Plasmatechnik zur Wasseraufbereitung und Produktdekontamination

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1 M2 Plasmatechnik zur Wasseraufbereitung und Produktdekontamination Jörg Ehlbeck Uta Schnabel Katrin Oehmigen Ronny Brandenburg Thomas von Woedtke DLG-Fachtagung Bewässerung 2012 Güstrow, VON D ER ID EE B IS ZU M PROTOT YP

2 Folie 1 M2 Farbvorschläge RGB Rot: 182/18/62 Gelb: 243/149/16 Blau: 33/129/192 Marketing;

3 Einteilung 1. Was ist Plasma? 2. Welche Plasmen gibt es? 3. Wo werden diese eingesetzt? 4. Plasma als Alternative? 5. Was erforscht das INP? 6. Projekte und Zukunftswünsche VON D ER ID EE B IS ZU M PROTOT YP

4 1. Was ist Plasma? Plasma (griechisch πλάσµα plásma Gebilde ) physikalisches Plasma = elektr. leitendes Gas Gas, teilweise oder vollständig aus Ionen und Elektronen bestehend freie Ladungsträger > 99 % der sichtbaren Materie im Universium ist im Plasmazustand Beispiele für natürlich vorkommende Plasmen: Sterne, Sonne, Blitz, Polarlicht, Wetterleuchten 3

5 1. Was ist Plasma? vierter Aggregatzustand typisches Leuchten: Strahlungsemission angeregter Gasatome, Ionen oder Moleküle Ausnahmen: sehr kalte (Weltraum) oder so heiße, dass die Atome vollständig ionisiert sind (im Zentrum von Sternen) 4

6 1. Was ist Plasma? vorhandene Spezies: In der Biosphäre gibt es keine praktisch nutzbaren natürlichen Plasmen. Um ein Plasma technisch anwenden zu können, muss man es daher erzeugen. Dies geschieht meist mit Hilfe einer Gasentladung. 5

7 t, E 1. Was ist Plasma? antimikrobielle Agenzien im Plasma: (V)UV-radiation Inaktivierung von DNA und RNA Erosion der Zellwand oder -membran Globale Effekte Wärme Denaturierung von Enzymen, Oxidation Elektrische Felder Irreversible Elektroporation (Lyse) E + + Radikale / Chemische Produkte Abtrag der äußeren Strukturen (Reaktives Ätzen durch O, O 2 *) Oxidation von DNA, Proteinen, Enzymen oder Membranen (OH, O) Einfluss auf den Stoffwechsel / Stimuli (O 3, NO) Geladene Teilchen (Ionen) Irreversible Elektroporation (Lyse) durch Ladungsakkumulation Chemisches Sputtern (äußere Strukturen)

8 2. Welche Plasmen gibt es? Niederdruck-Plasmen einfach zu steuern große Ausdehnung hohe Homogenität niedrige Prozesstemperaturen Vakuumtechnik erforderlich metallische Bestandteile problematisch 7

9 2. Welche Plasmen gibt es? Atmosphärendruck-Plasmen Ronny Brandenburg 8

10 3. Wo werden Plasmen eingesetzt? 9

11 4. Plasma als Alternative? EHEC (enterohämorrhagischer Escherichia coli) Listeria monocytogenes Samonella spp. 10

12 4. Plasma als Alternative? Feld Rohstoff Transport Produktionskette Lebensmittel Eintrag einer mikrobiellen Belastung: Lagerfähigkeit Lebensmittelsicherheit Abgasemission Zerkleinerung Waschprozess Trocknung Verpackung nicht-therm. techn. Gegenmaßnahmen ohne Plasma Chlordioxid Elektrolytisch angeregtes Wasser Plasma Niederdruck Blitzlampen UV-Licht Atmosphärendruck Ozon Plasmamodifiziertes Wasser Transport Handel Konsument Plasmaquellen (Plasma-Jet, DBE, Mikrowelle) 11

13 Wasseraufbereitung mittels Ozon Ozon bei kommunalen und industriellen Abwässern: der Abwasserreinugung nachgeschaltet Desinfektion oxidative Elimination/Transformation von nicht/ schlecht abbaubaren organischen Spurenstoffen (insbesondere Medikamentenrückstände) Nachteile: Produktion in großen Mengen teuer und energieaufwendig Schutzmaßnahmen gegen giftige/ ätzende Dämpfe mögliche Entstehung von Nitrosaminen einige Stoffe nicht abgebaut (iodhaltige Röntgenkontrastmittel) Hochozonisierung zur Unterstützung der Filteranlagen bei Oberflächenwasser 12

