UNIVERSIDADE FEDERAL DO RIO GRANDE DO NORTE

DISSERTAÇÃO DE MESTRADO

DESCARGA EM BARREIRA DIELÉTRICA: CONSTRUÇÃO DE UM REATOR

DBD E CARACTERIZAÇÃO MEDIANTE ANÁLISES ÓPTICAS E ELÉTRICAS

DO PLASMA PRODUZIDO.

IVAN ALVES DE SOUZA

Junho de 2013

Natal-RN

UNIVERSIDADE FEDERAL DO RIO GRANDE DO NORTE

CENTRO DE TECNOLOGIA

PROGRAMA DE PÓS-GRADUAÇÃO EM ENGENHARIA MECÂNICA

DISSERTAÇÃO DE MESTRADO

DESCARGA EM BARREIRA DIELÉTRICA: CONSTRUÇÃO DE UM REATOR

DBD E CARACTERIZAÇÃO MEDIANTE ANÁLISES ÓPTICAS E ELÉTRICAS DO

PLASMA PRODUZIDO.

IVAN ALVES DE SOUZA

Dissertação apresentada ao Programa de

Pós-Graduação em Engenharia Mecânica,

do Centro de Tecnologia, da Universidade

Federal do Rio Grande do Norte, como

parte dos requisitos para obtenção do título

de mestre em Engenharia Mecânica.

Orientador: Prof. Dr. Clodomiro Alves Júnior

Junho de 2013

FICHA CATALOGRÁFICA

Seção de Informação e Referência

Catalogação da Publicação na Fonte. UFRN / Biblioteca Central Zila Mamede

Souza, Ivan Alves de

Descarga em barreira dielétrica: construção de um reator DBD e caracterização

mediante análises ópticas e elétricas do plasma produzido / Ivan Alves de Souza. – Natal,

RN, 2013.

207 f.; il.

Orientador: Clodomiro Alves Júnior.

Dissertação (Mestrado) – Universidade Federal do Rio Grande do Norte. Centro de Tecnologia

Industrial. Programa de Pós-Graduação em Engenharia Mecânica.

1. Plasma – Dissertação. 2. Descarga em Barreira Dielétrica – Dissertação. 3. Espectroscopia de

Emissão Óptica – Dissertação. 4. Figuras de Lissajous – Dissertação. I. Alves Júnior, Clodomiro. II.

Universidade Federal do Rio Grande do Norte. III. Título.

RN/UF/BCZM CDU 533.9

Dedicatória

A minha filha, meu falecido pai e todos que direta ou indiretamente me incentivaram a

sempre continuar e independente das dificuldades encontradas durante o caminho.

Agradecimentos

Deus

Ao meu orientador Prof. Dr. Clodomiro Alves Junior que me deu a

oportunidade de desenvolver essa pesquisa.

A minha família que sempre me apoiou esposa, irmãos, filha e etc.

A toda equipe do Laboratório de Processamento de materiais por Plasma

(LABPLASMA).

A CAPES e CNPQ pelo apoio financeiro.

A Universidade Federal do Rio Grande do Norte.

Epígrafe

"The possession of anything begins in the mind"

("A posse de qualquer coisa começa na mente")

Bruce Lee.

Resumo

O plasma produzido por Descarga em Barreira Dielétrica (DBD) é uma

promissora técnica de produção de plasma em pressão atmosférica e vem se destacando

em diversas áreas, principalmente na biomédica e indústria têxtil, isso se deve ao fato de

que o plasma gerado por DBD não atinge grandes temperaturas, possibilitando utilizá-lo

em materiais termicamente sensíveis. Porém, ainda faz-se necessário o desenvolvimento

de pesquisas relacionadas ao domínio e compreensão dos mecanismos químicos, físicos

e biológicos da interação entre o plasma não térmico à pressão atmosférica com células,

tecidos, órgãos e microrganismos.

O presente trabalho se propôs a desenvolver um equipamento DBD e

caracterizá-lo para assim obter um maior conhecimento dos parâmetros do processo de

produção de plasma e de como este se comporta mediante os parâmetros adotados no

processo, tais como distância, frequência e voltagem aplicada entre eletrodos. Para este

fim foram utilizadas duas técnicas de caracterização bem distintas entre si. A primeira

foi o método das figuras de Lissajous, essa técnica é bastante eficaz e precisa para uma

completa caracterização elétrica de equipamentos DBD. A segunda técnica usada foi

Espectroscopia de Emissão Óptica (EEO) uma ferramenta bastante eficaz para o

diagnóstico de plasma sendo possível com ela identificar as espécies excitadas presentes

no plasma produzido.

