Plasmaverfahren

in der Umwelttechnik –

Ein Überblick

Ronny Brandenburg INP Greifswald e.V. Leibniz Institut für Plasmaforschung und Technologie Forschungsschwerpukt Schadstoffabbau

VON DER IDEE ZUM PROTOTYP

Inhalt

1 Plasmatechnologie

Begriffe und Grundlagen (Plasmaerzeugung)

Plasmatechnologie als Querschnittstechnologie

2 Plasmatechnologie als Umwelttechnologie

Anwendungsfelder

Prinzipien der Plasmachemie

Abgas- und Abluftbehandlung

Wasserbehandlung

3 Zusammenfassung und Ausblick

Plasma: Der „vierte Aggregatzustand“

Festkörper Flüssigkeit Plasma Gas

-

+ -

+

+ +

+ -

-

-

schmelzen

verdampfen

ionisieren Ion + - Elektron

Neutrales

Mehr als 99% der sichtbaren Materie sind im Plasmazustand!

- +

Nicht-thermisches Plasma (NTP)

Plasma:

• Physikalische Systeme, deren Eigenschaften durch freie

Ladungsträger (Elektronen, Ionen) bestimmt sind.

Nicht-thermisches Plasma (NTP):

• Thermisches-Nichtgleichgewicht der Teilchensorten

(Neutrale, Ionen, Elektronen) miteinander

• Erzeugung von Ionen und Radikalen, die nicht-

thermische chemische Reaktionskanäle ermöglichen

Behandlung thermolabiler Proben

Chemische Reaktionen bei geringer Gastemperatur

Steuerbar durch elektromagnet. Felder

Strahlungserzeugung

- +

Ion + - Elektron

Neutralteilchen

+

+

+

+

-

-

- -

+ -

Technische Plasmaerzeugung: Gasentladung

Barrierenentladung Koronaentladung

Gas

Grounded electrode Wire electrode Grounded electrode

Dielectric electrode

High voltage

Plasma: Querschnittstechnologie

Plasmatechnologie ist Umwelttechnologie

Plasma ermöglicht Energie- und Ressourcen schonende Prozesse

Effiziente Plasmastrahlungsquellen mit langer Lebensdauer

Effiziente Oberflächenbearbeitungsprozesse

(UV-Strahlungsquellen, Oberflächenaktivierung)

Plasmabrenner für Abgase und Müllverbrennung

Abgase, Müllverbrennung, Pyrolyse (Vergasung)

Plasmagestützte Erzeugung von aktiven Stoffen (z.B. Ozon)

Trinkwasseraufbereitung

Bleichmittel

Abbau von Schadstoffen (plasma- und photochemische Reaktionen)

Abgasbehandlung (Saure Gase, Rußpartikel, …)

Elektrostatische Abscheider („Elektrofilter“)

Abluftbehandlung (Flüchtige organische Verbindungen, Gerüche, …)

Wasserbehandlung

Partikelfiltration: Elektrofilter

Voltage: 30–80 kV

Down to 1 μm diameter

Up to 300.000 Nm3/h

M. Bank „Basiswissen Umwelttechnik“ 2006

ABB

Plasmachemie

Barrierenentladung mit Mikroentladungen

1. Durchbruchphase (ps … ns) Elektrischer Durchbruch (Mikroentladung)

Ionisation, Dissoziation, Anregung … Bildung von Ionen, Elektronen & Radikalen

2. Reaktionsphase (µs … ms) Rekombination und Umwandlung von Ionen und Radikalen

(primären Radikale OH, O sekundäre Radikale O3, HO2, …)

Oxidation der Schadstoffe

Oberflächenreaktionen (Aktivierung, Strukturveränderung)

