Gas temperature and vibrational temperature in a pulsed N2 microwave plasma: a combined experimental and computational study to explore non-equilibrium conditions

Senne Van Alphen
De kunstmestproductie is vandaag de dag één van de meest belangrijke maar ook één van de meest vervuilende chemische processen ter wereld. In een wereld waar poolkappen smelten en de zeespiegel stijgt ten gevolge van de opwarming van de aarde, is voor dergelijke milieu-onvriendelijke processen geen plaats meer. Recente ontwikkelingen in de plasmatechnologie bieden echter een waardig alternatief dat duurzame kunstmestproductie op basis van hernieuwbare energie toegankelijk maakt voor heel de wereld.

Plasmatechnologie: Hoe hernieuwbare energie binnenkort de hele wereld zal voeden.

Heeft u wel eens van plasma gehoord, en nee dan heb ik het niet over bloedplasma? Ik heb het over een nieuwe technologie die het potentieel heeft heel de wereld op een duurzame manier van voedsel te voorzien.

Kunstmest in onze maatschappij

Wanneer u rondwandelt langs de rekken van de supermarkt, heeft u zich dan wel eens afgevraagd hoe het kan dat onze westerse samenleving zo veel eten kan produceren? Kijk bijvoorbeeld naar de appel die in uw winkelkar ligt: al had u alle appels in de winkel meegenomen, toch zou morgen het rek weer keurig zijn aangevuld. Anno 2018 delen we onze planeet met meer dan zeven miljard andere mensen en toch hebben we hier aan appels, of eender welk voedsel, geen gebrek. Dit is enkel mogelijk omdat de mens de natuur in de landbouw een handje toesteekt door uitgeputte grondbodems met kunstmest aan te rijken. De voedingstoffen voor planten in landbouwbodems aanvullen met kunstmest is in onze maatschappij niet meer weg te denken. Zonder kunstmest zou zelfs in onze westerse cultuur hongersnood met regelmaat van de klok voorkomen, zouden groenten en fruit als luxeproduct aanzien worden en zou oorlog louter om voedsel een gangbaar fenomeen zijn.

De impact van kunstmestproductie

Het feit dat kunstmatige meststoffen er voor zorgen dat u en ik elke dag een boterham op ons bord kunnen krijgen, maakt kunstmest een zaligmakende uitvinding. Wat echter minder zaligmakend is, is de enorme impact van het productieproces op het milieu. Meststoffen worden in chemische bedrijven ontwikkeld door middel van het Haber-Bosch proces. Dit proces haalt stikstofgas uit de lucht (onze atmosfeer bestaat voor 78 % uit stikstofgas) en zet dit om tot de cruciale componenten die we in kunstmest terugvinden. Dit gebeurt bij hoge druk en temperaturen tot 600°C om een chemische reactie tussen stikstofgas en waterstofgas te laten plaatsvinden. Het proces vereist echter zoveel energie, dat het 2 % verbruikt van alle energie die op aarde wordt geproduceerd. Bovendien stoot het proces jaarlijks 300 miljoen ton CO2 uit, wat betekent dat het verantwoordelijk is voor 3 % van de wereldwijde CO2 uitstoot. In een hedendaagse maatschappij waar klimaatveranderingen hoog op de agenda staan en iedereen zijn steentje bijdraagt om de menselijke impact op het klimaat te verminderen, hoort een dergelijk vervuilend proces niet meer thuis. Daarom zijn wetenschappers druk in de weer een milieuvriendelijk alternatief te ontwikkelen om kunstmest op een duurzame manier te produceren.

Plasma, de duurzame chemie van de toekomst

Dat het Haber-Bosch proces dringend een ‘groener’ alternatief nodig heeft, is een grote drijfveer in veel hedendaags wetenschappelijk onderzoek. Een onderzoeksgebied dat hierin beloftevolle vooruitgangen boekt is de plasmatechnologie. Deze technologie steunt op het opwekken van plasma, de materie die naast vast, vloeibaar en gas de vierde aggregatietoestand wordt genoemd. In tegenstelling tot deze eerste drie aggregatietoestanden, is plasma een relatief onbekend begrip. Toch bevindt 99% van het zichtbare heelal zich in de plasmatoestand. De zon, de sterren, … al deze hemellichamen bestaan uit plasma. Ook dichter bij huis, hier op aarde, komen plasma’s voor in ons dagelijks leven. Zo is bliksem een plasma dat in de lucht gevormd wordt, evenals het wondermooie noorderlicht. Een plasma ontstaat wanneer een grote hoeveelheid elektrische energie wordt toegediend aan een gas, wat bijvoorbeeld bij een onweer veelvuldig plaatsvindt met bliksem tot gevolg. Niet alleen de natuur maar ook de mens is in staat plasma’s op te wekken. Een typische eigenschap van een plasma is dat het licht uitstraalt, wat men gebruikt bij het opwekken van plasma’s in neonlampen, plasmatelevisies, … etc.