14 Wasseraufbereitung mittels UV-Strahlung Trinkwasseraufbereitung Niederdruck-Quecksilberdampflampen keine Chemikalien erforderlich keine Beeinflussung des Mediums keine Resistenzausbildung Wasseraufbereitung im Schwimmbad zum Abbau von Chloraminen Nachteile Schädigung von Kunststoffen, Farbpigmenten und Lacken Erzeugung von Ozon möglich Pflanzen haben keinen Schutz gegen UV-C und gering gegen UV-B, Gewöhnung an UV-A möglich 13

15 5. Was erforscht das INP? Prinzip plasmagestützte Abluftreinigung Barrierenentladungen Gas Dielektrikum Hochspannungsversorgung Geerdete Elektrode Chemische Reaktion durch aktive Plasmabestandteile Vorteile: Abbau ohne Aufheizung (nicht-thermisch) Breiter Wirkungsbereich: (Gase... Feinstaub/Aerosole) Abbau organischer Partikel Energetisch günstig für geringe Verunreinigungsgrade Direkter Abbau oder Konditionierung Synergien mit anderen Verfahren Steuerbar durch elektrische Betriebsparameter Risiken: Nebenprodukte (O 3,...) Effizienz und Selektivität Hochspannungstechnik 14

16 5. Was erforscht das INP? Barrierenentladung in Luft bei Atmosphärendruck Elektrode Dielektrikum Mikroentladungen Elektrischer Durchbruch Initiierung chem. Prozesse 15

17 5. Was erforscht das INP? Mechanismen der Abluftbehandlung Plasmareaktor mit Mikroentladungen Nachbehandlung Gas Gas Gas 1. Durchbruchphase (ps ns) Elektrischer Durchbruch (Mikroentladung) Ionisation, Dissoziation, Anregung Ionen, Elektronen & Radikale 2. Reaktionsphase (µs ms) Rekombination und Umwandlung von Ionen und Radikalen (primären Radikale OH, O sekundäre Radikale O 3, HO 2, ) Oxidation im Volumen und Oberflächenreaktionen Reaktionsvermittler (Adsorber, Katalysator, Wäscher) 3. Nachreaktionsphase (ms s) Diffusion, Wärme- und Stofftransport, chemische Reaktionen Bildung von Aerosloen Adsorption Chemische Reaktionen durch Reaktionsvermittler 16

18 5. Was erforscht das INP? Wasserfall-Reaktor Wasser fließt aufwärts durch eine hohle, vertikale Zylinderelektrode und abwärts entsteht ein wasserfilm über der Hochspannungselektrode Wasserbehandlung (Farbstoffe) Behandlung der Gasphase mit Waschung Entfernung von Undecan (unlöslich) Waschung der Nebenprodukte (Ameisensäure) With water w/o water V. Kovacevic, M. Kuraica; University of Belgrade R. Brandenburg; INP Greifswald 17

19 5. Was erforscht das INP? Atmosphärendruckplasmen produzieren große Zahl reaktiver Spezies (Gas) welche mit flüssigen Medien reagieren können beispielhaft sind einige Reaktionen die im Wasser oder an der Wasseroberfläche stattfinden dargestellt Plasma-Flüssigkeits-Wechselwirkungen Katrin Oehmigen 18

20 5. Was erforscht das INP? Surface Dielectric Barrier Discharge(DBD) Arbeitsgas: Umgebungsluft Spannung: 10 kv peak Frequenz: 20 khz Plasma an/aus Zeit: 0.413/1.223 s Abstand zwischen Wasseroberfläche und Elektrode: 5 mm Durchmesser der Elektrode: 35 mm / 9.6 cm 2 Leistung: 0.25 W/cm 2 19

