursa de înaltă tensiune, iar cu
ajutorul unui robinet s-a trecut gazul prin recuperatorul de gaz tratat (3) și apoi direct în
instalația de recirculare a gazului realizând un „by-pass” al instalației. Recuperatorul (3) este
un recipient din sticlă, ermetizat, umplut cu un volum de soluție soluție salină sterilă (0.25 L),
prin care trece gazul din incintă realizând o barbotare a soluției lichide pentru același interval
de timp de 20 minute.
Din recuperatorul (3) au fost prelevate ulterior probe biologice în vederea evaluării
conținutului de fungi pentru a fi comparat cu cel inițial și pentru a putea fi calculat factorul de
reducție. Analizele biologice ale probelor prelevate nu au indicat prezența fungilor în soluția
lichidă din interiorul recuperatorului (3) ceea ce a condus la repetarea experimentelor.
Mai multe ipoteze au fost emise în urma experimentelor, din care amintim:
1. Mixul de fungi a aderat la pereții incintei;
2. Mixul de fungi a rămas fixat în pompa de recirculare;
3. Mixul de fungi a rămas fixat pe pereții interiori ai conductelor instalației de
recirculare a gazului;
4. Mixul de fungi a fost inactivat în totalitate la tratarea directă a gazului de suflaj prin
reactor.
Mixul de fungi și experimentele au fost realizate în colaborare cu specialiști ai
Laboratorului de Chimioterapie Antimicrobiană din cadrul USAMV Iași.
Pentru a confirma efecte de decontaminare prin tratare directă a gazului de suflaj utilizând
reactorul Glidarc cu simetrie cilindrică și injectare a gazului de suflaj prin metoda ”trecerii
-Rezumatul tezei de doctorat –
- 42 -
duble” s-a propus construcția unei noi instalații ce tratează culturi de bacterii direct pe plăci cu
mediu solid (agar), pregătite în prealabil și astfel eliminând dubii cu privire la posibila fixare a
acestora de pereții interiori ai instalației de recirculare a gazului. Schema bloc a instalației astfel
pregătite pentru experimente de tratare directă cu plasmă rece este prezentată în Fig. IV-6.
La integrarea reactorului Glidarc cu simetrie cilindrică, pentru tratarea directă a
microorganismelor dispersate pe medii solide, în instalația de tratare s-a avut în vedere
injectarea gazului folosind ”trecerea dublă” și un debit de 50 [L/min]. Astfel, gazul de suflaj
este injectat reactorului Glidarc (2) de la sursa de tip compresor (1). Pentru obținerea
descărcărilor electrice reactorul este conectat la sursa de înaltă tensiune (3). Gazul plasmatic
este condus în circuit și transferat în incinta de sticlă (6), și distribuit pe suprafața plăcii cu
mediu solid (5) prin utilizarea difuzorului (4), realizând astfel tratarea directă a a plăcii
însămânțate în prealabil cu material biologic. Evacuarea gazului din incinta de sticlă către
exterior are loc prin utilizarea unui filtru de gaz (7) ca măsură suplimentară de prevenire a
posibilelor contaminări nedorite ca urmare a efectuării experimentului. Timpii de tratare
conveniți au fost de 15 minute, 20 minute și 25 minute pentru fiecare placă supusă tratării
directe, plăcile tratate fiind analizate după incubare de până la o săptămână.
Fig. IV-6 Schema bloc a instalației de tratare directă a plăcii agar
1. Compresor de aer; 2. Reactor Glidarc cu simetrie cilindrică; 3. Sursă de înaltă tensiune; 4. Difuzor de gaz; 5. Placă agar; 6. Incintă de sticlă, ermetizată; 7. Filtru de gaz
-Rezumatul tezei de doctorat –
- 43 -
Menționăm faptul că dispozitivul care permite biodecontaminare bacteriană folosind
descărcări electrice de tip plasmă rece prezentat în Fig. IV-4 poate fi inclus în instalații de
condiționare a aerului, de preferință în aval de filtrul de particule.
Aspecte ale plăcilor martor și a celor tratate direct cu plasmă rece produsă de reactorul
Glidarc cu simetrie cilindrică ce utilizează metoda ”trecerii duble” a gazului de suflaj sunt
prezentate în Fig. IV-8, Fig.IV-9, Fig.IV-13, Fig.IV-16.
