Năng lượng plasma – những kiến thức cơ bản

Hoàng Trọng Sang

Plasma là trạng thái thứ tư của vật chất, ngoài rắn, lỏng và khí. Plasma tồn tại ở nhiều dạng trong tự nhiên và cấu thành hơn 99% vật chất trong vũ trụ nhìn thấy.

Plasma là gì?

Plasma là trạng thái thứ tư của vật chất, ngoài rắn, lỏng và khí. Thuật ngữ "plasma" được Irving Langmuir đưa ra như một mô tả về khí ion hóa vào năm 1928, nó là một chất khí gồm các ion - các nguyên tử mất một số electron trên quỹ đạo - và các electron tự do. [5, 8]

nang-luong-plasma-nhung-kien-thuc-co-ban-01-1651115154.jpg
Sự hình thành plasma từ góc độ chuyển đổi trạng thái phân tử sang khí ion hóa (plasma)

Sự hiện diện plasma trong tự nhiên

Plasma tồn tại ở nhiều dạng trong tự nhiên và cấu thành hơn 99% vật chất trong vũ trụ nhìn thấy (các ngôi sao, môi trường giữa các vì sao và liên hành tinh, gió mặt trời, đuôi của sao chổi, cực quang, chớp, v.v.) 

nang-luong-plasma-nhung-kien-thuc-co-ban-02-1651115154.jpg
Các ví dụ về plasma trong tự nhiên

Sự hình thành plasma nhân tạo

Trong điều kiện phòng thí nghiệm, plasma thường được tạo ra bằng cách phóng điện trong khí trơ hoặc khí phân tử, chẳng hạn như argon (Ar), heli (He), oxy (O2) và nitơ (N2`), sử dụng các nguồn điện được sử dụng cho dù là AC, DC, RF hay vi song (MW). [2, 5, 8]

Plasma có thể được tạo ra một cách nhân tạo bằng cách đốt nóng một chất khí trơ hoặc đặt nó vào một trường điện từ mạnh đến mức mà một chất khí bị ion hóa ngày càng trở nên dẫn điện, ... tích điện dương trong ion đạt được bằng cách loại bỏ các electron quay xung quanh hạt nhân nguyên tử.

Plasma là một chất ở trạng thái khí, các electron thoát ra được gia tốc dưới tác dụng của điện trường mạnh để thu được năng lượng rất lớn. Các điện tử năng lượng cao va chạm không đàn hồi với các phân tử khí và nguyên tử đang chuyển động, và động năng của các điện tử năng lượng cao được chuyển thành nội năng của các phân tử trạng thái cơ bản (nguyên tử) để gây ra kích thích, phân hủy và ion hóa để tạo thành plasma.

Phân loại plasma

Người ta có thể phân loại plasma dựa vào nhiều tiêu chí khác nhau như nhiệt độ, mức độ ion hóa, mối quan hệ giữa vận tốc pha của sóng và vận tốc nhiệt của electron …[5, 8]

4.1 Theo nhiệt độ

Plasma có thể được chia thành plasma nhiệt độ cao và plasma nhiệt độ thấp

Plasma nhiệt độ cao (> 70.000 – vài tỉ độ): chiếm 99% vũ trụ, ví dụ: mặt trời, các ngôi sao, thiên hà, bom hidro, phản ứng nhiệt hạch.

Plasma nhiệt độ thấp (< 70.000 oC) lại được chia thành hai nhánh:

4.2 Theo trạng thái cân bằng 

Plasma có thể được chia thành plasma cân bằng (plasma nhiệt) và không cân bằng (plasma không nhiệt hoặc plasma lạnh). Ở trạng thái plasma cân bằng, khí được đốt nóng đến nhiệt độ đủ cao (10.000 K) và có sự cân bằng nhiệt động cục bộ giữa các loài khác nhau (Te = Tp). Trong các plasma không cân bằng, chỉ các electron đạt được nhiệt độ cao, trong khi các hạt nặng hơn ở nhiệt độ thấp hơn, gần với môi trường xung quanh (Te >> Tp).

