Tóm tắt
Chất thải hiện nay nổi lên là cơ hội để tạo ra các vật liệu và sản phẩm có giá trị cho nhu cầu của con người. Cụ thể ở các nước đang phát triển, tái chế tài nguyên đã trở thành nguồn thu nổi bật cho xã hội. Nhiều nghiên cứu đang tiến hành và phát triển hàng ngày để quản lý chất thải bằng công nghệ mới trên thế giới. Bài viết này tập trung vào những tiến bộ gần đây và các ứng dụng công nghệ Plasma để quản lý chất thải. Do đó, nó bao gồm cả bản thảo đánh giá các lò phản ứng Plasma để chuyển đổi và theo dõi bằng cách gửi một số sản phẩm mới sử dụng lắng đọng hóa học từ pha hơi (CVD). Người ta đã cố gắng giải thích quy trình được sử dụng và chất thải được chuyển đổi thành khí tổng hợp (syngas) cho hoạt động lắng đọng kim cương bằng cách thu thập các nghiên cứu và kỹ thuật mới được phát triển trong lĩnh vực này.
Công nghệ plasma và quản lý chất thải
Vật liệu có thể xuất hiện ở bất kỳ trạng thái thứ tư nào như trạng thái rắn, lỏng, khí và plasma. Các lực plasma đang được tạo ra thông qua việc thúc đẩy hàm lượng năng lượng của các chất sử dụng cơ học, nhiệt, hóa học, bức xạ, tia, điện, hạt nhân, năng lượng, sự kết hợp của chúng, năng lượng của nhiệt, cơ học (chất nổ) phụ thuộc vào loại ứng dụng là plasma lạnh hoặc plasma nhiệt.
Năng lượng Plasma là các công nghệ nổi bật nhất để loại bỏ chất thải và lấy vật liệu từ chất thải ở bất kỳ tiểu bang nào. Việc chuyển đổi các thành phần hữu cơ hỗn hợp thành các lớp mỏng cao phân tử để tạo thành các polyme có liên kết chéo cao và ít liên kết hơn, các màng có chức năng cao hơn và các bề mặt biến đổi đã được thực hiện bằng năng lượng Plasma. Ngoài ra, Plasma nhiệt đang được áp dụng trong cải cách khí đốt tự nhiên, tạo ra H2, pin nhiên liệu và khí giàu H2 và sự thay đổi trong trạng thái vật chất.
Trong nhiều báo cáo, năng lượng Plasma được chỉ định để khí hóa các chất thải khác nhau như nhiên liệu có nguồn gốc từ rác (giấy, sinh khối và nhựa), glycerol là sản phẩm phụ của hơi diesel sinh học, sinh khối, nhựa, giấy, lá nhôm, vải, cao su, gỗ, cành cây, kim loại, bê tông, gạch, ngói và gốm, thủy tinh, xenlulo, bitum, than đá, than cốc, hydrocarbon (HC) hiện có trong khí thải chất thải nguy hại và rau củ thải thô trộn với gỗ thô; sử dụng vi sóng (MW), hồ quang trượt, plastron, plasma tần số vô tuyến (RF), ngọn đuốc plasma và các dạng plasma nhiệt khác. Các khí đầu ra được sử dụng cho rất nhiều ứng dụng như khí tổng hợp (syngas).
Hơn nữa, kết quả có sẵn cho thấy hiệu suất của cả khí hóa thông thường và khí hoá Plasma hiện đại là giống nhau và đạt được hiệu quả loại bỏ 100% đối với các khí đầu ra có nguồn gốc từ quá trình khí hóa từ than, lốp xe, Chất thải rắn đô thị (MSW), tảo, gỗ được xử lý, lá thông và ván ép như HCN, SO2, NH3.
Ngoài ra, người ta cũng nhận thấy hiệu quả loại bỏ tương tự đối với CH4, H2S và SO2 trong các khí hóa Plasma thông thường và đối với S, COS, C2H2 và C (rắn) bằng khí hóa Plasma hiện đại. Mặt khác, có sự gia tăng đáng kể đối với cả hai loại khí có giá trị H2 và CO sử dụng khí hóa Plasma hiện đại so với các loại thông thường. Sử dụng phương pháp nhiệt phân, khí hóa và xử lý Plasma, các thành phần có khả năng nhất được tạo thành từ các chất carbonate là CH4, CO, H2, CO2 and H2O.
