Resumen

El uso de plasma en el medio ambiente ha ganado relevancia como una tecnología avanzada, limpia y eficiente para tratar contaminantes y mejorar procesos en diversas áreas. El plasma es considerado el cuarto estado de la materia, compuesto por iones, electrones libres y partículas neutras. Se puede generar a través de descargas eléctricas en gases a presión atmosférica o baja presión. En aplicaciones ambientales, se emplean dos tipos principales [1], [2]:

Plasma térmico (alta temperatura, usado para destrucción completa de materiales) [3]. Plasma no térmico o frío (baja temperatura, ideal para gases, agua y superficies) [4].

Aplicaciones: Dentro de las numerosas aplicaciones posibles de esta tecnología, nos interesa detallar aquellas en las que focaliza este proyecto. Estas aplicaciones impactan en el medio ambiente y se relacionan con las problemáticas del medio productivo regional en el cual están inmersas e involucradas UTN-FRBB y UNS. Las aplicaciones de interés son:

1. Tratamiento de gases contaminantes: Eliminación de NOx, SOx, VOCs, CO, y otras partículas no deseadas [5], [6] [7], [8], [9], [10], [11].
2. Tratamiento de Aguas y Efluentes: No requiere productos químicos adicionales. Elimina bacterias, virus y compuestos tóxicos.
   1. Desinfección de aguas residuales y potables: mediante generación de especies reactivas para desinfección como OH−, O3, H2O2 [12], [13], [14].
   2. Degradación de contaminantes: materia orgánica, colorantes, fenoles, compuestos farmacéuticos, etc. [15], [6], [16], [17], [18], [19], [20], [21], [22].
   3. Desalinización: Eficiente en alta salinidad [23], [6], [24], [22].
3. Producción de Hidrógeno Turquesa: Utiliza solamente energía eléctrica y no requiere agua como el tradicional proceso Haber Bosch. Destacamos dos aplicaciones de interés:
   1. Producción de H2 a partir de metano como materia prima [25] [26], [27].
   2. Producción de H2 a partir de residuos plásticos como materia prima [28], [26], [29], [30], [31]. Esta última tecnología entra dentro de la categoría de los procesos verdes conocidos como ’waste to energy’.

Tipos de Plasma
Como se mencionó al inicio, existen dos tipos de plasmas, los térmicos y los no térmicos (’warm’). En este proyecto se propone el estudio de una de las variantes de los plasmas no térmicos (PNT). Un PNT se caracteriza por ser un estado de la materia en el que los electrones estén a una temperatura muy superior a la de los iones y átomos neutros. Los electrones están a 1-10 eV (≈ 10,000-100,000 K) mientras que los iones/gases neutros se encuentran en el rango de temperatura 300-1000 K. Esta mayor ’actividad’ de los electrones es la razón por la que se los denomina ’plasmas electroquímicos’. Esa característica hace que puedan generar ciertas reacciones químicas a menor temperatura que el plasma térmico

La variantes de NTPs son: a) descarga por corona, b) barrera dieléctrica, c) arco eléctrico pulsado, d) inducido, e) jet y f) antorcha de microondas. De todos los descriptos la antorcha por microondas es el único método, por razones que se detallarán en la próxima sección, que puede funcionar a la escala que las problemáticas ambientales requieren y es equiparable, en ciertas condiciones, a la antorcha de arco de plasma térmico.

Si se comparan ambas antorchas, la de arco tienen una potencia muy elevada y la de microondas tienen un rango menor aunque sigue siendo de potencia elevada. Por el contrario, los costos de mantenimiento son mucho más accesibles en la tecnología de microondas. Lo anterior hace que exista un nicho de aplicaciones importante que se pueden beneficiar de esta tecnología.

En ese sentido, existe un número importante de empresas que ofrecen soluciones basadas en plasma microondas:

• Sakowin Green Energy
• Aquasource Technologies
• Muegge Group
• Sairem
• H Quest
• Green Science Inc

La madurez tecnológica varía si analizamos el equipo por separado o el proceso completo, ya que este último varía la aplicación. El proceso mas establecido es la conversión ’waste con energy’ con un TRL (Technology Readiness Level) 8-9 ( Comercial-off-the-Shelf, COTS), la desalinización y generación del metano H2 se encuentran en un nivel TRL 3-6 (laboratorio, piloto) y los tratamientos de agua en TRL 4-7 (laboratorio, piloto y aplicaciones a comerciales a escala). Cuando se trata del equipo NTP (el generador en particular), gran parte del mismo tiene un nivel TRL 8-9 y sus partes menos maduras como la cavidad resonante, el cabezal aplicador o el sistema de medición del plasma tienen un TRL 4-7.

Objetivo del Proyecto
(NTP) a una escala de 1KW-2KW de potencia electromagnética. Se plantea como objetivo generar conocimientos teóricos-prácticos de las componentes que forman el NTP y del generador NTP en si completo mediante el análisis teórico, simulaciones EM 2D- 3D y mediciones de laboratorio. Las herramientas de software disponibles son el Advanced Design System de Keysight (EM 2D) y Computer Simulation System (EM 3D).

Se pondrá énfasis en la cavidad resonante, la adaptación de impedancia, las guías de onda y cuestiones de encendido de e intensidad del plasma. Se prevé para el último año ensayos con aplicación del plasma en masa de agua ya que, otras aplicaciones como aquellas que involucren H2 o metano conllevan un riesgo elevado de seguridad. Respecto del agua se prevén ensayos para validar aplicaciones que impliquen disociar agua combinada con sales y de ese modo verificar la separación de los mismos con algun mecanismo simple como por ej. la destilación y separación de solidos. De esa forma se espera a conseguir resultados sin la necesidad de instrumental de laboratorio costoso.