Rezultatul analizelor în urma tratării directe cu plasmă rece a reliefat reducția numărului de
colonii (Colony Forming Units - CFU) de fungi și bacterii, de ordinul 103-105 pentru diferiți
timpi de tratare. Astfel, s-a conturat opinia conform căreia tratarea directă cu plasmă rece cu
reactorul Glidarc cu simetrie cilindrică are efecte vizibile de biodecontaminare. că la plăcile
Fig. IV-8 Tratare 15 minute placă agar de cultură cu Staphylococcus Aureus
Fig. IV-9 Tratare 20 minute placă agar de cultură cu Staphylococcus Aureus
Fig. IV-13 Tratare 20 minute placă agar de cultură cu Escherichia coli
Fig. IV-16 Tratare 15 minute placă agar de cultură cu Candida Albicans
-Rezumatul tezei de doctorat –
- 44 -
tratate mai mult de 15 minute, survin deshidratări ale mediului nutritiv ce asigură creșterea
culturilor de bacterii și fungi. Pentru a confirma / infirma o ipoteză de inactivare termică a fost
realizată măsurarea temperaturilor pe placa cu agar.
Pentru măsurători s-au utilizat 4 senzori de temperatură lipiți pe suprafața mediului, Fig.
IV-21, care au fost conectatați la un înregistrator digital de temperatură, având astfel
disponibile 4 canale de înregistrare pentru aceeași timpi de monitorizare. S-au înregistrat
temperaturile pe cele 4 canale din minut în minut pentru un interval total de 20 minute, iar
valorea maximă a temperaturii a fost de 46 [°C], calculată ca medie a temperaturilor maxime
înregistrate pe cele 4 canale. Temperatura respectivă nu este capabilă să inducă efecte
distructive asupra microorganismelor, de aceea reducția numărului de CFU s-a datorat gazului
plasmatic obtinut în reactorul Glidarc cu dublă trecere.
Astfel, efectele de biodecontaminare prin tratarea directă cu plasmă rece sunt confirmate
pentru diferiți timpi de tratare și diferite tipuri de fungi și bacterii, cu evidențe clarificatoare
pentru tratarea directă pe plăcile agar comparativ cu tratarea directă la recircularea gazului într-
o incintă închisă.
IV.2. Tratamente indirecte cu plasmă rece
Pentru tratarea indirectă cu plasmă rece s-a utilizat apa activată cu plasmă (PAW – Plasma
Activated Water, engl.) produsă cu reactorul Glidarc cu simetrie cilindrică folosind metodele
de injectare a gazului de suflaj descrise în capitolul IV.1.
Fig. IV-21 Schema bloc de înregistrare a temperaturilor pe placa agar
1. Placă agar; 2. Cititor temperatură; 3. Înregistrator temperatură cu canale
-Rezumatul tezei de doctorat –
- 45 -
PAW are o varietate largă de aplicații iar proprietățile unice ale acestui mix de apă, ioni,
electroni și specii active sunt în continuare analizate și investigate. La momentul actual se
cunosc beneficii ale utilizării PAW cu rezultate notabile în următoarele domenii:
Agricultură - prin folosirea apei activate la udare și stropire, speciile active
contribuind la intensificarea procesului de germinare a semințelor, de tratare
împotriva fungilor specifici cerealelor. Nitrații prezenți în PAW sunt absorbiți prin
rădăcinile plantelor și acționează ca un intesificator de creștere;
Horticultură - prin udarea și stropirea culturilor de viță de vie, a florilor, în vederea
prevenirii formării fungilor, cum ar fi ”Putregaiul cenușiu” (Botrytis cinerea);
Medicină - la tratarea diverselor afecțiuni ale țesuturilor vii, decontaminarea
instrumentarului medical, aplicații stomatologice;
Microbiologie - la decontaminare bacteriologică.
Prin utilizarea PAW este posibilă substituirea mijloacelor tradiționale de soluții ”sanitare”
datorită caracterului puternic acidifiant obținut în urma tratării cu plasma rece. pH-ul PAW este
adesea < 3 după tratare iar observațiile post descărcare au relevat o revenire a apei activate
către pH-ul inițial, înainte de tratarea cu plasmă rece, cu efecte directe în protejarea mediului.