Plasma lạnh không cân bằng: nhiệt độ electron lớn hơn rất nhiều nhiệt độ ion (Te >> Tion). Ví dụ: bóng đèn huỳnh quang, phóng điện phát quang, tivi plasma… (nhiệt độ của các hạt khác nhau. Nhiệt độ electron (hạt nhẹ) (≈10,000 K) cao hơn nhiều so với nhiệt độ (≈300–1000 K) của các loài nặng (ion và chất trung tính))

Plasma nhiệt cân bằng: trong plasma, nhiệt độ electron bằng nhiệt độ ion (Te = Tion). (nhiệt độ của các chất trung hòa, các ion và các điện tử xấp xỉ cùng một thứ tự để duy trì trạng thái cân bằng nhiệt) ví dụ: Hồ quang điện, đầu phát plasma…

Plasma nhiệt hoặc cân bằng được đặc trưng bởi mật độ năng lượng cao và sự bằng nhau giữa nhiệt độ của các hạt nặng (Tp) và electron (Te), chẳng hạn như (Tp = Te). Các ví dụ điển hình của plasma nhiệt là các hồ quang chuyển DC, đầu phát plasma và phóng điện kết hợp cảm ứng RF.

Plasmas lạnh là plasma có Te >> Tgas hoặc (Te >> Tion). Plasma nhiệt là plasma có Te ~ Tgas hoặc (Te ~ Tion). [1, 2, 3]

4.3 Theo mức độ ion hóa

Plasma được chia thành:

Plasma ion hóa hoàn toàn: thường xảy ra ở nhiệt độ cao, lúc này, tính chất của plasma được xác định bởi tính chất của điện tử và ion chứa trong nó.

Plasma ion hóa một phần: xảy ra ở hầu hết các trường hợp plasma do con người tạo ra, chứa các electron tự do và phân tử trung hòa về điện. [4, 5, 6]

Thành phần của plasma lạnh CAP

Thành phần của plasma lạnh CAP [1-8] có thể xác định theo một trong các lựa chọn sau:

1.    Plasma là hỗn hợp các điện tử, ion và các loài trung tính (đơn giản nhất).

2.    Plasma bao gồm khí ion hóa, các điện tử và ion cũng như các gốc tự do, các loài kích thích, bức xạ UV và trường điện từ;

3.    Plasma lạnh là “cocktail” (hỗn hợp) bao gồm: Tia UV, các ion âm và dương và các điện tử tự do, tạo ra hỗn hợp các loài oxy và nitơ phản ứng (RONS) từ các khí trong khí quyển và hơi nước (tương đối đầy đủ);

Các loài oxy phản ứng (ROS) Các loài nitơ phản ứng (RNS)
Gốc hydroxyl (OH*)
Ion peoxit (O2-*)
Ôxy đơn (1O2)
Ôxy nguyên tử (O)
Gốc hydroperoxyl (HO2*)
Hydro peroxit (H2O2)
Ôzôn (O3)
Hydronium (H3O+)
Gốc hữu cơ (RO, ROO*) (OH*)    NOx (NO*, NO2*, N2O, N2O5)
Peroxynitrite (ONOO-, ROONO)
Nitơ kích thích (N2*(A))
Nitơ nguyên tử (N)
Axit nitric (HNO3)

    

nang-luong-plasma-nhung-kien-thuc-co-ban-03-1651115154.jpg
Nguyên lý tạo ra plasma và thành phần của plasma lạnh CAP

Nguồn điện tạo ra plasma lạnh

Để phóng điện tạo ra plasma lạnh cần có máy biến thế (tranformator) cao áp cao tần: Điện áp: từ vài kV đến vài chục kV (ví dụ: 2-8 kV); Tần số: từ 1 £   kHz đến vài chục kHz, vài trăm kHz, thậm chí từ vài MHz đến hàng chục MHz phụ thuộc vào phương pháp phóng điện (ví dụ phóng điện vi sóng 2,45 MHz). [1, 2, 5, 8]

Các lò phản ứng mặc dù khác nhau về cấu tạo, nhưng bao gồm hai phần tử cơ bản: buồng phóng điện, nơi xử lý plasma diễn ra và hệ thống điện cung cấp hoạt động thích hợp của buồng. Hệ thống điện phải đảm bảo duy trì plasma trong buồng ở hiệu suất năng lượng cao.

