Fundacja InterSEC współpracuję w ramach realizacji projektu pt.:
Analiza możliwości aplikacji technologii plazmowej w procesie produkcji związków NOx do zastosowań przemysłowych.
z jednostaki organizacyjnymi Politechniki Lubelskiej: Katedrą Elektrotechniki i Technologii Nadprzewodnikowych (KETN), Katedrą Zrównoważonego Transportu i Źródeł Napędu (KZTŹ), Katedrą Informatyki (KI), a także z Prof. Fumiaki Mitsugi z Kumamoto University (Kumamoto, Japonia).

Cel projektu:
Celem projektu jest analiza możliwości produkcji tlenków azotu (NOx) metodami plazmowymi z wykorzystaniem reaktora plazmy nietermicznej generowanej ślizgającym się wyładowaniem łukowym.

Opis projektu:
NOx to grupa gazów, w skład której wchodzą głównie tlenek azotu (NO) i dwutlenek azotu (NO₂). Powstają one podczas procesów spalania paliw w wysokich temperaturach. Związki te, mimo że są szkodliwymi zanieczyszczeniami powietrza, mają szerokie zastosowania w przemyśle i technologii. Znajdują zastosowanie w przemyśle chemicznym, farmaceutycznym, spożywczym, militarnym, elektronicznym i medycynie [1]. Związki NOx są kluczowe w procesie Ostwalda, który służy do syntezy kwasu azotowego (HNO₃), używanego do produkcji nawozów sztucznych, materiałów wybuchowych i barwników. Azotany i azotyny, pochodne NOx, są wykorzystywane jako konserwanty w przemyśle mięsnym. NOx są używane w procesach plazmowych do modyfikacji powierzchni półprzewodników. Tlenek azotu (NO) jest stosowany w leczeniu nadciśnienia płucnego u noworodków i pacjentów z problemami oddechowymi. Mimo wielkoskalowego wykorzystania proces Ostwalda nie jest wolny od wad. Stosowany w tym procesie katalizator platynowo-rodowy jest bardzo drogi, a jego wymiana i regeneracja są kosztowne. Proces wymaga też wysokiej temperatury (ok. 850°C) i podwyższonego ciśnienia (4-10 atm). Musi być też dokładnie kontrolowany, aby uniknąć powstawania niepożądanych produktów ubocznych i utraty wydajności. Alternatywą dla procesu Ostwalda może być technologia plazmowego wytwarzania związków NOx. Dobierając odpowiednie metody generacji plazmy niskotemperaturowej oraz jej parametry wytwarzać można związki NOx z powietrza pod ciśnieniem atmosferycznym. Proponowana metoda otrzymywania NOx wykorzystuje plazmę niskotemperaturową, inaczej niż w piecu Mościckiego gdzie wykorzystywano szybko wirujący łuk wysokotemperaturowy [2]. Wytwarzanie NOx za pomocą plazmy niskotemperaturowej to proces, który wykorzystuje środowisko plazmowe do inicjowania reakcji chemicznych między azotem (N₂) a tlenem (O₂). Wysoka energia plazmy niskotemperaturowej oraz możliwość kontrolowania reakcji chemicznych na poziomie molekularnym pozwalają na precyzyjną syntezę NOx, przy jednoczesnym minimalizowaniu niepożądanych produktów ubocznych oraz zużycia energii elektrycznej [3]. Zakres działań prowadzonych w projekcie skupi się nad przystosowaniem będącego na wyposażeniu KETN reaktora plazmowego [4] do produkcji związków NOx. Obecnie problematyka generacji związków NOx w reaktorach plazmowych ze ślizgającym się wyładowaniem łukowym jest słabo rozpoznana. Realizacja projektu da odpowiedź czy technologia plazmowa produkcji tlenków azotu [5] jest tanią [6] i przyjazną środowisku alternatywą dla stosowanej powszechnie metody Ostwalda. Wstępne badania na reaktorze plazmowym znajdującym się w laboratorium KETN, przeprowadzone we współpracy z KZTŹN, wykazały, że mimo braku przystosowania go do produkcji tlenków azotu zawartość NOx w gazowych produktach obróbki plazmowej przekracza 5000 ppm. Już na etapie przedprojektowym, na podstawie zebranych obserwacji i doświadczeń, założyć można, że możliwe jest osiągnięcie dużo większej produkcji NOx. Reaktor posiada szerokie możliwości adaptacyjne dla zapewnienia efektywnej produkcji NOx [7]. Możliwe jest kształtowanie parametrów konstrukcyjnych reaktora, tj. kształtu i materiału elektrod, kształtu komory wyładowczej, kształtu dysz napływu i odpływu gazów procesowych. Układ zasilania w gazy procesowe pozwala na modyfikację parametrów fizycznych i chemicznych gazów procesowych. Układ zasilania w energię elektryczną pozwala wpływać na parametry plazmy, poprzez zmianę napięcia i natężenia prądu wyładowania elektrycznego w reaktorze, zmianę kształtu napięcia i jego częstotliwości. Dużą zaletą reaktora jest produkcja związków NOx w plazmie niskotemperaturowej, a więc procesie o niskim zapotrzebowaniu na energię elektryczną. Badania nad produkcją związków NOx w reaktorze plazmowym koncentrować się będą nad uzyskaniem maksymalnej wydajności procesu oraz ograniczeniu zapotrzebowania na energię elektryczną i gazy procesowe. W tym celu prowadzone będą pomiary podstawowych wielkości elektrycznych podczas pracy reaktora plazmowego, tj. napięcia łuku, prądu łuku, częstotliwości napięcia, mocy łuku, zawartości harmonicznych w napięciu i prądzie. Analizie poddawany będzie skład chemiczny oraz parametry fizyczne gazu procesowego wprowadzanego do komory wyładowczej reaktora. Uzupełnieniem pomiarów będą zdjęcia wykonywane szybką kamerą ukazujące charakter łuku elektrycznego i jego mechanizm rozwoju. W pomiarach wykorzystane będzie istniejące w KETN stanowisko badawcze reaktora plazmowego. Stanowisko to wyposażone jest w trójfazowy, trójelektrodowy reaktor plazmowy typu GlidArc, zestaw czterech układów zasilania w energię elektryczną, system zasilania reaktora w gazy procesowe, woltomierze, amperomierze, watomierze, analizator jakości zasilania i oscyloskop. Stanowisko wzbogacone zostanie o system automatycznej archiwizacji danych pomiarowych wykorzystujący karty pomiarowe DAQ i komputer PC. Analiza składów gazów procesowych wprowadzanych do reaktora plazmowego oraz gazów poprocesowych na ujściu z jego komory analizowana będzie przez Dr inż. Michała Gęcę. Do badań wykorzystany będzie znajdujący się na wyposażeniu tej katedry analizator gazów FTIR. Za obróbkę danych pomiarowych oraz ich analizę jakościową i statystyczną odpowiedzialny będzie Dr inż. Marta Dziuba-Kozieł. Dane pomiarowe obrabiane będą z wykorzystaniem algorytmów sieci neuronowych i sztucznej inteligencji. Podane obróbce dane analizowane będą pod kątem zwiększenia efektywności produkcji związków NOx w procesie plazmowym oraz określenie charakterystyk efektywnej pracy reaktora plazmowego przez Prof. Fumiaki Mitsugi. Wymiernym efektem projektu będzie stworzenie interdyscyplinarnego, międzynarodowego zespołu badawczego. Zespół ten będzie publikował wyniki sowich prac w postaci artykułów publikowanych w poczytnych czasopismach o zasięgu międzynarodowym. Zgromadzona w trakcie prac badawczych wiedza i doświadczenie pozwolą na wnioskowanie o duże projekty badawcze a w perspektywie kolejnych kilku lat możliwe będą prace wdrożeniowe.