În cazul utilizării reactorului Glidarc cu simetrie cilindrică, obținerea PAW s-a realizat prin
barbotarea continuă a gazului plasmatic furnizat direct de reactor, într-un volum de 0,3 [L] apă.
Schema bloc a obținerii PAW prin procedeul barbotării este prezentat în Fig. IV-22.
Fig. IV-22 Schema bloc de obținere PAW prin barbotare
1. Stativ; 2. Reactor Glidarc cu simetrie cilindrică; 3. Pahar Erlenmeyer gradat; 4. sursă înaltă tensiune
-Rezumatul tezei de doctorat –
- 46 -
PAW a fost obținută în reactorul cilindric cu simetrie cilindrică pentru ambele variante de
injectare a gazului de suflaj, folosind metoda ”trecerii duble” și a ”trecerii simple”.
PAW obținută în ambele situații a fost testată pentru capacitatea bactericidă prin metoda
punerii în contact cu suspensii bacteriene (Escherichia coli), timpii de tratare conveniți fiind de
5, 10 și 15 minute. După tratare, volume prestabilite (100 microlitri) din amestecul de PAW și
bacterii au fost însămânțate pe plăci cu mediu solid (Agar Triptonă Soia) care au fost apoi
incubate 24-48 ore la 37°C. Numărul de CFU restante a fost comparat cu martorii netratați
(suspensia bacteriană în apă distilată) pentru a evalua gradul de reducție a bacteriilor viabile.
Aspecte ale plăcilor tratate indirect, cu PAW, produsă de reactorul Glidarc cu simetrie
cilindrică ce utilizează ambele variante de injectare a gazului de suflaj, folosind metoda
”trecerii duble” și a ”trecerii simple” sunt prezentate în Fig. IV-24, Fig.IV-25, Fig.IV-26,
Fig.IV-27.
Fig. IV-24 Escherichia coli după tratarea indirectă cu PAW folosind injectarea de tip ”trecere simplă” a gazului de suflaj
timp de 10 minute
Fig. IV-25 Escherichia coli după tratarea indirectă cu PAW folosind injectarea de tip ”trecere simplă” a gazului de suflaj timp de 15 minute
Fig. IV-27 Escherichia coli după tratarea indirectă cu PAW folosind injectarea de tip ”trecere dublă” a
gazului de suflaj timp de 10 minute
Fig. IV-26 Escherichia coli după tratarea indirectă cu PAW folosind injectarea de tip ”trecere dublă” a gazului de suflaj timp de 5 minute
-Rezumatul tezei de doctorat –
- 47 -
Rezultatul analizelor în urma tratării indirecte cu plasmă rece a reliefat reducția nr. CFU de
Escherichia coli de la o valoare inițială de 2,1*107 [CFU/mL] la o valoare finală estimată de
1,3*105 pînă la 103 [CFU/mL] în cazul injectării folosind ”trecerea simplă” și de 0,7*103 pînă
la 2,1*102 [CFU/mL] în cazul injectării folosind ”trecerea dublă”. În cazul ”trecerii duble”
putem spune că biodecontaminarea a avut efect dincolo de pragul de detecție prin mijloacele
curente de laborator.
Tratarea directă cu plasmă rece a dovedit efecte de decontaminare bacteriologică.
Utilizarea metodei de tratare directă prin integrarea reactorului Glidarc în circuitul de
recirculare a aerului poate fi o soluție alternativă, viabilă tehnic, de decontaminare a instalațiilor
de condiționare a aerului.
Compoziția chimică a PAW și valoarea redusă a pH-ului acesteia dovedesc efecte sinergice
antimicrobiene față de bacterii, biofilme, fungi și alte microorganisme.
Producerea PAW, în vederea tratării indirecte, folosind reactorul Glidarc cu simetrie
cilindrică a fost posibilă cu ambele metode de injectare a gazului de suflaj.
Tratarea indirectă cu PAW, obținută prin ”trecerea dublă” și ”trecerea simplă” a demonstrat
capacități de decontaminare în ambele cazuri, cu rezultate apropiate, dar cu un plus de
eficacitate pentru metoda ”trecerii duble” în ceea ce privește timpul de tratare.