Các nguồn plasma lạnh áp suất khí quyển thường sử dụng các loại phóng điện sau: phóng điện rào cản điên môi (DBD), plasma jet áp suất khí quyển (APPJ), phóng điện corona, phóng điện vô tuyến (RF), phóng điện vi sóng (MW), phóng điện hồ quang trượt (GA), phóng điện hồ quang xung, ghép nối các loại phóng điện (ví dụ: thiết bị tạo tia plasma bằng phóng điện DBD ghép với phóng điện corona, v.v,)

Cơ chế bất hoạt của plasma

Plasma lạnh áp suất khí quyển đang nổi lên như một sự phát triển thú vị cho phương pháp trị liệu. Các plasmas này là nguồn cung cấp các loài oxy và nitơ phản ứng (RONS) mật độ cao, bức xạ UV, trường điện từ và các hạt tích điện rất hiệu quả. Các thành phần này riêng lẻ có liên quan đến các hệ thống sinh học và phương pháp xử lý.

Dưới tác dụng của điện trường, các loài oxy phản ứng (ROS) và nitơ phản ứng (RNS), các phân tử đơn nguyên, ion oxy âm, ion OH, nguyên tử oxi tự do, H2O2 và các gốc tự do khác, các hạt bị kích thích, tia UV tác động và làm thủng và gây tổn thương nghiêm trọng đối với màng tế bào vi khuẩn. [1-8]

Đặc điểm xử lý bề mặt của plasma lạnh

Công nghệ plasma là công nghệ của tương lai và sẽ tiếp tục có tầm quan trọng, có thể ứng dụng trong nhiều lĩnh vực, đặc biệt điển hình trong lĩnh vực công nghiệp, lĩnh vực y học và lĩnh vực thực phẩm & nông nghiệp. Người ta không thể tưởng tượng cuộc sống không có công nghệ plasma và nó được coi là công nghệ then chốt trong nhiều lĩnh vực ứng dụng.

Plasma lạnh có các đặc điểm nổi bật sau [1-8]

Làm sạch bằng plasma: Làm sạch khô bề mặt sao cho chúng được chuẩn bị tối ưu cho các quy trình tiếp theo. thích hợp cho nhựa, kim loại và nhiều vật liệu khác. 

Kích hoạt bằng plasma: như lớp phủ, sơn hoặc liên kết. Kích hoạt plasma cho phép đạt được năng lượng bề mặt mong muốn ở chính xác nơi cần thiết, làm tăng khả năng thấm ướt bằng cách tăng sức căng bề mặt, độ nhám bề mặt được giảm bớt do quá trình thủy hóa plasma.

Tiền xử lý bằng plasma: cải thiện khả năng bảo vệ chống ăn mòn của vật liệu kim loại.

Tạo lớp phủ bằng plasma: Loại lớp phủ này có thể phủ lên nhiều loại vật liệu với một lớp đặc biệt mỏng, được gọi là lớp nano.

Tiềm năng ứng dụng của công nghệ plasma lạnh trong công nghiệp [1-8]

nang-luong-plasma-nhung-kien-thuc-co-ban-04-1651115154.jpg
Các lĩnh vực ứng dụng công nghiệp của công nghệ plasma lạnh

1) Công nghiệp hàng không: Xử lý các bộ phận chi tiết hàng không bằng plasma, lớp phủ plasma, kích hoạt bề mặt bằng plasma hay làm sạch bằng plasma, tăng độ kết dính rất lớn là bắt buộc. làm sạch các vật liệu tổng hợp vật liệu mới để đảm bảo các lớp phủ và liên kết ổn định lâu dài, chống ăn mòn cũng có tầm quan trọng to lớn trong chế tạo máy bay, tiền xử lý bằng plasma cũng góp phần tăng tính an toàn trong các thiết bị điện tử của máy bay, trong sản xuất hệ thống vô tuyến máy bay bằng cách tối ưu hóa độ bám dính cho các lớp phủ bảo vệ của các thành phần điện tử nhạy cảm; khử trùng không khí lưu thông và các bề mặt để giảm sự lây lan của COVID-19 và nguy cơ đại dịch trong tương lai để áp dụng rộng rãi công nghệ của các hãng hàng không, tàu du lịch, trường học, văn phòng, khách sạn và các ngành công nghiệp chuỗi cung ứng.