Literatura:
[1] Pavlovich M.J., Ono T. et al., J. Phys. D: Appl. Phys. 47, 505202 (2014).
[2] Jardali F., Van Alphen S. et al., Green Chem. 23, 1748–1757 (2021).
[3] Vervloessem E., Gorbanev Y. et al., Green Chem. 24, 916-929 (2022).
[4] Stryczewska H.D., Komarzyniec G. et al., Energies 17, 2696 (2024).
[5] Rehbein N., Cooray V., J. Electrost. 51–52, 333-339 (2001).
[6] Pei X.K., Gidon D. et al., Chem. Eng. J. 362, 217-228 (2019).
[7] van Raak T., van den Bogaard H. et al., Catal. Sci. Technol. 14, 5405-5421 (2024).

Efekty realizacji projektu:
[1] Operational Characteristics and Energy Efficiency Assessment of a GlidArc Plasma Reactor for NOx Synthesis / Grzegorz Komarzyniec, Michał Aftyka, Michał S. Gęca, Marta Dziuba-Kozieł and Grzegorz Kozieł // Energies.- 2026, vol. 19, nr 7, s. 1-22, https://doi.org/10.3390/en19071737
[2] Comparison of the impact of the plasma reactor power supply design on the power grid / Grzegorz Karol Komarzyniec, Michał Aftyka // Przegląd Elektrotechniczny.- 2026, vol. 102, nr 1, s. 34-39, https://sigma-not.pl/publikacja-157849-2026-1.html
[3] The influence of key operating parameters of the three-electrode gliding arc reac-tor on the NOx production efficiency, Oleksandr Boiko, Grzegorz Komarzyniec, Michał Aftyka, Marta Dziuba-Kozieł, Grzegorz Kozieł, Michał S. Gęca, Fumiaki Mitsugi, Henryka D. Stryczewska. HAKONE XIX – International Symposium on High Pressure Low Temperature Plasma Chemistry, Montreal, Quebec, Canada, August 23–27, 2026.

Zapraszamy do zapoznania się z innymi pojektami Fundacji.