REKLAMA


 

REKLAMA


 

Wyróżniona dysza plazmowa o konstrukcji barierowej Wyróżniona dysza plazmowa o konstrukcji barierowej Archiwum autorki

Piękno i siła w cząstkach gazu

W stanie plazmy znajduje się niemal cała materia w dzisiejszym Wszechświecie. Na Ziemi jednak nie tak łatwo ją uzyskać. Za to kiedy już się uda, możliwości zastosowań w medycynie, biotechnologii, rolnictwie i przemyśle jest mnóstwo.


Pawlat_Joanna

Autorką tekstu jest
dr hab. inż. Joanna Pawłat

Politechnika Lubelska
e-mail: Ten adres pocztowy jest chroniony przed spamowaniem. Aby go zobaczyć, konieczne jest włączenie w przeglądarce obsługi JavaScript.  

 

Dr hab. inż. Joanna Pawłat jest kierownikiem Zakładu Technologii Plazmowych i Energii Odnawialnej PL. Zajmuje się zastosowaniami plazmy nisko- temperaturowej do generacji środków utleniających, usuwania zanieczyszczeń, dekontaminacji oraz obróbki materiałowej. W 2012 roku została wytypowana przez Komisję Europejską na jedną z postaci kampanii „Kobiety w dziedzinie badań i innowacji – nauki ścisłe są dla dziewczyn!” (Science: it’s a girl thing!).  

 


Plazma to przewodzący, zjonizowany gaz o odpowiedniej koncentracji swobodnych nośników ładunków w postaci dodatnich jonów i elektronów o zerowym wypadkowym ładunku elektrycznym. Chociaż we Wszechświecie ponad 99% materii znajduje się w stanie plazmy, w warunkach ziemskich nazywana jest ona czwartym stanem skupienia. Jej piękno możemy obserwować podczas wyładowań atmosferycznych, dla potrzeb człowieka zaś plazma generowana jest w wyniku wyładowań elektrycznych w reaktorach o specjalnej konstrukcji, zwanych plazmatronami. Kiedy energie elektronów w wytwarzanej plazmie są znacznie większe niż energie pozostałych cząstek – jonów i cząstek neutralnych, mamy do czynienia z plazmą nierównowagową (nietermiczną). Zależnie od komponentów gazu substratowego w plazmie można uzyskać aktywne czynniki (rodniki, wysokoenergetyczne elektrony, jony, cząstki metastabilne, cząstki neutralne oraz promieniowanie w różnych zakresach widma), umożliwiające przeprowadzenie reakcji biochemicznych przy stosunkowo niewysokiej temperaturze gazu roboczego. Ze względu na szerokie możliwości zastosowań, prostotę konstrukcji i niższe koszty inwestycyjne wyjątkowo korzystnym rozwiązaniem są generatory plazmy nierównowagowej mogące pracować pod ciśnieniem atmosferycznym.

 

Oczyszczający ozon

 

Rozwój przemysłu prowadzi do pojawiania się zanieczyszczeń chemicznych i mikrobiologicznych: powietrza, wody i gleby. Konieczne są więc badania nad efektywnymi, tanimi technologiami kontroli zanieczyszczeń, szczególnie że klasyczne oczyszczanie chemiczne i biologiczne często nie wystarcza.

 

Ozon (O₃) jako silny utleniacz i skuteczny środek do dezynfekcji już od wielu lat jest stosowany w ochronie środowiska do usuwania zanieczyszczeń z powietrza, wody, ścieków oraz gleby. Stosowanie ozonu stanowi przykład technologii bezodpadowej i przyjaznej dla środowiska. Ozonu nie da się przechowywać, ponieważ ma krótki czas rozpadu oraz wysoką reaktywność. Dlatego musi być wytwarzany na miejscu jego stosowania. Zwykle jest generowany z suchego gazu substratowego (powietrze, tlen) w reaktorach plazmowych (najczęściej na drodze wyładowań barierowych), a następnie transportowany do miejsca wykorzystania, gdzie jest dystrybuowany w komorze reakcyjnej poprzez sieć rur i dyfuzorów.

