Plasma là gì?

Plasma là trạng thái thứ tư của vật chất (các trạng thái khác là rắn, lỏng, khí) trong đó các chất bị ion hóa mạnh. Đại bộ phận phân tử hay nguyên tử chỉ còn lại hạt nhân; các electron chuyển động tương đối tự do giữa các hạt. Plasma không phổ biến trên Trái Đất tuy nhiên trên 99% vật chất thấy được trong vũ trụ tồn tại dưới dạng plasma, vì thế trong bốn trạng thái vật chất, plasma được xem như trạng thái đầu tiên trong vũ trụ. (Lưu ý là vật chất thấy được, vật chất biết được và vật chất là khác nhau.)

Plasma is one of the four fundamental states of matter, while the others are solid, liquid, and gas. Unlike these three states of matter, plasma does not naturally exist on the Earth under normal surface conditions, and can only be artificially generated from neutral gases.^[3] The term was first introduced by chemist Irving Langmuir^[2] in the 1920s.^[4]

Nếu sự ion hóa được xảy ra bởi việc nhận năng lượng từ các dòng vật chất bên ngoài, như từ các bức xạ điện từ thì plasma còn gọi là plasma nguội. Ví dụ như đối với hiện tượng phóng điện trong chất khí, các electron bắn từ cation ra làm ion hóa một số phân tử trung hòa. Các electron mới bị tách ra chuyển động nhanh trong điện trường và tiếp tục làm ion hóa các phân tử khác. Do hiện tượng ion hóa mang tính dây chuyền này, số đông các phân tử trong chất khí bị ion hóa, và chất khí chuyển sang trạng thái plasma. Trong thành phần cấu tạo loại plasma này có các ion dương, ion âm, electron và các phân tử trung hòa..

Nếu sự ion hóa xảy ra do va chạm nhiệt giữa các phân tử hay nguyên tử ở nhiệt độ cao thì plasma còn gọi là plasma nóng. Khi nhiệt độ tăng dần, các electron bị tách ra khỏi nguyên tử, và nếu nhiệt độ khá lớn, toàn bộ các nguyên tử bị ion hóa. Ở nhiệt độ rất cao, các nguyên tử bị ion hóa tột độ, chỉ còn các hạt nhân và các electron đã tách rời khỏi các hạt nhân.

Các hiện tượng xảy ra trong plasma chuyển động là rất phức tạp. Để đơn giản hóa, trong nghiên cứu plasma, người ta thường chỉ giới hạn trong việc xét các khối plasma tĩnh, tức là các khối plasma có điện tích chuyển động nhưng toàn khối vẫn đứng yên.

Các ví dụ về plasma dễ thấy nhất là mặt trời, các ngôi sao, đèn huỳnh quang và sét.

Plasma không những có tính linh động rất mạnh, nó lại có thể dẫn điện như kim loại. Trên trái đất, loại vật chất này không nhiều, chỉ có ở vùng cực quang vùng núi lửa hoặc chớp điện mới có thể tìm thấy chúng, thế nhưng trong vũ trụ, thế lực của chúng rất to lớn, khoảng 99,9% vật chất trong toàn vũ trụ đều ở vào trạng thái plasma.

Plasma and ionised gases have unique properties and display behaviors unlike those of the other states, although the true technical transition between the two is mostly a matter of nomenclature^[2] and subject to interpretation.^[5] It can simply be considered as a gaseous mixture of negatively charged electrons and highly charged positive ions, being created by heating a gas or by subjecting gas to a strong electromagnetic field. However, true plasma production is from the distinct separation of these ions and electrons that produces an electric field, which in turn, produces electric currents and magnetic fields.

Plasma và khí ion hóa có những tính chất và hành vi riêng biệt khác với các trạng thái khác, mặc dù sự chuyển hóa kĩ thuật thực sự giữa hai trạng thái chủ yếu khác nhau về cách đặt tên và dịch thuật. Plasma đơn giản được coi là hỗn hợp dạng khí của các e mang điện tích âm, và các ion giàu điện tích dương, được tạo ra bằng việc đốt khí hoặc đưa khí vào vùng điện từ trường mạnh. Dù sao thực tế plasma được tạo ra từ sự phân tách rõ rệt các e và ion, từ đó tạo ra điện trường, điện trường ngược lại sinh ra dòng điện và từ trường.

Partially ionised plasma is popularly understood, for example, as bright neon signs or lightning storms,^[6] while more fully ionised plasma is associated with the interior of the Sun,^[7] the solar corona,^[8] and stars.^[9]

Công nghệ plasma khí hóa rác sản xuất điện

Hiện nay, công nghệ plasma sinh nhiệt lượng lớn đang được sử dụng để khơi mào và duy trì các phản ứng khí hóa trong một số công nghệ khí hóa.

Khí hóa bằng plasma hay khí hóa với trợ giúp của plasma có thể được sử dụng để chuyển  các vật liệu chứa carbon thành khí tổng hợp dùng trong sản xuất điện năng và sản xuất các sản phẩm hữu ích khác, ví dụ như: sản xuất nhiên liệu cho các phương tiện giao thông.