Por fim confrontando os dados obtidos mediante as duas técnicas foi possível

identificar um conjunto de parâmetros que quando associados aperfeiçoam a produção

do plasma DBD atmosférico no equipamento construído isso ocorreu mais precisamente

na condição 0,5mm-600Hz-15kV, dando rumo para trabalhos futuros.

Palavras chave: Plasma, Descarga em Barreira Dielétrica, Espectroscopia de

Emissão Óptica, figuras de Lissajous.

Abstract

The plasma produced by Dielectric Barrier Discharge (DBD) is a promising

technique for producing plasma in atmospheric pressure and has been highlighted in

several areas, especially in biomedical and textile industry, this is due to the fact that the

plasma generated by DBD not reaches high temperatures, enabling use it for thermally

sensitive materials. But still it is necessary the development of research related to

understanding of the chemical, physical and biological interaction between the non-

thermal plasma at atmospheric pressure with cells, tissues, organs and organisms.

This work proposes to develop equipment DBD and characterize it in order to

obtain a better understanding of the process parameters of plasma production and how it

behaves under the parameters adopted in the process, such as distance, frequency and

voltage applied between electrodes. For this purpose two techniques were used to

characterize distinct from each other. The first was the method of Lissajous figures, this

technique is quite effective and accurately for complete electrical characterization

equipment DBD. The second technique used was Optical Emission Spectroscopy (EEO)

very effective tool for the diagnosis of plasma with it being possible to identify the

excited species present in the plasma produced.

Finally comparing the data obtained by the two techniques was possible to

identify a set of parameters that optimize the production when combined DBD plasma

atmosphere in the equipment was built precisely in this condition 0.5mm-15kV 600Hz,

giving way for further work.

Keywords: Plasma, Dielectric Barrier Discharge, Lissajous figures, Optical Emission

Spectroscopy

Lista de figuras

Figura 1: Formação de micro descargas em uma área de 60 x 60 mm e diatância entre eletrodos

de 1mm (Kogelschatz, 2003). .................................................................................................. 25

Figura 2: Regimes de operação do plasma DBD: (a) o regime difuso, e (b) o regime filamentar

(Shao et al., 2010). .................................................................................................................. 27

Figura 3- Frequência natural de ressonância em função da tensão aplicada .............................. 29

Figura 4: Linhas de emissão características do DBD atmosférico (Qiu et al., 2007). ................ 35

Figura 5: Desenho esquemático do arranjo experimental para análises elétricas de reatores DBD

(Kostov, Dos Santos, et al., 2010). .......................................................................................... 38

Figura 6- Figura de Lissajous Q-V de uma DBD (Santos, A. L. R., 2010). ............................... 40

Figura 7- (a) Configuração de um único dielétrico, e (b) circuito elétrico equivalente (Wagner et

al., 2003). ............................................................................................................................... 41

Figura 8- valores da Energia (área da figura), capacitância total C (segmentos AB ou DC) e

capacitância do dielétrico Cd (segmentos BC ou AD), obtidos a partir da figura de Lissajous

(Marcel e Et Al., 2009). .......................................................................................................... 43

Figura 9-Desenho mostrando os detalhes construtivos do reator DBD utilizado neste trabalho. 45

Figura 10-Flange superior ....................................................................................................... 46

Figura 11-Flange inferior ........................................................................................................ 46

Figura 12-Esquema do arranjo experimental para medidas elétricas e ópticas da descarga DBD

utilizada nesse trabalho. .......................................................................................................... 49

Figura 13-Esquema do funcionamento do espectrômetro USB4000 UV-VIS Ocean Optics...... 51

Figura 14- Espectro óptico típico obtido por OES da descarga DBD aplicada em ar atmosférico.

............................................................................................................................................... 52

Figura 15-Figura de Lissajous gerada a partir das condições utilizadas na variação da tensão

aplicada nos eletrodos na frequência fixa em 300Hz e distância entre eletrodos 0,5mm. .......... 53

Figura 16- Espectros obtidos na analise da variação de tensão, com distância fixa em 0,5mm e

frequência de 300 Hz. ............................................................................................................. 55

Figura 17- Reator DBD (a), eletrodo fixado na distância de 0,5mm(b) e (c), (d) e (e), três

condições de tensão aplicada 15,12 e 9 KV respectivamente todas na frequência de 300 Hz. ... 56