21 5. Was erforscht das INP? Ansäuerung und Entstehung von Nitrat und Wasserstoffperoxid 8,0 250,0 ph 6,0 4,0 2,0 ph 2.5 ml 5.0 ml 7.5 ml 10.0 ml concentration of nitrate ions [mg/l] 200,0 150,0 100,0 50,0 2.5 ml 5.0 ml 7.5 ml 10.0 ml Nitrat concentration of hydrogen peroxide [mg/l] 0, ,0 20,0 15,0 10,0 5,0 2.5 ml 5.0 ml 7.5 ml 10.0 ml treatment time [min] H 2 O 2 0, treatment time [min] 0, treatment time [min] kleine Volumen hohe Konzentrationen von NO 3- und H 2 O 2, starke Ansäuerung erhöhtes Volumen niedrigere Konzentrationen von NO 3- und H 2 O 2, Ansäuerung 20

22 5. Was erforscht das INP? Ausbreitungsphasen: Entstehung von H + ph Änderung (Methylorange als ph Indikator) Oberflächenreaktion direkte Gas-Wasser- Interaktion Ausbreitungsphase Ausbildung einer Diffusionsfront Gradientenbeeeinflusste Diffusion Entstehung von Nitrit (Spectroquant Nitrittest) z. B. Temperatur, magnetische Felder Tropfen- und Strukturbildung 21

23 5. Was erforscht das INP? Inaktivierung behandelter Bakteriensuspensionen number of viable microorganisms ,00E+09 1,00E ,00E+07 1,00E ,00E ,00E ,00E ,00E ,00E ,00E ml (NaCl) 1.5 ml (PBS) 5.0 ml (NaCl) 5.0 ml (PBS) 10.0 ml (NaCl) 10.0 ml (PBS) detection limit number of viable microorganisms ,00E ,00E ,00E ,00E ,00E ,00E ,00E ,00E ,00E ml (NaCl) 1.5 ml (PBS) 5.0 ml (NaCl) 5.0 ml (PBS) 10.0 ml (NaCl) 10.0 ml (PBS) detection limit 1,00E treatment time [min] treatment time [min] E. coli S. aureus 22

24 5. Was erforscht das INP? Plasmabehandlung von ungepufferter isotonischer Kochsalz-Lösung, sofortige und 30 Minuten verzögerte Zugabe von E. coli Suspension, Wirkzeit 15 Minuten 1,00E+09 number of viable microorganisms (cfu. ml -1 ) ,00E ,00E ,00E ,00E ,00E ,00E ,00E ,00E ,00E+00 plasma treated NaCl solution added to to E. E. coli coli with with min min delay plasma treated NaCl NaCl solution directly added to to E. E. coli coli plasma treated treated E. E. coli coli suspension detection limit plasma treatment time [min] 15 min incubation 23

25 5. Was erforscht das INP? liquid phase gas/plasma phase O 3 O A I R HNO 3 CO 2 N 2 O N 2 O + O O + H 2 O 2 HO 2 HO H 2 O 2 HO + O 3 HOO + O 2 2 NO -2 O O 3 2 NO 2 W A T E R HNO 3 HOO H+ + O 2 2 HOO H 2 O 2 + O 2 NO + O H + ONOOH - O NO 2 + HO ONOOH ONOOH HNO NO H + ONOOH ONOO - + H + N 2 O O 3 CO 2 4 NO + O H 2 O 4 H NO NO 2 + O H 2 O 4 H NO - 3 ONOO - + CO 2 ONOOCO - 2 NO 2 + CO

26 5. Was erforscht das INP? Plasmamedizin/ Dekontamination 25

27 5. Was erforscht das INP? E. coli K-12 on agar treated with plasma source PLexc log of viable microorganisms (cfu. cm -2 ) upper detection limit lower detection limit log of viable microorganisms (cfu. cm -2 ) treatment time [min] ,5 1 treatment time [min] 10E+05 10E+04 10E+03 10E+02 10E+01 E. coli O157:H- on agar treated with plasma source PLexc EHEC-Thematik log of viable microorganisms (cfu. cm -2 ) upper detection limit 0-1 lower detection limit treatment time [min] 10E+05 10E+04 10E+03 10E+02 10E+01 26

28 5. Was erforscht das INP? Plasma-Jet kinpen 09 Mikrowellen-Plasma PLexc 27

29 6. Kooperationen und Zukunftswünsche Kooperationen und Projekte im Bereich der Lebensmittel/ Agrarprodukte und Verpackungen ausweiten 28

30 Kontakt Leibniz-Institut für Plasmaforschung und Technologie e.v. Adresse: Felix-Hausdorff-Str. 2, Greifswald Telefon: , Fax: welcome@inp-greifswald.de, Web: 29