 

           Dysza plazmowa i jej twórcy – od lewej Michał Kwiatkowski, Joanna Pawłat, Piotr Terebun (fot. Dariusz Sowa)

 

Coraz bardziej popularną alternatywą, a niejednokrotnie też koniecznym etapem procesu puryfikacji mediów, stają się procesy zaawansowanego utleniania (ang. advanced oxidation processes – AOP). W procesach tych głównym czynnikiem aktywnym są biodegradowalne silne utleniacze, które nie przyczyniają się do powstania zanieczyszczeń wtórnych. Do kategorii AOP zaliczyć można symultaniczne stosowanie takich związków jak ozon, woda utleniona, rodniki hydroksylowe, promieniowanie UV, promieniowanie gamma czy katalizatory. W ciągu ostatnich lat poszukiwano rozwiązań, które pozwoliłyby uniknąć strat wynikających z konieczności przesyłu utleniaczy, a także umożliwiły uproszczenie budowy układów oczyszczania. Istnieje wiele zanieczyszczonych mediów (w tym również wilgotne gazy oraz ciecze), w których dzięki zastosowaniu reaktorów hybrydowych o specjalnej konstrukcji można by jednocześnie wytwarzać utleniacze i usuwać zanieczyszczenia. Procesy mogłyby przebiegać w tej samej przestrzeni reakcyjnej, m.in. przy użyciu wyładowań elektrycznych zachodzących bezpośrednio w oczyszczanym ośrodku, którym mogą być np. ciecze, piany, wilgotne gazy oraz wilgotne powierzchnie (np. skóra ludzka). Badania wzajemnych interakcji w układach ciecz–gaz oraz zachodzące w nich podczas wyładowań elektrycznych zjawiska stały się dziś ważnym działem inżynierii elektrycznej i biochemicznej. Doświadczenia z wyładowaniami elektrycznymi w środowiskach wilgotnych zdobyte podczas mojego 12-letniego pobytu w Japonii przyczyniły się do wskazania kolejnych możliwych obszarów badań nad zastosowaniem plazmy. W 2010 roku otrzymałam Marie Curie Reintegration Grant na realizację projektu dotyczącego sterylizacji niskotemperaturową plazmą atmosferyczną i powróciłam do kraju. Zapoczątkowało to badania nad bezpośrednią dekontaminacją materiałów zimną plazmą na Wydziale Elektrotechniki i Informatyki Politechniki Lubelskiej i zaowocowało przyjęciem do programu COST Action MP1101: Biomedical Applications of Atmospheric Pressure Plasma Technology, COST Action TD1208: Electrical discharges with liquids for future applications oraz do sieci BalticNet PlasmaTec. Do współpracy w zakresie zastosowań plazmy pozyskaliśmy partnerów ze Słowacji, z Japonii, Korei, Turcji, ze Słowenii i z Niemiec.

 

Plazma w medycynie

 

Szczególnie interesujące wydają się potencjalne zastosowania plazmy w ochronie zdrowia. Uporczywe zakażenia bakteryjne spowodowane obecnością warstwy biofilmów na różnorakich powierzchniach stanowią dziś problem wielu oddziałów medycznych, zakładów biotechnologicznych i zakładów przetwórstwa żywności. Do powierzchni wymagających dodatkowych technik dezynfekcyjnych należą ścianki wyposażenia (dystrybutory wody, cewniki, dreny, maski, elementy aparatury dentystycznej i wentylacyjnej), bielizna, materiały, opatrunki, żywe tkanki (odleżyny w chorobach przewlekłych, trudno gojące się rany), protezy, implanty, stenty, pojemniki do przechowywania żywności i leków oraz żywność sama w sobie. Biofilmy są skomplikowanymi, trójwymiarowymi koloniami mikroorganizmów (bakterie, grzyby, pierwotniaki) zawieszonymi w macierzy silnie adhezyjnych związków polimerowych przez nie same wydzielanych. Według doniesień różnych agencji zajmujących się ochroną zdrowia biofilmy wykrywa się w przebiegu większości wszystkich znanych infekcji, bakterie występujące wraz z innymi mikroorganizmami w postaci biofilmu mogą być zaś wielokrotnie odporniejsze na działanie leków i dezynfektantów od tych istniejących samodzielnie – w postaci planktonicznej.

