Основные области применения в промышленности плазменных технологий Текст научной статьи по специальности «Нанотехнологии»

Аннотация научной статьи по нанотехнологиям, автор научной работы — Бойко Николай Иванович:, Одарюк Виктория Андреевна, Сафонов Алексей Владимирович

Обоснована теоретическая возможность использования в промышленности плазменных технологий, показаны преимущества их применения перед традиционно используемыми технологиями: модифицирование металлов и сплавов в плазме тлеющего заряда изменяет состав и структуру поверхности твердых тел. Окись рутения, тефлон, наносимые на титановую основу, позволяют использовать эти сплавы в качестве анодных материалов при очистке стоков, содержащих агрессивные компоненты. Плазменное сжигание (пиролиз) токсичных отходов и пр. плазменные технологии могут применяться в различных областях науки и техники.

Похожие темы научных работ по нанотехнологиям , автор научной работы — Бойко Николай Иванович:, Одарюк Виктория Андреевна, Сафонов Алексей Владимирович

Main Applications of Plasma Technology in Industry

Substantiates the theoretical possibility of industrial use of plasma technology, the advantages of their application to the traditionally used technologies: modification of metals and alloys in the plasma glow charge alters the composition and structure of the surface of solids. Ruthenium oxide, Teflon, applied to a titanium base, allow the use of these alloys as anode materials in the purification of effluents containing corrosive components. Plasma burning (pyrolysis) of toxic waste, and so on. Plasma technology can be used in various fields of science and technology.

Текст научной работы на тему «Основные области применения в промышленности плазменных технологий»

/70 Civil SecurityTechnology, Vol. 12, 2015, No. 4 (46) УДК 66 (0758)

Основные области применения в промышленности плазменных технологий

Н.И. Бойко, В.А. Одарюк, А.В. Сафонов

Ключевые слова: плазма тлеющего заряда; плазменный пиролиз; состояние квазиравновесное; состояние неравновесное; плазмохимические системы; плазмохимические процессы.

Main Applications of Plasma Technology in Industry

N. Boyko, V. Odaryuk, A. Safonov

Key words: plasma glow charge; Plasma pyrolysis; quasi-equilibrium state; nonequilibrium state; plasmachemical system; plasma-chemical processes.

Основные тенденции в развитии современных промышленных технологий связаны с использованием высоких значений параметров технологических процессов: скорости, времени, контактов и пр. Но основные производства, обеспечивающие человека энергоносителями, металлом, пластмассами и пр., характеризуются рядом недостатков, связанных с многотоннажностью, громоздкостью, большими энерго- и ресурсозатратами, а также с образованием больших объемов промышленных отходов.

Развитие техники, электроники связано с необходимостью качественного улучшения традиционно используемых материалов и с созданием новых материалов, уникальных по своим характеристикам (чистоте, термической и химической стойкости, твердости и пр.). Это явилось причиной поиска и разработки новых технических решений в металлургии, химической промышленности, энергетике, машиностроении и пр. Новое направление в развитии физической химии и химической технологии — плазмохимия(ПХ) — решает ряд проблем химическими реакциями, проводимыми в высокотемпературной среде плазмы.

Наиболее простым и широко применяемым способом получения высокотемпературной и низкотемпературной плазмы является электрический разряд в газе — так называемая газоразрядная плазма.

При прохождении электрического тока через газовую среду энергия электрического поля, созданного внешним источником тока, преобразуется во внутреннюю энергию газа. За счет этого повышается его температура, происходит распад атомов и молекул газа на радикалы, ионы, электроны. Происходит возбуждение частиц плазмы, которые затем излучают кванты различного излучения в диапазоне от инфракрасного до ультрафиолетового. В результате в среде, находящейся в состоянии плазмы, за счет повышения температуры Т значительно повышаются скорости химических реакций, поскольку, по формуле Аррениуса, w

exp (-Еа/Т), где w — наблюдаемая константа, Еа — энергия активации, Т — температура (в Кельвинах).

Кроме того, в плазме, из-за появления высокореакционных частиц и излучения, возникают физико-химические взаимодействия, которые могут приводить к образованию новых соединений, не образующихся в обычном (низкотемпературном) состоянии (например, соединений из инертных газов). Более того, традиционные химические продукты, полученные в плазме, часто отличаются по своим свойствам от тех же продуктов, полученных при обычных температурах. Таким образом, перевод веществ в состояние плазмы увеличивает их реакционную способность.

В зависимости от свойств плазмообразующей среды и условий реализации разряда, состояние плазмы может быть достаточно близким к состоянию термодинамического равновесия (квазиравновесие), а может быть далеким от него (неравновесная плазма). Поэтому плазмохимические системы (ПХ-системы) иногда условно разделяют на два больших класса — неравновесные и квазиравновесные.