3. Nachreaktionsphase (ms … s) Diffusion, Wärme- und Stofftransport, chemische Reaktionen

Bildung von Aerosloen

Adsorption

Chemische Reaktionen durch Reaktionsvermittler

Gas

Nachbehandlung

Gas Gas

Reaktionsvermittler

Elektronenstrahlverfahren

A.G. Chmielewski et al; INCT Warschau; Kraftwerk “Pomorzany” Stettin/PL 10

270.000 Nm3/h of flue gas

SO2 removal efficiency above 95%

NOx removal efficiency above 70%

Dose up to 10 kGy

NO NO2 HNO3 NH4NO3

SO2 HSO3 H2SO4 (NH4)2SO4

Plasma-basierte Katalyse (DeNOx)

Projekt: ERA-MARTEC: “Plasma based catalytic treatment of diesel exhaust”, gef. durch das BMWi

Partikelfiltration: Ionenwind und Rußabbau

S. Müller, et al.; Plasmas and Polymers, 2007 M. Okubo et al.; Thin Solid Films, 2006

VOCs und Gerüche

Volatile Organic Compounds (VOCs)

Methan (CH4) und non-methane VOC (NMVOC)

Umweltschädlich (Treibhauseffekt; Ozonbildung)

Gesundheitsschädlich (Sick Building Syndrom, krebseregend)

Gerüche

Schwefelverbindungen, NH3, VOCs, …

TA Luft (Erste Allgemeine Verwaltungsvorschrift zum BImSchG):

„Bei Anlagen, die bei bestimmungsgemäßem Betrieb oder wegen betrieblich bedingter

Störanfälligkeit geruchsintensive Stoffe emittieren können, sind Anforderungen zur

Emissionsminderung zu treffen … Soweit in der Umgebung einer Anlage

Geruchseinwirkungen zu erwarten sind, sind die Möglichkeiten, die Emissionen durch dem

Stand der Technik entsprechende Maßnahmen weiter zu vermindern, auszuschöpfen.”

Ostsee-Zeitung vom 6. März 2008

Biodieselwerk: Ortsrat kämpft bis zum Schluss

Der Ortsrat von Wieck/Ladebow fordert die Bürger auf, bis 31.

März Einwendungen gegen das Biodieselwerk einzureichen.

Eldena Aufmerksame Stille Dienstagabend in der „Klosterschenke“. Gut 80

Wiecker, Ladebower, Eldenaer und Bewohner des Ostseeviertels waren zur

gemeinsamen Sitzung der Ortsräte gekommen, um Flagge zu zeigen gegen

den geplanten Bau eines Biodieselwerkes im Industriehafen Ladebow. Die

Beispiel: Abluft nach Aromatisierung

R. Rafflenbeul, Envisolve.com; Germany

ca. 10.000 Nm³/h Abluft (Anlagen bis 80.000 Nm3/h)

Indirekte Plasmabehandlung, d.h. plasmabehandelter Teilluftstrom zugemischt

Kombination mit vorgeschalteter Molekularsiebpufferstufe

Anreicherung der höhermolekularen Verbindungen

Oxidation der Geruchsstoffe, die Molekularsieb passieren

Nach bestimmter Anreicherungszeit thermische Regeneration des

Molekularsiebes (mit katalytischer Nachverbrennung)

Beispiel Fleischverarbeitung

(“Bratstraße”) mit 8.000 Nm3/h Abluft)

Bsp.: Lebensmittelverarbeitung/Gastronomie

M. Langner; Airtec competence GmbH

Beispiel Fischverarbeitung (Industriefritteuse)

bis 20.000 Nm³/h (Feinstaub)

Drei-Stufige Systeme

Vorfilter (Staub)

Plasmastufe (Oxidation)

Aktivkohlestufe

Einordnung/Anwendungsbereiche

Hohe Effizienz bei geringen Kontaminationen (<< 1 gCorg/Nm3)

abhängig von Stoff, Gasfluß, Temperatur, Feuchtigkeit

Gasdurchsätze bis 100.000 Nm3/h realisierbar

Wirkungsgrade: 75 … 99 %

Investitionskosten ca. 10.000 € pro 1.000 Nm3/h

Betriebskosten ca. 7 €/h (bei 50.000 Nm3/h)

H.H. Kim nach Dyer und

Mulholland, Chem. Eng.