2) Công nghiệp chế tạo ô tô: Làm sạch bằng plasma trong chế tạo, để tăng độ kết dính, ví dụ đối với đèn pha của xe, vỏ điều khiển động cơ bằng kim loại hoặc cảm biến radar nâng cao độ an toàn và cũng góp phần rất lớn vào việc bảo vệ môi trường và tiết kiệm chi phí.

3) Công nghiệp bán dẫn, vi điện tử (ăn mòn, sửa đổi bề mặt, kích hoạt bề mặt, loại bỏ tạp chất, liên kết chéo; lắng đọng các lớp mỏng carbon hoặc silicon dioxide bằng cách sử dụng tiền chất (precursor) để lắng đọng trong các tia plasma.

nang-luong-plasma-nhung-kien-thuc-co-ban-05-1651115155.jpg
Xử lý bề mặt thiết bị điện tử bằng plasma

4) Công nghiệp dệt: khử mùi, biến tính bề mặt vật liệu sợi, vải, hoàn thiện chức năng vải, xử lý các mặt hàng dệt may, giặt khử trùng bằng plasma, tăng độ bền kéo của sợi do ăn mòn chậm bằng plasma sẽ loại bỏ hoàn toàn vết nứt trên bề mặt, làm giảm nguồn tập trung ứng suất, làm giãn ứng suất bên trong, thay đổi các đặc tính chức năng của vải.

nang-luong-plasma-nhung-kien-thuc-co-ban-06-1651115154.jpg
Máy xử lý bề mặt vải bằng plasma

5) Công nghiệp da-giầy: (xử lý bề mặt vật liệu giày, làm sạch khô, tăng độ ma sát, tang độ bám dính, tạo lớp phủ) công nghệ plasma lạnh được sử dụng để xử lý vật liệu dệt và da là một phương pháp khô, thân thiện với môi trường và dễ vận hành, nhờ đó có thể thu được sự biến đổi bề mặt mà không làm thay đổi tính chất khối của vật liệu. Đặc biệt, plasma không nhiệt rất thích hợp do hầu hết các loại vải dệt, và đặc biệt là da thường nhạy cảm với nhiệt.

6) Công nghiệp hóa học, vật liệu composit mới: xử lý bề mặt polyme, bao gồm polyethylene mật độ cao (HDPE), PVC, polypropylene và polyethylene, chất dẻo, cao su, gỗ-chất dẻo do khử nhiễm, làm sạch khô, sửa đổi bề mặt về mặt hóa học và vật lý có thể làm thay đổi tính chất bề mặt của vật liệu polyme, sản phẩm gỗ để tăng độ bám dính, tăng độ thấm nước, tăng độ lắng đọng, tăng độ ma sát.

nang-luong-plasma-nhung-kien-thuc-co-ban-07-1651115153.jpg
Tạo lớp phủ plasma siêu mỏng cho sản phẩm

7) Công nghiệp in: tăng chất lượng in do khử nhiễm, làm sạch khô, tăng độ thấm nước, tăng độ lắng đọng, tăng độ ma sát để đánh dấu, in ấn hoặc ghi nhãn rõ ràng, chính xác về kích thước và chống mài mòn.

8) Công nghiệp môi trường: làm sạch khô, khử nhiễm, khử trùng, khử mùi, xử lý nước thải công nghiệp, nước thải y tế, nước thải chăn nuôi, lọc không khí, tạo không gian sạch (phòng mổ, phòng cách ly).

9) Công nghiệp năng lượng: Trong công nghệ năng lượng mặt trời, các mô-đun và bộ thu năng lượng mặt trời, đối với tuabin gió được bảo vệ tối ưu khỏi ảnh hưởng của môi trường, để đảm bảo chức năng an toàn và trơn tru trong thời gian dài.

10) Kỹ thuật nhiệt đới hóa: Tạo lớp phủ chống oxy hóa, chống gỉ cho các thiết bị, vật phẩm điện, điện tử, v.v., bảo vệ tối ưu khỏi ảnh hưởng của môi trường xâm thực ở vùng nhiệt đới, đảm bảo chức năng an toàn và trơn tru trong thời gian dài, kéo dài tuổi thọ thiết bị điện, điện tử ở hải đảo, tàu thuyền trên biển.

11) Công nghiệp thủy tinh, quang học: Tạo lớp phủ cho kính áp tròng, các hệ thống quang học, kính chống phản xạ, thậm chí lớp phủ cho kính thiên văn.