Din punct de vedere al eficacității autorul recomandă utilizarea reactorului folosind
”trecerea dublă” ca metodă de injectare a gazului de suflaj.
V. 1. Concluzii
1. Studiile cu privire la descărcările electrice de tip plasmă rece reprezintǎ, în ultimele
decenii, preocupări majore ale numeroaselor echipe de cercetare din întreaga lume,
caracterizate printr-o continuă actualitate, susţinută deplin prin extinderea şi
diversificarea aplicaţiilor acestor fenomene, de la depoluarea aerului sau a
soluţiilor, la tratarea suprafeţelor (metalice sau din plastic), respectiv de la
tratamente de decontaminare bacteriană la aplicaţiile biomedicale ca provocare a
ultimilor ani. La acestea se pot adăuga tratarea materialelor de implant pentru
asigurarea biocompatibilităţii cu ţesutul uman sau tratamentele cu plasmă rece
utilizate în agricultură.
-Rezumatul tezei de doctorat –
- 48 -
2. O caracteristică importantă privitoare la utilizarea descărcărilor electrice, şi desigur
şi a celor de tip plasmă rece, o constituie faptul că experimentul a devansat
cunoaşterea ştiinţifică. Diferitele tratamente cu plasmă rece, care şi-au confirmat
experimental fezabilitatea, au condus la realizarea unei diversităţi impresionante de
variante constructive şi de principii care permit obţinerea unor asemenea descărcări
electrice, cu parametri nominali foarte diferiţi şi cu performanţe dificil de apreciat
sau de comparat.
3. Trebuie menţionat de asemenea faptul că s-au diversificat şi modalităţile în care
intervine plasma rece în diversele tratamentele preconizate, putându-se vorbi în
prezent despre tratarea directă, pe seama speciilor generate de plasmă, de tratarea
indirectă, ce foloseşte apa activată cu plasmă (PAW) sau mediul activat cu plasmă
(PAM), dar şi despre valorizarea efectului post-discharge.
4. Investigarea fizică fundamentală a plasmei reci, care se manifestă în afara
echilibrului termodinamic, a fost abordată mai ales în ultimul deceniu şi este
dominată de identificarea speciilor generate de descărcarea electrică în diferite
condiţii de funcţionare, în vederea asocierii acestora cu efectele utile ale
tratamentelor preconizate, ca un prim pas către asigurarea selectivităţii acestora. În
aceste condiţii se dovedeşte a fi foarte greu, pentru specialiştii care abordează
fenomenele de tip plasmă rece, să aleagă varianta de reactor mai adaptată pentru un
anumit tratament, care să poată fi utilizată cu eficacitate maximă în scopul propus.
5. În prezenta lucrare, după prezentarea principalelor descărcări electrice cunoscute
sub numele de „plasmă rece” şi trecerea în revistă a reactoarelor cu plasmă rece
reprezentative, a speciilor generate de descărcare şi a reacţiilor tipice ce pot avea
loc, se definesc indicatori de calitate pentru asemenea reactoare, subliniindu-se
oportunitatea caracterizării (electrice mai ales) a unor asemenea dispozitive, ca şi
posibilităţile de a aprecia puterile (instantanee, maximă şi medie) ale descărcărilor
electrice, în vederea aprecierii performanţelor unor asemenea ansambluri, dar şi
pentru a compara multiplele variante constructive existente.
6. Devine astfel posibilă chiar optimizarea construcţiei reactoarelor, cu descărcări de
tip GlidArc de exemplu, iar prin corelarea performanţelor acestor dispozitive cu
speciile generate de plasma rece, în diferite condiţii de funcţionare, se pot concepe
reactoare adaptate fiecărui tip de tratament preconizat, din multitudinea de aplicaţii
recunoscute la momentul actual.
-Rezumatul tezei de doctorat –
- 49 -
7. Folosind un algoritm de calcul inedit, propus în această lucrare şi folosind o
achiziţie de date ce se referă la evoluţia în timp a tensiunii la bornele descărcării,
ud(t), respectiv a curentului ce parcurge descărcarea, i(t), se determină puterile
(instantanee, maximă şi medie) ale acesteia, pentru diferite reactoare de tip GlidArc,
ca şi indicatori de calitate aferenţi (ws , η), ce fac posibilă compararea unor
asemenea dispozitive. Se constată astfel de exemplu că prin creşterea valorii puterii
maxime a descărcării electrice utile nu se obţine şi creşterea puterii medii a acesteia,
dar şi faptul că valorile maxime ale puterii medii, ale energiei specifice, respectiv
ale randamentului se obţin pentru valori diferite ale debitului gazului de suflaj, fiind
deci necesară optimizarea construcţiei reactorului în concordanţǎ cu cerinţele
prioritare pentru o anumită aplicaţie.
