proiectului cu titlul “Studiul producerii hidrogenului folosind tehnologii cu plasma rece”,

Etapa finala 2009

              Producerea hidrogenului pornind de la hidrocarburi, deseuri petroliere sau  direct din apa constituie o problema de actualitate in activitatea de cercetare din intreaga lume, tinand cont de posibilitatea utilizarii acestuia drept combustibil pentru motoarele termice si pilele de combustie, astazi utilizate pe larg in intreaga lume ca o alternativa a proceselor clasice de utilizare a energiei.

             Obiectivele propuse pentru a fi atinse in cadrul etapei sunt urmatoarele:

              Reactoarele electrochimice cu plasma rece sunt dispozitive ce utilizeaza descarcari electrice pentru producerea plasmei in conditii de instabilitate termo-dinamica, ceea ce duce la crearea de specii active, puternic oxidante, in mediul gazos sau in solutii apoase.

            Descarcarile electrice utilizate pe scara larga pentru producerea plasmei reci sunt: descarcarile de tip Corona, Impulsionale, DBD (Dielectric Barier Discharges) si descarcarile de tip arc glisant, numite GLIDARC. Acestea din urma,  preconizate a fi studiate in mod special in acest proiect, cumuleaza avantajele referitoare la speciile active generate de plasma rece in general, cu cele asociate unor valori mari ale energiei specifice, care anunta un potential reactiv sporit fata de alte descarcari de tip plasma rece si implicit un randament ridicat.

Descarcarea de tip arc glisant (GLIDARC) este amorsata intre doi electrozi metalici de forma divergenta alimentati de la o sursa de inalta tensiune (5-25kV), amplasati intr-un tub cilindric electroizolant (din cuart sau ceramica). Axial se introduce gazul de suflaj, printr-o duza convenabil calibrata astfel incat viteza de injectie a acestuia sa mentina caracterul de plasma rece a descarcarii. Descarcarea aluneca in lungul electrozilor si se alungeste pana la stingere, dupa care o alta descarcare ii ia locul. Debitul de gaz de suflaj este  un parametru important pentru obtinerea efectelor scontate si este ales astfel incat sa asigure fenomene intense de deionizare care sa mentina descarcarea in domeniul de temperaturi optime pentru aplicatia aleasa.

            Din cercetarile anterioare s-a constatat ca eficienta reactoarelor cu plasma rece depinde in principal de tipul descarcarii electrice ce produce plasma rece, de natura si de debitul gazului de lucru dar si de aria interfetei de contact dintre plasma si lichidul tratat. Pentru a creste   eficienta rectoarelor cu plasma rece s-a constatat ca injectarea apei/solutiei direct in zona de plasma sub forma atomizata (spray) constituie o solutie tehnologica foarte eficienta. Astel s-a ajuns la proiectarea unui rector cu plasma rece de tip GLIDARC ce utilizeaza doi electrozi divergenti plasati intre doi pereti de sticla (pentru confinarea plasmei si "fortarea" interactiunii plasma- particule solutie) ce utilizeaza o diuza speciala cu doua intrari, una pentru gazul de lucru si cealalta pentru solutia/apa de tratat, Fig 1. La iesirea diuzei se obtine un spray foarte fin care "spala" descarcarea electrica (plasma) Fig.2.

   

Fig. 1 Schema reactorului

Fig. 2 Structura duzei

    In Fig.3 este prezentat un reactor de tip Glidarc utilizat pentru producerea hidrogenului si re-formarea anumitor compusi organici (in H2 si CO, gaz sinteza) realizat la Universitatea Tehnica Iasi.

Fig. 3 Schema reactorului

Aspectul unei descarcari de  tip plasma rece  cu descarcare in curent alternativ este prezentat in Fig. 4.

Fig.4 Descarcare de tip glidarc in curent alternativ

    Studiile efectuate de echipa de cercetare in tara si strainatate au demonstrat faptul ca utilizarea unor descarcari in impuls in locul celor clasice de curent alternativ poate creste eficienta reactoarelor de tip Glidarc de pana la 10 ori. Rezultatele ce vin in sprijinul acestei afirmatii sunt prezentate mai jos si fac subiectul obiectivelor 2 si 3   propuse  si anume:

    Pentru a pune in evidenta efectul amestecului gaz-lichid asupra parametrilor fizico-chimici ai reactorului de tip Glidarc cu plasma rece s-a tratat in plasma o solutie de albastru de metilen 20mg/L intr-un reactor cu plasma in curent alternativ cu atomizarea solutiei si trecerea acesteia direct prin plasma. S-a masurat spectrofotometric decolorarea solutiei pentru diverse debituri de gaz si solutie. Rezultatele sunt prezentate in Fig.5.