1994

Elektrode

Isolator

* S. Müller, R.-J. Zahn; Contributions to

Plasma Physics 47 (2007) 520-529

Mobiler NTP-Reaktor für Feldversuche

Geringer Gegendruck

Große Elektrodenoberfläche

Gute Skalierbarkeit

Barrierenentladung als Stapelreaktor*

Bis 1.000 Nm3/h Teilluftstrom

Div. Adsorber/Katalysatoren

nachschaltbar

Mobile Analytik (Elektrische

Messung, FID, FTIR) incl.

Wasserbehandlung mit Plasmen

Gas in

Remote

Treatment

UV-

treatment

Indirect

plasma

treatment

Direct

plasma

treatment

O3

Plasmen in Wasser

Starke aber kurze gepulste elektrische Felder und gepulste Entladungen in

Wasser ermöglichen schnelle und effiziente Entkeimung und chemische

Dekontamination von Flüssigkeiten ohne zusätzliche Chemie

Wirkung durch elektrische Felder, Strahlung (UV), chemisch aktive Moleküle und

Schockwellen

Abhängig von den Pulsparametern können Mikroorganismen entweder nur

zeitweilig inaktiviert werden, um ihre Ablagerung zu verhindern, oder auch

abgetötet werden

J. Kolb, INP Greifswald/ODU Norfolk

1cm

0,0

20,0

40,0

60,0

80,0

100,0

120,0

0 5 10 15 20 25 30treatment time [min]

co

nc

en

tra

tio

n o

f n

itra

te

[mg

/l]

0,0

5,0

10,0

15,0

20,0

0 5 10 15 20 25 30

treatment time [min]

co

nc

en

tra

tio

n o

f h

yd

rog

en

pe

rox

ide

[mg

/l]

0,0

0,5

1,0

1,5

2,0

0 5 10 15 20 25 30treatment time [min]

co

nc

en

tra

tio

n o

f n

itri

te

[mg

/l]

2,00

3,00

4,00

5,00

6,00

7,00

8,00

0 5 10 15 20 25 30

treatment time [min]

pH

pH NO3-

NO2- H2O2

Wirkung Plasma auf Flüssigkeiten

1,00E+00

1,00E+01

1,00E+02

1,00E+03

1,00E+04

1,00E+05

1,00E+06

1,00E+07

1,00E+08

1,00E+09

0 5 10 15 20 25 30

treatment time [min]

nu

mb

er

of

via

ble

mic

roo

rga

nis

ms

1.5 ml (NaCl)

1.5 ml (PBS)

5.0 ml (NaCl)

5.0 ml (PBS)

10.0 ml (NaCl)

10.0 ml (PBS)

detection limit

109

108

107

106

105

104

103

102

101

100

HNO2-Bildung

H2O2-Bildung

kein O3-Effekt

elektr. steuerbar

Zusammenfassung und Ausblick

Plasmaverfahren sind eine effiziente Alternative zur Behandlung

gering kontaminierter Abluftströme.

Breiter Wirkungsbereich (Saure Gase, VOC, Partikel, Mikroorganismen)

Kombination mit anderen Verfahren

Kritisch: Energieeffizienz, Selektivität und Nebenprodukte, Aerosole

Offene fundamentale Fragenstellungen müssen beantwortet werden

Verknüpfung Entladungsphysik – Plasmachemie

Physikalisch-chemische Effekte bei Wechselwirkung mit

Reaktionsvermittlern (katalysatoren, Adsorber, Flüssige Phase)

Elektrischer Durchbruch in Flüssigkeiten und Wirkungsmechanismen von

Plasmen in Flüssigkeiten

Zusammenfassung und Ausblick

Contact

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