8. Trecerea de la etapa de a demonstra fezabilitatea tratamentelor cu plasmă rece la
aplicaţiile la scară largă ale acestora, presupune continuarea susţinută a studiilor cu
privire la fizica plasmei şi la speciile generate de asemenea descărcări electrice şi
corelarea acestora cu eficienţa diferitelor tratamente, considerând desigur şi
informaţiile referitoare la caracterizarea reactoarelor cu plasmă rece, ce precizează
puterile descărcărilor electrice şi indicatorii de calitate anunţaţi anterior.
9. Exemplul de utilizare a plasmei reci pentru tratamente de biodecontaminare
bacteriană apelează la un reactor GlidArc de construcţie originală, cu dublă trecere
a gazului de suflaj prin zona descărcării electrice, care este inclus într-un stand
experimental, ce permite prelevarea probelor pentru a aprecia rezultatele
tratamentului.
10. Subliniem opţiunea noastră pentru utilizarea reactoarelor de tip GlidArc, cărora le
corespund valori ale energiei specifice, ce caracterizează potenţialul lor reactiv, mai
mari de circa 10 ori decât cele corespunzătoare descărcărilor de tip Corona sau
DBD, pentru care funcţionarea cu surse de alimentare de frecvenţǎ industrială (50
Hz), la presiunea atmosferică şi la temperatura ambiantă, reprezintă avantaje
hotărâtoare cu privire la preţul de cost al instalaţiei în ansamblu, în vederea trecerii
la aplicaţiile la scară largă preconizate.
11. Producerea descărcărilor electrice de tip plasmă rece în reactoarele de tip GlidArc
necesită utilizarea unui gaz de suflaj (aer, mai ieftin, sau alt gaz) şi a energiei
electrice de la reţeaua de alimentare de tip industrial.
-Rezumatul tezei de doctorat –
- 50 -
12. La utilizarea plasmei reci pentru tratamente şi biodecontaminare se folosesc metode
de tratare directă sub acţiunea descărcării, dar şi indirectă, prin generarea apei
activate cu plasmă, în cercetare aceasta fiind convenţional cunoscută sub numele de
PAW. În lucrare se propune şi o posibilitate de optimizare a unui reactor de tip
GlidArc pentru producerea PAW, prin precizarea volumului de apă distilată de
tratat astfel incât cantitatea de PAW obţinută într-o oră să fie maximă.
13. Subliniem faptul că optimizarea reactoarelor cu plasmă rece poate fi realizată prin
corelarea indicatorilor de calitate cu eficacitatea tratamentului de efectuat,
completată cu alegerea justă a tipului de reactor.
14. Alegerea tipului de reactor în concordanţă cu cerinţele asociate unei aplicaţii anume
este mai facilă dacă se apelează, în etapa de studiu preliminar, la avantajele oferite
de posibilitatea de reglare a puterii descărcării electrice pentru reactoarele de tip
GlidArc cu electrozi auxiliari, pentru a defini domeniul de puteri pentru care
eficacitatea tratamentului este maximă.