Fig.5 -Decolorarea solutiei de albastru de metilen in oxigen plasma

    Pentru diverse valori ale debitului solutiei se poate observa prezenta unui optim in functionarea reactorului pentru care decolorarea solutiei este maxima (absorbanta minima in Fig 5). Cresterea eficientei tratamentului sau cresterea debitului de gaz de lucru pana la o absorbanta de 0.005 pentru debitul de gaz Qg=36 L/min sugera de asemenea si un optim in functionare functie de debitul de gaz.

    Studiile preliminare realizate in tara si strainatate cu reactoare electrochimice cu plasma rece de tip Glidarc au demonstrat fezabilitatea tehnologiilor ce utilizeaza plasma rece in producerea hidrogenului direct din apa sau prin re-formarea diversilor compusi organici.

    Primele experimente au utilizat tipul de reactor proiectat la UTI, v. Fig. 3, pentru care s-au folosit doua tipuri de surse de inalta tensiune; una de tensiune alternativa care a utilizat un tranformator cu caracteristica de iesire cazatoare de tip AUPEM (Franta, U=9kV/25 mA, 50 Hz) iar cealata o sursa in impuls ce utilizeaza ca si transformator de impuls o bobina de aprindere auto (VW) (U=20kV, 0.3 W in descarcare, 250 Hz). In reactor s-a injectat apa distilata, iar ca gaz de lucru s-a utilizat Ar la un debit de Qg=2L/min.

    Pentru a pune in evidenta influenta diversilor parametri asupra eficientei reactorului s-a urmarit evolutia a doi compusi si anume a peroxidului de hidrogen (H2O2) (masurat in apa dupa tratament- spectroscopic)  si a hidrogenului molecular in gazul de lucru masurat la iesirea rectorului cu ajutorul unui GC 2000 Shimadzu.

    Rezultatele comparative pentru cele doua tipuri de surse de alimentare privind producerea H2O2 sunt prezentate  in Fig. 6 si Fig.7.

Fig. 6 Rata de producere a H2O2 functie de debitul de apa injectat in reactor

Fig. 7.  Eficienta productiei de  H2O2 functie de debitul de apa injectat in reactor

    Desi utilizarea sursei de curent alternativ de 36 W putere in descarcare produce o cantitate mai mare de H2O2 in apa tratata,  Fig. 6, in termeni de eficienta energetica utilizarea descarcarilor in impuls conduce la o crestere a eficientei reactorului cu un factor  > 10.

    In ceea ce priveste H2 molecular masurat in gazul de lucru datele preliminare sunt prezentate in Fig. 8 si Fig.9.

    Fig. 8 Rata de producere a H2 in reactorul Glidarc functie de debitul apei injectate

    Fig. 9.  Eficienta productiei de  H2 in  functie de debitul de apa injectat in reactor

    Similar cu datele obtinute pentru H2O2 si in cazul hidrogenului utilizarea sursei de curent alternativ de 36 W putere in descarcare produce o cantitate mai mare de H2 in Ar, Fig. 8, dar in termeni de eficienta energetica utilizarea descarcarilor in impuls conduce la o crestere a eficientei reactorului cu acelasi factor (> 10).

    Eficienta maxima obtinuta pentru producerea de H2 din apa pura s-a obtinut pentru un debit de apa de 18 mL/min si anume 12-13 g/kWh ceea ce se apropie de randamentul producerii hidrogenului prin electroliza apei (20 g/kWh) si a demonstrat ca reactorul Glidarc realizat la UTI poate fi utilizat pentru producerea de H2, Fig. 9.

    In continuare vor trebui identificate posibilitatile de crestere a randamentului reactoarelor cu plasma rece pentru a  obtine o eficienta superioara altor metode larg utilizate pentru producerea de H2.