12) Công nghiệp thực phẩm: bảo quản thực phẩm, trái cây, rau củ, hoa quả, khử trùng thùng gỗ (xốp).

nang-luong-plasma-nhung-kien-thuc-co-ban-08-1651115153.jpg
Xử lý bảo quản thực phẩm

13) Kỹ thuật nông nghiệp: tăng độ nảy mầm, thúc đẩy tăng trưởng cây trồng, cải tạo đất, v.v.

nang-luong-plasma-nhung-kien-thuc-co-ban-09-1651115153.jpg
Phát triển cây trồng

14) Công nghiệp bao bì: để cải thiện độ kết dính giữa các vật liệu khác nhau như nhựa. Là tiền xử lý trước khi in và dán nhựa như PP, PE hoặc vật liệu tái chế, tiền xử lý plasma cho sơn lót.

15) Điều trị y sinh: Chữa lành vết thương và trực tiếp kích thích tái tạo mô; điều trị vết loét do tiểu đường hoặc tì đè, điều trị giãn tĩnh mạch chân; hỗ trợ một số can thiệp trong lĩnh vực phẫu thuật tạo hình và y học thẩm mỹ; điều trị các bệnh da nhiễm trùng và viêm như bệnh zona, chàm dị ứng, mụn trứng cá, bệnh nấm da chân và các bệnh khác; điều trị răng miệng nhằm mục đích tác động, làm giảm hoặc loại bỏ màng sinh học trên chất răng, mô xung quanh hoặc bề mặt răng giả/cấy ghép răng, điều trị nhiễm trùng và vết thương niêm mạc miệng, bất hoạt và loại bỏ màng sinh học trên răng, răng giả và cấy ghép nha khoa, khử trùng ống tủy răng, làm sạch bằng plasma và tối ưu hóa bề mặt răng và implant để cải thiện sự tích hợp xương cho đến cải thiện sự liên kết của vật liệu trám răng và phục hình, khử nhiễm và phủ lớp phục hình răng hoặc làm trắng rang; điều trị nhiễm trùng cũng như loét giác mạc trong nhãn khoa; điều trị ung thư hắc tố là một lĩnh vực ứng dụng đầy hứa hẹn vì u ác tính thường xuất hiện ở da, rất nhạy cảm với các liệu pháp tạo miễn dịch Hiện tại, trọng tâm trong nghiên cứu CAP nằm trong các ứng dụng plasma cụ thể để loại trừ ung thư hoặc ít nhất là giảm có chọn lọc các tế bào ung thư bằng cách tăng cường khả năng chết tế bào (apoptosis) sinh miễn dịch (ICD), hỗ trợ điều trị ung thư kết hợp với hóa trị liệu và xạ trị, điều trị bằng plasma cục bộ, ứng dụng plasma hỗ trợ kết hợp với phẫu thuật cắt bỏ khối u trong các trường hợp cắt bỏ khối u quy mô lớn là không thể, dường như là thực tế.

nang-luong-plasma-nhung-kien-thuc-co-ban-10-1651115155.jpg
Quá trình tiêu diệt có chọn lọc của phương pháp điều trị ung thư bằng plasma lạnh

16) Xử lý khử trùng dụng cụ y tế: Hiện nay các dụng cụ y tế được khử trùng bằng cách hấp khử trùng, xử lý bằng tia gamma, tiếp xúc với tia cực tím và sử dụng các loại hóa chất ướt như ethylene oxide, hydrogen peroxide, formaldehyde, peracetic acid, và hiện đại nhất là hydrogen peroxide & plasma lạnh áp áp suất thấp cũng đều có nhiều nhược điểm. Ví dụ, thiết bị nổi tiếng nồi hấp khử trùng sử dụng phương pháp hydrogen peroxide & plasma lạnh áp suất thấp “Sterrad” của hãng ASP/Johnson & Johnson (USA) cũng khá phiền phức do cấu hình thiết bị phức tạp vì phải hút chân không, đắt tiền, thời gian xử lý cũng cần tới 50 phút. Phương pháp xử lý bằng plasma áp suất khí quyển có nhiều ưu điểm vượt trội: Có thể diệt đa số các chủng loại vi khuẩn khác, không sử dụng các hóa chất độc hại (Formaldehyde, phenol, natri dichloro-isocyanurate v.v.), chỉ sử dung nước, không khí và điện mà vẫn đáp ứng được các tiêu chuẩn khắt khe cho mục đích khử trùng và yêu cầu về an toàn sức khỏe cho người; không sử dụng các nguồn phóng xạ; khí thải sau xử lý được xử lý hoàn toàn, đảm bảo các tiêu chuẩn an toàn cho phép về môi trường; thời gian xử lý nhanh 3-10 phút (chỉ bằng 1/3-1/5 so với các phương pháp khác); cấu hình thiết bị và vận hành đơn giản; chi phí đầu tư thấp, v.v.

