Development of a Coaxial Dielectric Barrier Discharge Plasma Fluidized Bed Reactor (COAX-DBD PFBR) for surface modification of granular material with low pressure plasma

Abstract

RESUMEN: El presente proyecto de investigación consiste en la construcción y puesta a punto de un reactor de plasma por lecho fluidizado para el tratamiento superficial de material granular con plasma atmosférico. La puesta a punto del reactor se basa en: la construcción de una columna de fluidización y la obtención del estado de fluidización en los polvos y el efecto que tuvo el tratamiento en los polvos con el plasma generado. El tratamiento se estudió realizando las siguientes técnicas: granulometría, reometría, calorimetría y un diagnóstico preliminar en la dispersión de los polvos mediante señales de luz esparcida del reactor, con y sin la presencia de una descarga dieléctrica coaxial para denotar el comportamiento del material granular al momento de fluidizar. Para propósitos de este trabajo, se utilizaron dos tipos de gránulos; uno orgánico, almidón de papa y otro inorgánico, dióxido de Titanio (TiO2). Para este trabajo, el material granular fue tratado con plasma de argón y de acuerdo al arreglo utilizado se pudieron agregar monómeros para poder modificar la superficie, como por ejemplo, se utilizaron: hexametildisiloxano, metanol, isopropanol y acetona. El arreglo de fluidización o columna de fluidización, consiste en un cilindro de cristal de cuarzo, adaptado con una entrada para gas en su base inferior y en el interior, los distribuidores para la obtención del estado de fluidización. En la parte superior se ubica el redistribuidor de partículas al sistema y el electrodo positivo para la generación del plasma. La generación de plasma es por la técnica de Descarga de Barrera Dieléctrica (DBD) en configuración coaxial. El cual consiste, en una fuente de alimentación eléctrica con las siguientes características: cuenta con un rango de radio frecuencia para manejar una frecuencia variable entre 10 y 100kHz, produce una onda sinusoidal de amplitud entre 0 y 10KVpp con una potencia de hasta 3KW, capacidad de corriente de entrada máxima de hasta 15. El sistema optoelectrónico está compuesto de 16 LEDs fungiendo como emisores, ensamblados sobre una placa en línea recta y en serie. Frente a la placa emisora se encuentra una placa con 16 fotodiodos, fungiendo como receptor y de igual manera ensamblados en línea recta sobre una placa y en serie. Son 2 placas paralelas a una distancia de 7cm; quedando en pares 1 LED y enfrente 1 fotodiodo (receptor-emisor). La placa receptora estará conectada a una tarjeta NI My Rio de National Instruments y enviando los datos a un instrumento virtual de Labview a la computadora para la obtención y análisis de datos. Como parte del desarrollo de este trabajo de investigación, se publicó un artículo de investigación en la revista internacional: IEEE-Transactions on Plasma Sciences, Special Issue LAWPP 2017, mismo que se agrega en la sección de anexos (anexo 6) e incluida en las referencias bibliográficas y parte de los resultados presentados en el mismo fueron utilizados en este trabajo. ABSTRACT: The research Project presented in this work, consists of the construction and assessment of a fluidized-bed plasma reactor for the atmospheric plasma surface treatment of granular material, with a coaxial dielectric barrier discharge configuration. Referred in this work as: Coaxial Dielectric Barrier Discharge Plasma Fluidized-Bed Reactor, (COAX-DBD PFBR). The assessment of the reactor is based on the construction of a fluidization column and achieve the fluidization state of the powders and the effect that the treatment had over the granules with the interaction with the generated plasma. This was studied submitting the treated granules to the following techniques: granulometry, rheometry, calorimetry and a preliminary test, for the analysis of the dispersion of the powders inside the reactor by light scattering signals in the presence of a dielectric discharge and without it. For purposes of this work, two types of powders were used: an organic type, potato starch, and an inorganic type, Titanium Dioxide (TiO2). The granular material was treated with Argon (Ar) Plasma and because of the arrangement used, four different monomers were added, these were: hexamethyldisiloxane, methyl, isopropyl and acetone. The fluidizing arrangement consists of a cylinder of quartz glass, at its lower base is adapted for the gas inlet and the distributors for the fluidization process. At the upper section of the cylinder, the redistributor particle system and the electrode to induce voltage for plasma generation is located. The plasma generation technique is the Dielectric Barrier Discharge (DBD) in a coaxial configuration. The system of plasma generation is a power supply with the following characteristics: it has a radio frequency range to handle a variable frequency between 10 and 100 kHz, produces a sine wave amplitude between 0 and 10KVpp with a power up 3KW, current capacity maximum input up to 15. This source can provide a high voltage and high frequency. The optoelectronic prototype consists of 16 LEDs serving as emitters, assembled on a plate in a straight line and in series. Facing the emitter plate is another one with 16 photodiodes, serving as receivers and similarly assembled straight onto a plate and serially. Both plates are parallel at a distance of 7cm; 1 LED running in pairs and opposite one photodiode (receiver - transmitter). The receiver plate is connected to a MyRio-NI National Instruments and sending the data to a virtual instrument of Labview to the computer for data collection and analysis. As part of the development and progress of this research work, a research paper was published in the IEEE-Transactions on Plasma Sciences, Special Issue LAWPP 2017, which is presented in the appendix 6, included in the references of this work. And also, part of the results presented in the research paper were used in this work.