Plasma nhiệt được gây ra bởi các ngọn đuốc Plasma hoặc đầu phát Plasma còn được gọi là Plasmatron không cân bằng và Plasmatron khác nhau về nguồn cảm ứng như dòng một chiều (DC), dòng xoay chiều (AC) và RF. Nhiệt độ tăng hiện tại là do khí có sẵn trong lò phản ứng bị ion hóa một phần và phân ly điện trong dòng khí của nhiên liệu HC và không khí hoặc các chất oxy hóa khác để chuyển đổi nhiên liệu HC thành khí giàu H2.
Sử dụng chất xúc tác (như chất xúc tác gốc niken trên alumina và chất xúc tác thống nhất Catalyst C-11) trong Plasmatron và lò phản ứng Plasmatron đóng vai trò quan trọng như một bộ phận tiền xử lý nhiên liệu để nó có thể làm bay hơi cả HC nặng như nhiên liệu sinh học và dầu thải.
Hiệu suất nhiệt của sự hình thành H2 thông qua Plasmatron và Plasmatron của phản ứng phân hủy CH4 ở quy mô công nghiệp thu được khoảng 70 % – 85 % và đối với nhiên liệu HC được báo cáo khoảng 100%, đối với các sản phẩm thô bao gồm chất thải từ công nghiệp thực phẩm, dầu, chất thải sinh khối nông nghiệp (chất thải động vật , chất thải rắn đô thị, tàn dư cây trồng, cây gỗ luân canh ngắn, chất thải nông nghiệp, mùn cưa, thực vật thủy sinh, các loại cây thân thảo ngắn, giấy thải, ngô, v.v.) và nhiên liệu có nguồn gốc từ lưu trữ hóa thạch như than đá là gần giống nhau. Theo dõi Plasmatron và các khí đầu ra Plasmatron cho thấy tồn tại các khí tổng hợp được làm giàu cao như H2-35%; N2-47 %; CO-3 %; CO2-13 %.
Tỷ lệ thành phần khí bằng cách sử dụng Plasma nhiệt đối với MSW đã cải thiện khoảng 40, 12.3, 40.3 và 7.4% cho CO, CO2, H2 and N2. Lượng than này thu được là khoảng 23, 25, 48 và 0 bởi Plasma MW cũng như 4% cho CH4 tương ứng. Đốt cháy lốp xe bằng Plasma RF tạo ra CO (21 %), CO2 (14.9 %), H2 (48.5 %) và CH4 (14.8 %). Tỷ lệ chuyển đổi chất thải rắn đã được ước tính khoảng 86,8 %, 65-99 % và 32,5-88,4 % đối với các Plasma nhiệt, MW và RF tương ứng.
Sự phân ly của HC thành H2 và các loại carbon đã lôi cuốn các hoạt động linh hoạt thành công nghệ nhiệt, xúc tác (dựa trên kim loại và carbon) và một số quy trình đã nói ở trên có khả năng tạo ra dòng H2 có độ tinh khiết cao. Phương pháp xúc tác bao gồm các chất xúc tác kim loại và carbon trong khi chuyển đổi dựa trên Plasma liên quan đến các công nghệ xử lý nhiệt hoặc không nhiệt.
Các nhà nghiên cứu của Trung tâm Nghiên cứu Quốc gia thuộc Viện Vật lý và Công nghệ Kharkov đã triển khai thiết bị lắng đọng các lớp phủ chống ma sát giống như kim cương hydro hóa trong phóng điện hồ quang chân không với cực âm than chì và Plasma phóng điện phát sáng trong môi trường xung quanh HC.
Những sản phẩm này đã chứng tỏ bản thân có hiệu quả tại các khu công nghiệp ở Ukraine, Nga và Iran. Các thông số kỹ thuật cơ bản của máy phát được đặc trưng bởi điện áp dòng 220 V, dòng điện 5 A, biên độ xung điện áp lên tới 2,5 kV, ít nhất là điện trở của Plasma khoảng 200 Ohm, thời gian xung 6, 10 và 20 μs và tần số lặp lại xung 0,5-12 kHz.