 

Doświadczenia ze sterylizacją przy użyciu plazmy z wykorzystaniem reaktorów próżniowych sięgają lat 60. ubiegłego wieku. W przypadku plazmy generowanej pod ciśnieniem atmosferycznym zastosowanie plazmy w celach bakterio-, wiruso- i grzybobójczych przy zachowaniu niskiej temperatury prowadzenia procesu i ograniczeniu możliwości degradacji termicznej próbek, jakkolwiek ogromnie obiecujące, wciąż stanowi wyzwanie.

 

Biologiczne i medyczne zastosowania plazmy niskotemperaturowej wykorzystują określone właściwości wyładowań elektrycznych. Główną rolę grają wytwarzane podczas tych wyładowań związki chemiczne, takie jak ozon, tlenki azotu, nadtlenek wodoru i ich wysokoreaktywne pochodne. Istotne są również: promieniowanie elektromagnetyczne (ciepło, światło i pole elektryczne mają wpływ na przepuszczalność błon komórkowych) oraz naprężenia ścinające i osuszanie wywołane ewentualnym przepływem strumienia gazu. Głębokość penetracji czynników aktywnych nie jest duża i oddziaływanie plazmy można uznać za powierzchniowe. Prowadzone są badania nad zastosowaniem reaktorów plazmowych w temperaturach bliskich temperaturze ciała ludzkiego, a więc nieprowadzących do degeneracji białek w żywych komórkach, m.in. do dekontaminacji i koagulacji ran powierzchniowych, wspomagania leczenia stopy cukrzycowej, nowotworów skóry i błon śluzowych. Ponadto plazma może znaleźć zastosowanie w inżynierii tkankowej oraz w modyfikacji własności powierzchniowych materiałów w celu poprawy biokompatybilności implantów, stentów, soczewek i protez.

 

           Nasiona ogórka przed 5-sekundową obróbką plazmową i po niej (fot. Konrad Witek, Keyence)

 

Obiecujące wyniki daje zastosowanie plazmy nietermicznej i cząstek aktywnych w niej generowanych w przemyśle rolno-spożywczym m.in. dla ochrony przed patogenami i w wydłużeniu czasu przydatności do spożycia. Według doniesień światowych i naszych badań plazma niskotemperaturowa ma pozytywny wpływ na skrócenie okresu kiełkowania wybranych gatunków roślin oraz na zwiększenie tempa ich przyrostu (np. w przypadku pomidorów i szpinaku). Udokumentowano pozytywny wpływ tlenków azotu generowanych w plazmie niskotemperaturowej na wzrost i dojrzewanie roślin oraz na poprawę parametrów glebowych, co pozwala na zmniejszenie zużycia nawozów sztucznych.

 

Nasze wynalazki

 

Zespół Zakładu Technologii Plazmowych i Energii Odnawialnej specjalizuje się w projektowaniu reaktorów plazmowych bezpośredniego zastosowania oraz w badaniu ich potencjalnych zastosowań. Dążymy do takiego doboru składu chemicznego gazu roboczego, ciśnienia i geometrii wyładowania, który umożliwiałyby inicjację pożądanych reakcji chemicznych przez wysokoenergetyczne elektrony przy jednoczesnym zachowaniu bezpiecznej temperatury w obrębie próbki. Dla potrzeb prowadzonych badań opracowaliśmy bazowe konstrukcje reaktorów typu glide-arc oraz dysz plazmowych o różnej konstrukcji współpracujących z układami zasilania wysokich częstotliwości.

 

Nasz zespół z Politechniki Lubelskiej: Michał Kwiatkowski, Piotr Terebun, Jarosław Diatczyk i ja, zbudował również niewielki, mobilny reaktor, który wyróżnia się prostotą, bezpieczeństwem oraz niskimi kosztami produkcji, umożliwiając dostęp do technologii plazmowych szerokiemu gronu odbiorców. Dysza plazmowa zespołu z Zakładu Technologii Plazmowych i Energii Odnawialnej została uznana za jeden z najlepszych wynalazków w kraju podczas VI edycji konkursu „Student-Wynalazca”. W nagrodę doktoranci Michał Kwiatkowski i Piotr Terebun pojadą do Genewy na 44. Międzynarodową Wystawę Wynalazków. (Reaktor otrzymał tam srebrny medal – uzupełnienie redakcji 12.09.2016).