V. 2. Contribuții proprii
În lucrarea curentă, contribuţiile aduse de autor pentru domeniul abordat, prin studierea
posibilităţilor de integrare a unui reactor Glidarc cu simetrie cilindrică în structura unui stand
experimental, având ca scop studiul decontaminării bacteriene prin tratare directă cu plasmă
rece, pentru a permite apoi realizarea decontaminării instalaţiilor de condiţionare a aerului, sunt
următoarele:
propunerea, proiectarea şi realizarea unei noi soluţii de reactor de tip GlidArc cu
simetrie cilindrică şi dublă trecere a gazului de suflaj prin zona de descărcare, având o
construcţie originală, inedită;
propunerea unei soluţii pentru optimizarea unui reactor de tip GlidArc pentru
producerea apei activate cu plasmǎ (PAW), în scopul de a obţine cantitatea maximǎ de
PAW într-o orǎ de exemplu;
propunerea unui algoritm de evaluare a puterilor (medie, maximǎ şi instantanee), bazat
pe o achiziţie de date ce permite înregistrarea evoluţiei în timp a tensiunii la bornele
descărcării electrice, ud(t) şi respectiv a evoluţiei în timp a curentului ce parcurge
descǎrcarea electricǎ, i(t), apelând la sume Riemann care permit evaluarea integralei ce
defineşte puterea medie, consideratǎ ca un indicator de performanţǎ relevant pentru
reactoarele cu plasmǎ rece;
-Rezumatul tezei de doctorat –
- 51 -
propunerea caracterizării electrice a reactoarelor cu plasmǎ rece, folosind în acest scop
indicatori de calitate, care permit evaluarea performanţelor unor asemenea dispozitive
şi chiar compararea diferitelor variante constructive;
caracterizarea unor variante diferite de reactoare de tip GlidArc, cu simetrie cilindricǎ
şi descǎrcare electricǎ rotativǎ, cu definirea valorilor puterilor (instantanee, maximǎ şi
medie), dar şi a unor indicatori de calitate (energie specificǎ şi randament), pentru
funcţionarea cu sau fǎrǎ magneţi permanenţi, pentru diferite valori ale debitului de gaz
de suflaj, fiind posibilǎ aprecierea influenţei acestor factori asupra performanţelor
ansamblului;
compararea în premierǎ a performanţelor acestor reactoare de tip GlidArc, prin
aprecierea puterilor (medie, maximǎ şi instantanee), pentru aceleaşi condiţii de
funcţionare cu privire la debitul de gaz de suflaj şi la prezenţa sau nu a magneţilor
permanenţi;
caracterizarea electricǎ a unui reactor de tip GlidArc cu simetrie planǎ, cu definirea
puterilor şi a unor indicatori de calitate;
proiectarea și realizarea instalației de recirculare a aerului pentru a simula circulația de
aer într-o instalație de condiționare a aerului, care include un reactor GlidArc cu dublǎ
trecere a gazului prin zona de descǎrcare, având o pompǎ de aer cu debit constant pentru
a asigura condiţiile normale de evoluţie a descǎrcǎrii electrice utile, prevǎzutǎ cu
posibilitatea prelevǎrii probelor pentru evaluarea eficacitǎţii tratamentului de
decontaminare bacterianǎ;
proiectarea și execuția instalației de tratare directă a plăcilor agar cu reactor de tip
Glidarc.
V. 3. Perspective ale cercetării
În primul rând cercetarea efectuatǎ asigurǎ premisele comparǎrii diferitelor variante de
reactoare cu plasmǎ rece, folosind indicatori de calitate şi cunoscând valorile puterii medii a
descǎrcǎrii electrice, prin utilizarea algoritmului de evaluare propus.
Pe seama acestor informaţii şi prin definirea populaţiei de specii active generate de plasma
rece, se va putea alege corect varianta de reactor care funcţioneazǎ performant pentru o
aplicaţie datǎ.
-Rezumatul tezei de doctorat –
- 52 -
Algoritmul propus se poate concretiza în realizarea unui aparat de mǎsurare a puterii
descǎrcǎrilor electrice, în condiţii de regim nesinusoidal de funcţionare, în prezenţa armonicilor
de rang superior şi a perturbaţiilor electromagnetice.
Reactorul de tip GlidArc cu simetrie cilindricǎ şi dublǎ trecere a gazului prin zona de
descǎrcare poate fi utilizat în instalaţia de condiţionare a aerului din habitaclul automobilelor,
pentru a asigura decontaminarea bacterianǎ a acestuia.
Prin definirea mai precisǎ a cerinţelor legate de funcţionarea reactoarelor cu plasmǎ rece
destinate diferitelor tratamente posibile şi prin definirea indicatorilor de calitate anunţaţi, va
deveni posibilǎ chiar optimizarea construcţiei unor asemenea instalaţii.
Prin creşterea eficienţei acestor ansambluri, costul diverselor tratamente cu plasmǎ rece
posibile va scǎdea, facilitând trecerea de la etapa de probare a fezabilitǎţii, la etapa de aplicare
la scarǎ largǎ a unor asemenea procedee.