Với nỗ lực nhằm giảm các chi phí khi xử lý rác thải rắn đô thị (bao gồm cả phế thải xây dựng), một số thành phố trên thế giới đã phối hợp với các công ty khí hóa plasma để chuyển đổi rác thải đô thị bằng cách thiêu kết nó trong các thiết bị xử lý rác. Một vài thành phố của Nhật đã thực hiện việc khí hóa rác để sản xuất điện.

Ngoài ra, một số ngành công nghiệp, mà trong quá trình sản xuất của nó sẽ tạo ra các phế thải độc hại (như công nghiệp hóa học và lọc dầu), cũng có thể áp dụng công nghệ khí hóa bằng plasma như một biện pháp hiệu quả để xử lý những phế thải này.

Plasma

Plasma là quá trình tạo khí ở dạng ion hóa nhờ sự phóng điện trong khí. Tia chớp hình thành khi có sét là ví dụ về plasma trong tự nhiên. Đầu đốt plasma và hồ quang điện (là plasma nhân tạo) có thể chuyển một lượng lớn điện năng thành nhiệt năng. Đầu đốt plasma và hồ quang điện có thể tạo nhiệt độ lên tới 10.000 ºF (khoảng 5.500 ºC).

Khi sử dụng trong nhà máy khí hóa, đầu đốt plasma và hồ quang điện tạo ra lượng nhiệt cực lớn, khơi mào, duy trì và tăng tốc các phản ứng khí hóa khiến quá trình khí hóa trở nên hiệu quả hơn.

Khí hóa bằng công nghệ plasma

Trong lò phản ứng khí hóa rác thải (rác thải rắn đô thị, rác thải phá dỡ ô tô, rác thải y tế, sinh khối hoặc phế thải độc hại), khí nóng từ đầu đốt plasma hoặc hồ quang tiếp xúc với rác thải (được nạp vào lò để xử lý), thiêu kết chúng ở nhiệt độ hơn 3.000 ºF (hơn 1.650 ºC).

Lượng nhiệt rất lớn này có tác dụng duy trì các phản ứng khí hóa bằng cách phá vỡ các liên kết hóa học của rác và chuyển chúng thành khí tổng hợp.

Thành phần chủ yếu của khí tổng hợp này là khí carbon monoxide và khí hydrogen (CO và H2) – những khí nguyên liệu cơ bản để sản xuất hóa chất, phân bón, khí cháy. Khí tổng hợp cũng được dẫn đến turbin khí, đốt tạo hơi nước để chạy turbin hơi trong quá trình sản xuất điện.

Do rác trong lò khí hóa được chuyển thành các thành phần cháy cơ bản (CO và H2), nên các loại rác độc hại cũng trở thành nhiên liệu khí hữu ích. Các vật liệu vô cơ trong rác được nung chảy và chuyển thành xỉ dạng pha thủy tinh, không độc hại và có thể sử dụng làm cốt liệu trong xây dựng.

Lò khí hóa plasma (Alter NRG Corp.)

Sử dụng thương mại

Công nghệ plasma đã được sử dụng hơn 30 năm trong một số ngành công nghiệp như: hóa chất  và luyện kim. Tuy vậy, thời kỳ đầu, công nghệ này đã được sử dụng để phân hủy các phế thải độc hại cũng như để thiêu chảy tro của các lò đốt sinh khối nhằm tạo ra loại xỉ an toàn, không bị chiết tách (chất độc hại). Việc sử dụng công nghệ plasma thiêu kết rác và sinh ra năng lượng là hướng phát triển mới đây.

Hiện nay, một số nhà máy khí hóa rác bằng plasma đang hoạt động tại Nhật, Mỹ, Canada, Nga, Ấn Độ,... Trong đó, nhà máy khí hóa rác thải, khi phá dỡ ô tô, để phát điện đã hoạt động tại Utashinai (Nhật Bản) từ năm 2001.

Lợi ích của công nghệ khí hóa plasma

Công nghệ khí hóa plasma đem lại một số lợi ích chủ yếu:

- Cho phép sử dụng lượng nhiệt lớn nhất từ rác thải;

- Rác nạp có thể là hỗn hợp của rác thải rắn đô thị, rác thải phá dỡ ô tô,  rác thải y tế, sinh khối và phế thải độc hại;

- Không tạo ra khí methane, một loại khí nhà kính tiềm năng;

- Do không đốt mà thiêu kết nên không tạo tro đáy hoặc tro bay có tính chiết tách;

- Giảm nhu cầu diện tích các bãi chứa rác;

- Tạo khí tổng hợp để sử dụng trong sản xuất điện hoặc tiếp tục chế biến thành các sản phẩm hóa học, phân bón, khí đốt;

- Có mức độ phát thải nguy hại ra môi trường thấp nhất so với các công nghệ xử lý rác khác.