 

 

Chcesz wiedzieć więcej?

Pawłat J. (2013). Atmospheric pressure plasma jet for decontamination purposes. European Physical Journal-Applied Physics 61(2), 1-11.
Brisset J.-L., Pawłat J. (2016). Chemical effects of air plasma species on aqueous solutes in direct and delayed exposure modes: discharge, post-discharge and plasma activated water. Plasma Chemistry and Plasma Processing 36(2), 355-381.
Pawłat J., Kwiatkowski M., Terebun P., Murakami T. (2015). Rf-powered atmospheric-pressure plasma jet in surface treatment of high-impact polystyrene. IEEE Transactions on Plasma Science 99, 1-7.
Ozonek J., Wroński M., Pollo I. (2000). Ozone synthesis – mechanism and technology. Polish Journal of Chemical Technology 2, 19-24.
Pawłat J. (2013). Electrical discharges in humid environments. Generators, effects, application. Lublin: Politechnika Lubelska, 141 s.


© Academia nr 1 (45) 2016

 

 

Oceń artykuł
(1 głosujący)

Tematy

agrofizyka antropologia kultury antropologia społeczna archeologia archeometalurgia architektura Arctowski arteterapia astrofizyka astronomia badania interdyscyplinarne behawioryzm biochemia biologia biologia antaktyki biologia płci biotechnologia roślin borelioza botanika chemia chemia bioorganiczna chemia fizyczna chemia spożywcza cywilizacja demografia edukacja ekologia ekologia morza ekonomia energia odnawialna etnolingwistyka etnomuzykologia etyka ewolucja fale grawitacyjne farmakologia filozofia finansowanie nauki fizyka fizyka jądrowa gender genetyka geochemia środowiska geoekologia geofizyka geologia geologia planetarna geoturystyka grafen historia historia idei historia literatury historia nauki historia sztuki humanistyka hydrogeologia hydrologia informatyka informatyka teoretyczna internet inżynieria materiałowa język językoznawstwo klimatologia kobieta w nauce komunikacja kosmologia kryptografia kryptologia kulinaria kultoznawstwo kultura lingwistyka literatura matematyka medycyna migracje mikrobiologia mineralogia mniejszości etniczne mniejszości narodowe modelowanie procesów geologicznych muzykologia mykologia nauka obywatelska neurobiologia neuropsychologia nowe członkinie PAN 2017 ochrona przyrody orientalistyka ornitologia paleobiologia paleontologia palinologia parazytologia PIASt politologia polityka społeczna polska na biegunach prawo protonoterapia psychologia psychologia zwierząt Puszcza Białowieska robotyka rozmowa „Academii” seksualność smog socjologia szczepienia sztuka technologia wieś w obiektywie wulkanologia zastosowania zdrowie zoologia zwierzęta źródła energii żywienie

Komentarze

O serwisie

Serwis naukowy prowadzony przez zespół magazynu Academia PAN.Academia Zapraszamy do przysyłania informacji o badaniach, aktualnie realizowanych projektach naukowych oraz imprezach popularyzujących naukę.

 

Dla użytkowników: Regulamin

Pliki cookies

Informujemy, że używamy ciasteczek (plików cookies) w celu gromadzenia danych statystycznych, emisji reklam oraz prawidłowego funkcjonowania niektórych elementów serwisu. Pliki te mogą być umieszczane na Państwa urządzeniach służących do odczytu stron, a korzystając z naszego serwisu wyrażacie Państwo zgodę na używanie cookies, zgodnie z aktualnymi ustawieniami przeglądarki.

Więcej informacji o celu używania i zmianie ustawień ciasteczek w przeglądarce: TUTAJ

Wydanie elektroniczne

Kontakt

  • pisz:

    Redakcja serwisu online
    Academia. Magazyn Polskiej Akademii Nauk
    PKiN, pl. Defilad 1, pok. 2110
    (XXI piętro)
    00-901 Warszawa

  • dzwoń:

    tel./fax (+48 22) 182 66 61 (62)

  • ślij:

    e-mail: academia@pan.pl