Het onderzoek in mijn scriptie is echter niet geïnteresseerd in het licht van plasma’s, maar veeleer in de chemische reacties die in een plasma voorkomen. Een plasma is vanuit chemisch standpunt zeer interessant, aangezien de enorme hoeveelheid elektrische energie die vrijkomt unieke chemische reacties teweegbrengt. In mijn scriptie tracht ik als het ware een bliksem na te bootsen, om deze unieke chemische reacties gecontroleerd in een zelfgemaakt plasma op te wekken. Het grote voordeel hiervan is dat alleen elektrische energie nodig is om op deze manier aan chemie te doen, en dus groene elektriciteit van windmolens of zonnepanelen hiervoor kan worden gebruikt. Dit betekent dat een vervuilende chemische reactie zoals de productie van kunstmest kan worden vervangen door een plasmagebaseerd alternatief, dat louter werkt op groene energie en dus amper CO2 uitstoot. De zeer hoge drukken, temperaturen van 600°C en fossiele brandstoffen van het Haber-Bosch proces worden in dat geval vervangen door een plasmareactor bij gewone luchtdruk en kamertemperatuur aangedreven door een windturbine, wat niet alleen een groenere maar ook veiligere situatie oplevert. Een niet onbelangrijk gevolg van kunstmestproductie op basis van hernieuwbare energiebronnen is dat de technologie van kunstmest voor meerdere landen toegankelijk wordt. In heel wat delen van de wereld is kunstmest moeilijk beschikbaar: België gebruikt jaarlijks 283 kg/ha kunstmest, terwijl Oeganda slechts 3 kg/ha gebruikt ten gevolge van invoer- en transportkosten die de prijs voor kunstmest verviervoudigen. Niet toevallig zijn het landen met een beperkte toegang tot kunstmest die vaker in contact komen met armoede en hongersnoden. Dergelijke landen hebben echter vaak een grote potentiële rijkdom aan hernieuwbare energie, aangezien de zon in deze gebieden drie keer meer schijnt dan in België. De technologie van kunstmestproductie op basis van hernieuwbare energie geeft dus aan deze landen ook de kans om efficiënt kunstmest te produceren en hongersnoden te voorkomen.

Het onderzoek in plasmatechnologie heeft dus het potentieel de kunstmestproductie grondig te hervormen tot een duurzaam proces. Een vervuilend proces zoals het Haber-Bosch proces hoort niet meer thuis in onze hedendaagse samenleving en heeft met plasmatechnologie een waardige opvolger. Het introduceren van hernieuwbare energie als drijfkracht voor chemische processen heeft daarnaast ook een sociale impact. Landen met hongersnood kunnen door middel van plasmatechnologie hun ongebruikte rijkdom aan zonne-energie inzetten om honger in de wereld te voorkomen. Om terug te komen op de appel die u in de supermarkt koopt: in deze duurzame toekomst zal deze niet anders smaken, toch zal het idee dat hij op een duurzame, milieuvriendelijke manier geteeld is, hem lekkerder maken.