Figura 18- Medidas espectrais e elétricas da descarga entre dois eletrodos, aplicando uma tensão

de 15 kV e frequência de 500 Hz. (a) espectro obtido por EEO e (b) figura de Lissajous,

destacando a energia por ciclo para cada distância. .................................................................. 60

Figura 19-Curva de carregamento do dispositivo DBD pela aplicação de um pulso de voltagem

de 15 kV com frequência de 500Hz. ........................................................................................ 64

Figura 20- Regimes de operação do DBD atmosférico para as frequências 600 Hz e 500 Hz. ... 64

Figura 21- Curva de carregamento para variação da frequência com distância e tensão fixas em

0,5mm 15 kV respectivamente. ............................................................................................... 66

Figura 22-Comportamento do reator em função da potência dissipada. .................................... 69

Figura 23-Comparativo entra as curvas de carregamento no regime difuso. ............................. 70

Lista de tabelas

Tabela 1: Valores típicos de uma Descarga em Barreira Dielétrica (Eliasson e Kogelschatz,

1991b; Wagner et al., 2003). ................................................................................................... 24

Tabela 2: Picos mais recorrentes em descargas DBD (Mahoney et al., 2010; Wang et al., 2010).

............................................................................................................................................... 35

Tabela 3: Parâmetros utilizados no estudo. .............................................................................. 48

Tabela 4- Valores Ct e Cd, Capacitâncias Total e do dielétrico respectivamente, calculadas para

as medidas de variação de tensão............................................................................................. 58

Tabela 5-Valores da energia elétrica consumida por ciclo intensidade espectral integrada

e eficiência do reator DBD ................................................................................ 62

Tabela 6-Capacitância total do reator DBD para a variação da diatância nas frequências de

400,500 e 600 Hz. ................................................................................................................... 66

Tabela 7-Comportamento do reator DBD mediante o regime do plasma. ................................. 67

Tabela 8 - valores da capacitância obtida na primeira e segunda parte do ciclo de produção de

plasma nas condições, 0,5mm, 15 kV nas frequências de 500e 600Hz ..................................... 69

Lista de abreviaturas e siglas

MHCD/DMCO Micro Hollow cathode discharge / descarga por micro-cátodo

oco

DBD/DBD Dielectric Barrier Discharge / Descarga em Barreira Dielétrica

VD/DV Volum discharge / Descarga em volume

SD/DS Surface Discharge/Descarga em superfície

OES/EEO Optical Emission Spectroscopy / Espectroscopia de Emissão

Óptica

PLA O Poli Ácido Láctico

PTFE Politetrafluoretileno

Lista de símbolos

Variação de Energia

λ Comprimento de onda

Constante de Planck

Velocidade da luz

J Densidade de corrente

N2 Nitrogênio molecular

υ’, υ

” Estados vibracionais de uma molécula

Elétron

I Intensidade de emissão óptica

Constante de proporcionalidade da emissão óptica

Espécie neutra

Espécie excitada

Eficiência de excitação

Função distribuição de energia dos elétrons no plasma

Energia cinética

Seção de choque

Carga em função do tempo

Capacitância

Tensão em função do tempo

Tensão aplicada nos eletrodos

Energia elétrica consumida

Energia elétrica total

Potência consumida

Frequência do pulso

Tempo total de tratamento

Distância entre eletrodos

Distância efetiva entre eletrodos

Espessura do dielétrico

Capacitância total

Capacitância do gás

Capacitância efetiva

Capacitância do dielétrico

Capacitância fria

Permissividade do gás

Permissividade do dielétrico

Intensidade espectral integrada

Eficiência do equipamento DBD

Área dos eletrodos

eV Elétron volt

SD Superfície de descarga

VD Volume de descarga

ηE Eficiência elétrica

Frequência de ressonância

( Segundo sistema positivo do N2

Ti Temperatura dos íons

Te Temperatura eletrônica

T Temperatura do gás

Sumário

1. INTRODUCÃO .............................................................................................................. 17

2. REVISÃO BIBLOGRÁFICA .......................................................................................... 20

2.1. Plasma......................................................................................................................... 20

2.2. História ....................................................................................................................... 20

2.3. Descarga em Barreira Dielétrica (DBD) ....................................................................... 21

2.3.1. Regime filamentar ................................................................................................... 25

2.3.2. Regime difuso ......................................................................................................... 26

2.4. Frequência de ressonância ........................................................................................... 28

2.5. Aplicações................................................................................................................... 30

2.5.1. Lâmpadas fluorescentes ........................................................................................... 30

2.5.2. Esterilização ............................................................................................................ 30