Состояние квазиравновесной плазмы, характеризующееся одной температурой, можно достаточно точно описывать с помощью равновесной термоди-намики(ТД) и статистической физики. Гораздо более богатой по реакционным возможностям является неравновесная плазма, которую нельзя характеризовать одной температурой. В такой плазме каждый сорт частиц и их состояние характеризуется своей температурой, например, температура электронов, температура ионов, вращательная температура, колебательная температура и пр. др. При этом термин «температура» является удобным параметром, позволяющим использовать при расчетах известные статистические функции распределения (функции Максвелла, Больцмана, Саха, Планка и др.) для соответствующего рода частиц. Эти температуры могут значительно отличаться друг от друга. Например, в разряде низкого давления температура электронов (десятки тысяч градусов) может быть в сотни раз больше температуры атома и ионов.

Для получения плазмы в промышленности используют все виды электромагнитных полей: постоянное, переменное, высокочастотное (ВЧ), сверхвысокочастотное (СВЧ), оптическое излучение и т.д., а также различные типы разрядов: дуговой, тлеющий, коронный и др.[1—7].

Основные диапазоны изменения параметров плазмы, используемой в технологиях, составляют по давлению 5—10 мм рт. ст. до 200 атм. неравновесная плазма образуется при низких давлениях плазмо-образующей среды (Р — 100 мм рт. ст.), а квазиравновесная — при высоких давлениях (Р — 1 атм.).По температуре —103—105 К.

Примером конкретных технологических применений плазмы являются неравновесные ПХ-про-цессы, в основном, используемые для обработки поверхностей различных материалов: модификация поверхностей, нанесение и снятие пленок и т.д. Эти процессы являются малотоннажными, их проводят в тлеющем разряде при давлениях плазмообразующей среды около10 мм рт. ст.

Технология плазмохимической модификации поверхностей — изменение химического состава и структуры поверхностного слоя твердого тела.

Плазмохимической обработке могут подвергаться различные материалы: от металлов и их сплавов, как естественного, так и искусственного происхождения, до различных полимеров.

Плазмохимическая обработка металлов и сплавов. Типичная схема установки для модифицирования поверхностей металлов в плазме тлеющего разряда работает следующим образом. В откачиваемую металлическую камеру помещают обрабатываемую деталь. В пространстве между поверхностями детали и стенки зажигается тлеющий разряд. Состав и давление плазмообразующего газа легко регулируется системой газоснабжения. Образующиеся в плазме заряженные частицы бомбардируют поверхность детали, в результате чего может изменяться химическая и кристаллическая структура поверхности и ее свой-

/72 Civil SecurityTechnology, Vol. 12, 2015, No. 4 (46)

ства (твердость, химическая и термическая стойкость и др.) [8]. Данная технология имеет огромные перспективы для создания улучшенного специального аварийно-спасательного оборудования и инструмента для спасателей МЧС России.

Азотированию подвергаются, в основном, трущиеся детали (валы, штоки и др.), что позволяет увеличить ресурс их работы в несколько раз. Наиболее крупные установки для азотирования (США, Франция) позволяют обрабатывать валы диаметром до 2 м и длиной до 12 м. Мощность таких установок достигает 300 кВт при давлении Р = 0,1—10торри напряжении U = 500 —1500 B. Время обработки варьируется от 10 минут до 20 часов, при этом толщина азотированного слоя изменяется от 30 мкм до 0,7 мм.

Не меньший интерес для применения в системе МЧС России имеет плазмохимическая обработка органических материалов. При обработке плазмой органических материалов как искусственного, так и естественного происхождения (полимеров, пластмасс, тканей, бумаги и др.) изменяется состав и реакционная способность их поверхностей, что приводит к изменению их свойств. Так, при обработке тканей может изменяться адгезия, смачиваемость, окраши-ваемость, возможность склеивания как между собой, так и с другими материалами. Может резко уменьшиться усадка обработанных волокон шерсти, изменяться электростатические характеристики.

После обработки в кислородной плазме сила сцепления пластин из целлюлозы друг с другом, а также с полимерными пленками возрастает в 5—7 раз [9]. Данная технология позволит производить костюмы спасателей, обладающие повышенной огнестойкостью.

Также интерес представляет получение пленок и покрытий с помощью плазмохимических технологий. Пленки, получаемые с помощью таких технологий: покрытые нитридом титана и тефлона. Нитрид титана и тефлона — термо и химически стойкие вещества, используемые для покрытия режущих инструментов (сверл, фрезеровочных буров и пр.), а также различных поверхностей, работающих в химически агрессивных средах, что может быть использовано для защиты и продления срока эксплуатации оборудования, в том числе МЧС России.

В различных технических устройствах широко используются резинотехнические изделия, которые должны легко скользить по сопряженным плоскостям. Сама резина этим свойством не обладает, поэтому покрытие таких изделий материалом с малым значением коэффициента трения — тефлоном, приводит к существенному увеличению износостойкости изделия, тем более что тефлон предохраняет их от воздействия агрессивных сред, что также может быть использовано при разработке техники для МЧС России.

Таким образом, перед традиционными процессами и технологиями плазмохимические процессы переработки имеют следующие преимущества:

значительно увеличивают производительность оборудования;

являются малостадийными, не требуют промежуточных обработок, применения соответствующих реагентов и их производств;

менее чувствительны к составу сырья и могут работать на менее дефицитном сырье, включая отходы производств;

хорошо моделируются, управляются и автоматизируются.