Ưu điểm độc đáo của làm sạch bằng plasma so với các quá trình làm sạch khác

✓ Làm sạch ngay cả trong các vết nứt và khe hở nhỏ nhất;
✓ Làm sạch tất cả các bề mặt thành phần chỉ trong một bước làm việc, bao gồm cả phần bên trong của thân rỗng;
✓ Loại bỏ cặn bã của các sản phẩm phân hủy bằng cách hút chân không;
✓ Không làm hỏng các bề mặt nhạy cảm với dung môi bởi các chất tẩy rửa hóa học;
✓ Loại bỏ cặn bã phân tử nhỏ;
✓ Phù hợp để xử lý tiếp theo ngay lập tức. Không thông hơi hoặc loại bỏ dung môi;
✓ Không lưu trữ và thải bỏ các chất tẩy rửa độc hại, gây ô nhiễm và có hại;
✓ Chi phí quá trình rất thấp.

 

Tài liệu tham khảo

1.    Azadeh Barjasteh, Zohreh Dehghani, Pradeep Lamichhane, Neha Kaushik, Eun Ha Choi and Nagendra Kumar Kaushik, Recent Progress in Applications of Non-Thermal Plasma for Water Purification, Bio-Sterilization, and Decontamination, Department of Physics, Lorestan University, Khorramabad 68151-44316, Iran, 2021;
2.    Giovanni Busco, Eric Robertb, Nadira Chettouh-Hammas, Jean-Michel Pouvesleb, Catherine Grillona, The emerging potential of cold atmospheric plasma in skin biology, Centre de Biophysique Molẻculaire, UPR4301, CNRS, 45071, Orleans, France, 2020;
3.    Gerasimenko M.Yu., Zaitseva T.N., Evstigneeva I.S., Low-temperature plasma – a promising method of rehabilitation, Federal State Budgetary Educational Institution of Higher Professional Education «Russian Medical Academy of Post-Graduate Education» Russian, Ministry of Health, Moscow, Russia, 2019; 
4.    Lingge Gao, Xingmin Shi, Xili Wu, Applications and challenges of low temperature plasma in pharmaceutical field, School of Public Health, Medical Science Center, Xi’an Jiaotong University, Xi’an, 710061, China, 2021;
5.    Mária Domonkos, Petra Tichá, Jan Trejbal and Pavel Demo, Applications of Cold Atmospheric Pressure Plasma Technology in Medicine, Agriculture and Food Industry, Department of Physics, Faculty of Civil Engineering, Czech Technical University in Prague, Thákurova 7, 166 29 Praha 6, Czech Republic, 2021;
6.    Masuhiro Kogoma1 · Kunihito Tanaka, Low-temperature atmospheric discharge plasma and its applications for the surface treatment, Department of Materials and Life Sciences, Faculty of Science and Technology, Sophia University, 7-1 Kioi-cho, Chiyoda-ku, Tokyo 102-8554, Japan, 2021;
7.    Thoralf Bernhardt, Marie Luise Semmler, Mirijam Schäfer, Sander Bekeschus, Steffen Emmert, and Lars Boeckmann, Plasma Medicine: Applications of Cold Atmospheric Pressure Plasma in Dermatology, Clinic and Policlinic for Dermatology and Venereology, University Medical Center Rostock, Rostock 18057, Germany, 2019;
8.    Thomas von Woedtke, Steffen Emmert, Hans-Robert Metelmann, Stefan Rupf, and Klaus-Dieter Weltmann, Perspectives on cold atmospheric plasma (CAP) applications in medicine, Physics of Plasmas 27, 070601, 2020;

TS. Nguyễn Nghĩa, VinIT