Plasma ist ein ionisiertes Gas – also ein Gas, das Elektronen, Ionen, Atome, Moleküle, Radikale und Photonen enthält. Er wird oft als vierter Zustand der Materie bezeichnet und durchdringt überraschenderweise alles. Plasmen, die durch die Übertragung von Energie auf ein Gas künstlich erzeugt werden, finden sich in den Leuchtstoffröhren, die Küchen beleuchten, aber sie haben auch dafür gesorgt, dass Mobiltelefone immer kleiner werden.
Plasma war eine wahre Revolution in der Welt der Technologie. Früher war zum Gravieren der Schaltkreise auf Siliziumplatten, die in elektronischen Geräten wie Mobiltelefonen verwendet werden, der Einsatz umweltschädlicher chemischer Produkte erforderlich. Durch den Einsatz von Plasma ist es nun möglich, dies sauberer und präziser zu machen und die Schlitze und damit auch die Geräte immer kleiner zu machen.
Aber Plasma hat auch andere Anwendungen, beispielsweise zur Wasseraufbereitung. Die Gruppen FQM-136 „Physics of Plasmas“ und FQM-346 Organic Catalysis and Nanostructured Materials an der Universität Córdoba haben an einer Forschungsstudie zusammengearbeitet, deren Ziel die Beseitigung von im Wasser vorhandenen Verunreinigungen durch die Anwendung von Plasma zur Förderung chemischer Prozesse war.
Ihr Studium ist veröffentlicht im Tagebuch Chemosphäre.
Mit dem Ziel, das Problem des zunehmenden Vorkommens organischer Schadstoffe in Gewässern anzugehen, wie etwa Farbstoffe und andere Verbindungen aus landwirtschaftlicher und industrieller Tätigkeit in Gewässern, die Ökosysteme destabilisieren, entschieden sich diese Forscher für die Anwendung von Plasma.
Im Jahr 2017 sie demonstriertenzum ersten Mal, dass die Argonplasmen, die durch Mikrowellen in der Luft induziert werden, bei Einwirkung auf Wasser darin reaktive Spezies erzeugen, die Sauerstoff und Stickstoff enthalten (wie Hydroxylradikale, wasserhaltiges Peroxid, Stickstoffradikale), die in der Lage sind, es zu dekontaminieren.
Nun ist es den Forschern Juan Amaro Gahete, Francisco J. Romero Salguero und María C. García gelungen, einen Reaktor für diese Art von Plasma zu entwickeln und die Menge dieser im Wasser erzeugten aktiven Spezies deutlich zu erhöhen, wodurch die Zerstörung hoher Konzentrationen möglich wurde von Farbstoffen (in diesem Fall Methylenblau) in nur wenigen Minuten.
Dies erreichten sie durch eine Änderung des Designs des Surfatrons, des Metallgeräts, das die Energie eines Mikrowellengenerators mit dem Plasma mischt, um es aufrechtzuerhalten.
„Wir haben ein kleines Stück Silizium in die Quarzentladungsröhre eingebracht, wodurch ein anderes Plasma erzeugt werden konnte, eines, das nicht fadenförmig ist und bei der Wechselwirkung mit Wasser effizienter bei der Erzeugung aktiver Spezies ist“, erklärte Professor María C. García.
Die oben genannten Plasmakomponenten erzeugen bei Wechselwirkung mit Wasser oxidierende Spezies, die organische Verbindungen abbauen und Mikroorganismen abtöten können, was den Einsatz dieses Plasmareaktors in Anwendungen im Zusammenhang mit der Wassersanierung ermöglicht.
Diese neue Konfiguration erweitert daher die Anwendbarkeit dieser Art von Plasma.
„Das Design verändert die Konfiguration des vom Surfatron erzeugten elektromagnetischen Feldes vollständig, um das Plasma zu erzeugen, was zu einem Plasma mit unterschiedlichen und effizienteren Eigenschaften führt und außerdem das Problem der Filamentierung (die Aufteilung der Plasmasäule in viele Filamente) beseitigt, die destabilisiert es“, erklärte Professor García.
Und dann… Dekontamination. „Diese durch die Wirkung von Plasma erzeugten oxidierenden Spezies sind sehr reaktiv und ermöglichen die Zerstörung der organischen Substanz im Wasser“, fuhr Professor Francisco J. Romero fort.
Damit dies geschieht, wird das Plasma nicht in das Wasser eingebracht. Vielmehr soll es aus der Ferne wirken, so dass zwischen dem Wasser und dem Plasma eine Luftzone entsteht, in der zahlreiche Reaktionen aufgrund von Kollisionen zwischen den angeregten Spezies und den Molekülen von Sauerstoff, Stickstoff und Wasserdampf sowie „reaktiven Spezies, die diffundieren“ ablaufen in die Flüssigkeit gelangen und dort Verunreinigungen entstehen.
Das Dekontaminationspotenzial dieser Art von Plasma, das mit diesem neuen Design erzeugt wird, „wurde getestet, um hohe Konzentrationen des Methylenblau-Farbstoffs im Wasser zu reduzieren, mit sehr effizienten Ergebnissen in Bezug auf Energie, wodurch die vollständige Eliminierung des Farbstoffs bei verkürzten Behandlungszeiten erreicht wird.“ “, sagte der Forscher Juan Amaro.
Mit dieser Arbeit werden somit Fortschritte bei einer der Anwendungen von Plasma gemacht, dem „vierten Zustand der Materie“, der durch die Energieversorgung eines stabilen Gases und dessen Umwandlung in ein ionisiertes Gas entsteht, wobei dies auf fast alles anwendbar ist: Herstellung von Mikrochips, Desinfizieren von Oberflächen, Heilen von Wunden, Aufbringen von Antireflexbeschichtungen auf Brillen, Verbessern der Samenkeimung, Verwerten von Abfällen, Aktivieren der Oberfläche von Kunststoffen, um eine bessere Farbhaftung zu erreichen, und unzählige andere Anwendungen.
Mehr Informationen:
Juan Amaro-Gahete et al., Modifiziertes Surfatron-Gerät zur Verbesserung der mikrowellenplasmagestützten Erzeugung von RONS und des Methylenblauabbaus in Wasser, Chemosphäre (2023). DOI: 10.1016/j.chemosphere.2023.140820