Самым большим недостатком таких технологий является потребление больших количеств электроэнергии, что существенно сдерживает их широкое применение и особенно при производстве многотоннажных продуктов.

В интересах МЧС России данные технологии могут применяться при создании новых образцов экипировки, техники, оборудования и инструмента по следующим направлениям:

1. Существенное улучшение качества традиционно используемых материалов, а также создание новых материалов, уникальных по своим свойствам (чистоте, термической и химической стойкости, твердости и т.д.) позволит создать аварийно-спасательную и пожарную одежду, обладающую повышенными защитными свойствами.

2. Получение различных пленок и покрытий, например, покрытие нитридом титана и тефлоном, позволит создать аварийно-спасательное оборудование с повышенным эксплуатационными характеристиками.

3. Получение резинотехнических изделий с малым значением коэффициента трения позволит увеличить износостойкость изделий, тем более что тефлон предохраняет от воздействия агрессивных сред, что может быть применено при создании новых вариаций пожарных рукавов.

4. Плазмохимическая обработка может быть использована для воды с целью ее очистки и обеззараживания. Она может служить достойной альтернативой хлорирования, при котором образуются хлорорганические соединения, обладающие канцерогенными свойствами. Данную технологию можно использовать для создания установки по обеспечению водой из природных источников населения и спасателей в зонах чрезвычайных ситуаций.

1. Полак Л.С., Овсянников А.А., Словецкий Д.И. и др. Теоретическая и прикладная плазмохимия. М.: Наука, 1975. 304 с.

2. Методы исследования плазмы / Под ред. В.М. Лохте-Хольтгревена. Мир, 1971. 552 с.

3. Физика и техника низкотемпературной плазмы / Под ред. С.В. Дресвина. М.: Атомиздат, 1972. 352 с.

4. Жуков М.Ф. Прикладная динамика термической плазмы / Жуков М.Ф., Коротеев А.С., Урюков Б.А. Новосибирск: Наука, 1975. 300 с.

5. Жуков М.Ф. Электродуговые нагреватели газа (плазмотроны) / Жуков М.Ф., Смоляков В.Я., Урюков Б.А. Новосибирск: Наука, 1973. 232 с.

6. Жуков М.Ф., Калиненко Р. А., Левицкий А.А., и др. Плазмохимическая переработка угля. М.: Наука, 1990. 200 с.

7. Сурис А.Л. Плазмохимические процессы и аппараты. М.: Химия, 1989. 304 с.

8. Бугаенко Л.Т. Химия высоких энергий / Бугаенко Л.Т., Кузьмин М.Г., ПолакЛ.С. М.: Химия, 1988. 368 с.

9. Оулет Р. Технологическое применение низкотемпературной плазмы / Оулет Р., Барбье М., Черемисинофф П. М.: Энергоатомиздат, 1983. 144 с.

10. Туманов Ю.Н. Современное состояние развития плазменных процессов в технике, технологии и металлургии / Туманов Ю.Н. // Химия плазмы / Под ред. Б.М. Смирнова М.: Энергоатомиздат, 1986. Вып. 13. С. 163.

11. Брауна. М.: Мир, 1987. 469 с.

12. Бородин В.И. Материалы конф. по физике низкотемпературной плазмы ФНТП-2001. Петрозаводск, 2001. С. 197—201.

Сведения об авторах

Бойко Николай Иванович: ФГБУ ВНИИГОЧС (ФЦ), нач. отд.

121352, Москва, ул. Давыдковская, 7. E-mail: nikolai.58@list.ru

Одарюк Виктория Андреевна: к. х. н., ФГБУ ВНИИ ГОЧС (ФЦ), с. н. с.

121352, Москва, ул. Давыдковская, 7. E-mail: odaruk40@mail.ru SPIN-код — 1194-2887.

Сафонов Алексей Владимирович: ФГБУ ВНИИГОЧС (фЦ), м. н. с.

121352, Москва, ул. Давыдковская, 7. E-mail: safa2004@mail.ru SPIN-код — 4911-1783.

Information about authors

Boyko Nikolay I.: Federal Government Budget Institution "All-Russian Research Institute for Civil Defense and Emergencies" (Federal Center of Science and high technology), Department Head.

121352, Moscow, str. Davydkovskaya, 7. E-mail: nikolai.58@list.ru

Оdaruk Victoria А.: Ph.D. in Chemistry, Federal Government Budget Institution "All-Russian Research Institute for Civil Defense and Emergencies" (Federal Center of Science and high technology), Senior Researcher. 121352, Moscow, str. Davydkovskaya, 7. E-mail: odaruk40@mail.ru SPIN-scientific — 1194-2887.

Safonov Alexey V.: Federal Government Budget Institution "All-Russian Research Institute for Civil Defense and Emergencies" (Federal Center of Science and high technology), Junior Researcher.

📎📎📎📎📎📎📎📎📎📎