Nhiều loại lò phản ứng CVD Plasma được khai thác để lắng đọng kim cương thông qua việc áp dụng các tiền chất khác nhau như các mặt phẳng mạng kim cương, các HC như C2H2, C2H4, CH4, O2; CO+H2; Propylene/ O2; Xe (Ar)/H2/CH4; interstellar; CH4 /CO2/H2; (CO, Ni, Cu, Ag and Mn)/ CH4/graphite; CH4//H2/Ar; CH4, H2, carbon atoms; C2H5Cl+H2; điện phân acetate để tạo thành cả CH30 and H0; ethanol, hydro, silicon đơn tinh thể và hợp kim WC-Co; CH4/Ar/N2; acetylene/O2; Hợp kim Fe Ni – carbon và NaN3; axit axetic và nước làm chất điện phân; Ar, N2, O2, CO2, C2H2, CH4, H2 và hỗn hợp của chúng; Ar-rich Ar/H2/CH4; H2/Ar/CH4; H2-rich H2–CH4 mixture; alcohol lỏng (90 ml metanol và 10 ml ethanol); CCl4 là nguồn carbon; năng lượng ôxy; hỗn hợp CH4 và (CH3)3SiOSi(CH3)3) lỏng, ethanol, metanol, acetone, acetylene, dietyl ete, ethylamine trim và CO2; C2H2 and N2.
Nhân tiện, bằng cách sử dụng các tiền chất riêng lẻ này đã tạo thành màng kim cương đơn tinh thể mono và Nano, kim cương chất lượng cao, tinh thể epiticular chất lượng cao, cụm carbon, Nano/micro trên khung lớp (Nano/micro over layer framework), kim cương như carbon, hạt nhân kim cương epitaxit, kim cương siêu mịn và kim cương siêu mịn màng kim cương lục giác bằng lò phản ứng Plasma.
Sự hình thành kim cương của CVD sử dụng áp suất thấp (khoảng 1,35 mét) bằng cách liên kết các gốc của cả methyl, hydro và v.v… tạo nên lớp kim cương trong phản ứng ở trạng thái ổn định ở 700- 1200 °C sử dụng tiền chất có tên C, H2 và chất hoạt hóa.
Ngoài ra, nhiều loại lò phản ứng Plasma có thể được sử dụng cho các hoạt động lắng đọng kim cương như Plasma tần số cao, MW, Glow, laser, AC, Plasmatrons và Plasmatron, DC, ngọn lửa, v.v… Để tiến hành phản ứng, tiền chất phụ thuộc vào nguồn của chúng một cách thích hợp tỷ lệ được đưa vào lò phản ứng.
Sự hiện diện của H2O, O2, CO2, N2 và CO với tỷ lệ phần trăm ít hơn được khuyến nghị nhưng tỷ lệ các khí được bơm là đáng kể để chạy các lò phản ứng. Để tạo ra một lớp kim cương mỏng trên đế, một số yếu tố đóng vai trò tối đa như yêu cầu năng lượng cụ thể, mức tiêu thụ năng lượng cụ thể, tốc độ dòng chảy, đầu vào năng lượng, thành phần khí, môi trường lắng đọng, nhiệt độ, áp suất, điện áp phân cực và độ chọn lọc gốc.
Kết quả nghiên cứu đã được báo cáo tốc độ tăng trưởng từ 0,1 đến 10 micromet mỗi giờ và lên đến 100 micromet mỗi giờ liên quan đến chất nền và loại lò phản ứng Plasma được áp dụng.
Kết hợp các thành phần khí đầu ra (CO, CH4, CO2, H2, v.v.) và sử dụng các biến nhiệt độ và áp suất phù hợp, không thể thiếu để tăng chất lượng và tốc độ lắng đọng kim cương.
Công nghệ Diamond CVD là cơ hội dễ dàng để tích hợp các nguồn linh tinh. Nhân tiện, ngọn đuốc Plasma trong khí quyển sở hữu cho thiết kế các nguồn Plasma nhỏ và chi phí thấp. Những nỗ lực hơn nữa về đặc tính nhiệt của màng kim cương có được từ các tổ hợp khí khác nhau đã phát triển rằng hiệu suất và chất lượng nổi bật đạt được bằng cách sử dụng môi trường giàu H2, môi trường H2–CH4.
Do đó, công nghệ Plasma được coi là một công nghệ hiệu quả để xử lý khí thải nhà kính và mở đường cho hóa học xanh và các sản phẩm giá trị gia tăng.
Syeda Azeem Unnisa, Malek Hassanpour. October 22, 2017.