Bibliografie
  • (1) R. K. Pachauri and L. A. Meyer, IPCC, 2014: Climate Change 2014: Synthesis Report. Contribution of Working Groups I, II and III to the Fifth Assessment Report of the Intergovernmental Panel on Climate Change, Geneva, Switzerland, 2014.
  • (2) NASA. NASA Global Climate change https://climate.nasa.gov/.
  • (3) Prentice, I.; Farquhar, G.; Fasham, M. Clim. Chang. 2001 Sci. Basis 2001, 183–237.
  • (4) L. Johnson, J. Grant and P. L. Low, Two degrees of separation: ambition and reality: Low Carbon Economy Index 2014, 2014.
  • (5) Aerts, R.; Somers, W.; Bogaerts, A. ChemSusChem 2015, 8, 702–716.
  • (6) Whitehead, J. C. Pure Appl. Chem. 2010, 82, 1329–1336.
  • (7) Bogaerts, A.; Kozák, T.; van Laer, K.; Snoeckx, R. Faraday Discuss. 2015, 217–232.
  • (8) Fridman, A. Plasma chemistry; 2008; Vol. 9780521847353.
  • (9) Bogaerts, A.; Neyts, E. C. ACS Energy Lett. 2018, 3, 1013–1027.
  • (10) Canfield, D. E.; Glazer, A. N.; Falkowski, P. G. Science. 2010, 330, 192–196.
  • (11) Aste, T. J. Phys. Condens. Matter 2005, 17 , 2361–2390.
  • (12) Birkeland, K. Trans. Faraday Soc. 1906, 2, 98–116.
  • (13) Cherkasov, N.; Ibhadon, A. O.; Fitzpatrick, P. Chem. Eng. Process. Process Intensif. 2015, 90, 24–33.
  • (14) Patil, B. S.; Wang, Q.; Hessel, V.; Lang, J. Catal. Today 2015, 256, 49–66.
  • (15) Wang, Q.; Patil, B.; Anastasopoulou, A.; Butala, S.; Rovira, J.; Hessel, V.; Lang, J. 22nd Int. Symp. Plasma Chem. 2015, No. July, 1–2.
  • (16) Patil, B. S.; Cherkasov, N.; Lang, J.; Ibhadon, A. O.; Hessel, V.; Wang, Q. Appl. Catal. B Environ. 2016, 194, 123–133.
  • (17) Asisov, R. I.; Givotov, V. K.; Rusanov, V. D.; Fridman, A. Sov. Phys., 1980, 14, 366.
  • (18) Patil, B. S.; Rovira Palau, J.; Hessel, V.; Lang, J.; Wang, Q. Plasma Chem. Plasma Process. 2016, 36, 241–257.
  • (19) Wang, W.; Patil, B.; Heijkers, S.; Hessel, V.; Bogaerts, A. ChemSusChem 2017, 10, 2110.
  • (20) Berthelot, A.; Bogaerts, A. J. Phys. Chem. C 2017, 121, 8236–8251.
  • (21) Asisov, R. I.; Vakar, A. K.; Jivitov, V. K.; Krotov, M. F.; Zinoviev, O. A.; Potapkin, B. V.; Rusanov, A. A.; Rusanov, V. D.; Fridman, A. A. Proc. USSR Acad. Sci. 1983, 271, 94–97.
  • (22) Long, D. The Raman Effect: A Unified Treatment of the Theory of Raman Scattering by Molecules; 202AD.
  • (23) Bruggeman, P. J.; Sadeghi, N.; Schram, D. C.; Linss, V. Plasma source 2013, 46.
  • (24) Hagelaar, G. J. M.; Pitchford, L. C. Plasma Sources Sci. Technol. 2005, 14, 722–733.
  • (25) IST-Lisbon database, www.lxcat.net, retrieved on May 15, 2018.
  • (26) Capitelli, M.; Ferreira, C. M.; Gordiets, B. F.; Osipov, A. I. Plasma kinetics in atmospheric gases; 2000.
  • (27) Schwartz, R. N.; Slawsky, Z. I.; Herzfeld, K. F. J. Chem. Phys. 1952, 20, 1591–1599.
  • (28) Kozàk, T.; Bogaerts, A. Plasma Sources Sci. Technol. 2014, 23.
  • (29) Yan, Y.; Su, D. L. Proc. - Asia-Pacific Conf. Environ. Electromagn. CEEM 2003 2003, 518–522.
  • (30) Capitelli, M.; Colonna, G.; D’Ammando, G.; Laricchiuta, A.; Pietanza, L. D. Plasma Sources Sci. Technol. 2017, 26 (3).
  • (31) Ochkin, V. N. Spectroscopy of Low Temperature Plasma; 2009.
  • (32) Kim, T.; Song, S.; Kim, J.; Iwasaki, R. Jpn. J. Appl. Phys. 2010, 49.
  • (33) Hong, J.; Aramesh, M.; Shimoni, O.; Seo, D. H.; Yick, S.; Greig, A.; Charles, C.; Prawer, S.; Murphy, A. B. Plasma Chem. Plasma Process. 2016, 36 , 917–940.
  • (34) Nighan, W. L. Phys. Rev. A 1970, 2, 1989–2000.
  • (35) Linstrom, P. J.; Mallard, W. G. NIST Standard Reference Database Number 69; 2005.
  • (36) Heijkers, S.; Snoeckx, R.; Kozák, T.; Silva, T.; Godfroid, T.; Britun, N.; Snyders, R.; Bogaerts, A. Ispc 2015, No. MAY, 22–24.
Universiteit of Hogeschool
Master in de wetenschappen: Chemie
Publicatiejaar
2018
Promotor(en)
Prof. Dr. Annemie Bogaerts
Kernwoorden