Bibliografie
Bilbliografie
1. E. Hnatiuc, Electroecologie, Ed. SETIS, Iaşi, 2009, ISBN 973-606-92041-0-8.
2. Anghel S. D., Fizica plasmei şi aplicaţii - note de curs, Universitatea Babeş-Bolyai
Cluj, Facultatea de Fizică,
http://www.phys.ubbcluj.ro/~anghels/teaching/Plasma/Capitole_curs/
3. Indrek Jõgi, Characteristics and classification of plasmas, PlasTEP trainings course
and Summer school 2011, Warsaw/Szczecin
http://www.plastep.eu/fileadmin/dateien/Events/2011/110725_Summer_School/Joegi
_SummerSchool_2011_Part2.pdf
4. Hnatiuc E., Burlica R., Hnatiuc B., Bazele teoretice ale funcționării aparatelor
electrice, ISBN: 973-7960-52-1, Casa de Editură Venus, Iași, 2004
16. Nehra V., Kumar A., Dwivedi H.K., Atmospheric Non-Thermal Plasma Sources,
International Journal of Engineering, Vol. 2, Issue 1, pg. 53-68, 2008
45. Iulia-Elena Vlad, Sorin Dan Anghel, PLASMA NON-TERMICĂ LA PRESIUNE
ATMOSFERICĂ ÎN CONTACT CU MEDII LICHIDE PENTRU APLICAȚII
PRACTICE, Universitatea “Babeş-Bolyai” Cluj-Napoca, Facultatea de Fizică, 2017
47. Brisset J.-L., Hnatiuc E., Plasmas for Chemical, Environmental, Biological and
Medical Applications – 2 - Elements of Chemistry, Scoala avansata de Plasmă, Iași,
2012
48. Brisset J.-L., Hnatiuc E., Plasmas for Chemical, Environmental, Biological and
Medical Applications – 1 – Some basic views, Scoala avansata de Plasmă, Iași, 2012
49. Jean-Louis Brisset, Eugen Hnatiuc, Peroxynitrite: A Re-examination of the Chemical
Properties of Non-thermal Discharges Burning in Air Over Aqueous Solutions, ISSN
0272-4324, Volume 32, Number 4
64. Eugen Hnatiuc, Ioan-Ciprian Felea, Dragos Astanei, Evaluation of Electrical
Discharges Useful Power as Main Indicator for Quality Assessment for Non- Thermal
Plasma Reactors, Optim – Acemp 2017, Brasov
65. B. Hnatiuc et.al., “Sur le bilan des puissances pour les installations d’alimentation
des générateurs de plasma froid de type « GLIDARC »”, Buletinul Institutului
Politehnic din Iaşi, Tom XL (XLIV), Fasc. 1-4, Sectia a III-a, pp. 97-102, 1994
66. David V., Măsurări electrice I, curs,
http://iota.ee.tuiasi.ro/~demm/Cursuri%20David/Curs%20MEl.pdf
Bibliografie
67. Măsurări electrice și electronice, curs, Universitatea ”Dunărea de Jos” din Galați,
Facultatea de Inginerie Electrică, http://www.emie.ugal.ro/cursmee.html
70. https://ro.wikipedia.org/wiki/Plasm%C4%83
71. E. Hnatiuc, R. Burlică, B. Hnatiuc, J. –L. Brisset, C. Badel, "The optimization of the
current limitation elements for the GlidArc electrochemical reactors", XVI-th
Symposium on Physics of Switching Arc, Brno, Czech Republic, September 2005
81. Todiraşi Gabriel, Hnatiuc Eugen, Gavril Bogdan, Cold Plasma Electrochemical
Reactors and Environmental Impact, 4-th International Conference on Energy and
Environment, November 12-14, CIEM 2009, Bucharest, Romania, ISSN 2067-0893
82. G. Todirasi, E. Hnatiuc, B. Hnatiuc, B. Gavril, The study of electromagnetic
perturbations in steady state conditions for cold plasma electrochemical reactors
GLIDARC type, 19th International Symposium on Plasma Chemistry, ISPC2009,
Bochum, July 26 – 31, 2009, Germany