2.5.3. Controle de poluição ................................................................................................ 31

2.5.4. Tratamento superficial de polímeros ........................................................................ 32

2.5.5. Tratamento de tecidos vivos ..................................................................................... 32

2.6. Diagnóstico de plasma ................................................................................................. 33

2.6.1. Espectroscopia de Emissão Óptica (EEO) ................................................................ 33

2.7. Método das figuras de Lissajous .................................................................................. 37

3. MATERIAIS E MÉTODOS ............................................................................................ 45

3.1. Reator DBD ................................................................................................................ 45

3.2. Caracterização do reator DBD ..................................................................................... 48

3.2.1. Figuras de Lissajous ................................................................................................ 49

3.2.2. Análise de EEO ....................................................................................................... 50

4. RESULTADOS E DISCUSSÃO ..................................................................................... 53

4.1. Análise da variação da tensão aplicada entre eletrodos ................................................. 53

4.2. Estudo da influência da distância entre eletrodos e frequência da tensão aplicada. ........ 59

4.3. Transição do regime filamentar para o regime difuso ................................................... 67

5. CONCLUSÃO ................................................................................................................ 71

6. REFERÊNCIAS BIBLIOGRAFICAS ............................................................................. 73

17

1. INTRODUCÃO

As pesquisas na área de plasma a baixa pressão vem se destacando pela sua

versatilidade, obtendo-se diversos resultados na modificação das propriedades físico-

químicas de materiais (Alves Jr et al., 2005). Entretanto, seu uso em grande escala é

limitante devido, principalmente, ao alto custo das instalações em vácuo. Além disso,

restringe seu uso em materiais com alta pressão de vapor, como por exemplo, os tecidos

vivos (Kanazawa et al., 1989; Okazaki, 1990). Diante disso, foram desenvolvidas

várias técnicas alternativas de plasma em pressão atmosférica ou subatmosférica, tais

como plasma corona, micro-ondas, micro cátodo oco (MHCD), tocha de plasma e

descarga por barreira dielétrica (DBD) (Napartovich, 2001).

A técnica de Descarga em Barreira Dielétrica (DBD) despontou nos últimos

15 anos, após o grande investimento realizado, principalmente no Japão e Coréia do Sul,

para pesquisas na fabricação de monitores de TV (Kogelschatz, 2003). Devido à baixa

temperatura do gás no processo, houve um crescente uso em aplicações desse plasma na

biomédica e em materiais termicamente sensíveis, como polímeros, líquidos, tecidos,

esterilização de dispositivos médicos, entre outros (Fridman et al., 2008).

Isso se deve ao fato de que o plasma formado não está em equilíbrio

termodinâmico, ou seja, a energia total não é igualmente distribuída para as espécies do

plasma. Embora a temperatura eletrônica seja alta, em torno de 3000 K, a temperatura

média do gás é pouco superior à temperatura ambiente, cerca de 300 K (Burm, 2005).

Dessa forma, maior parte da energia fornecida ao plasma é usada para processos

químicos como dissociação e recombinação de moléculas, formando íons, radicais

livres, etc. (Eliasson e Kogelschatz, 1991c). Um plasma com esse caráter tipicamente

18

químico torna-se relevante na modificação de materiais poliméricos e materiais

termicamente sensíveis por não causar danos a superfície do material tratado (Burm,

2005; Kostov, Dos Santos, et al., 2010).

Além disso, outra vantagem desse processo é a pequena distância necessária

entre a fonte do plasma e o material a ser tratado, o que facilita e viabiliza seu uso em

grandes dimensões em setores industriais mantendo a eficiência e o baixo custo de

energia (Xu, 2001; Kogelschatz, 2003). Atualmente, os equipamentos que utilizam esta

técnica englobam desde canetas para cicatrização, (Lu e Laroussi, 2005; Stoffels, 2007)

até equipamentos industriais de grande porte, que chegam a produzir 100 kg de ozônio

por hora (Kogelschatz, Eliasson e Egli; Kogelschatz, 2003).

A técnica DBD consiste na aplicação de pulsos de voltagem na faixa de 5 a 40

kV e frequências entre 0,05 a 80 kHz, (Eliasson e Kogelschatz, 1991c; Napartovich,

2001), aplicada entre dois eletrodos onde pelo menos um é revestido com material

dielétrico. No momento em que a tensão de ruptura é alcançada, várias microdescargas

se distribuem na superfície do dielétrico dando origem ao plasma DBD em regime

filamentar. Quando essas microdescargas são mais numerosas, homogêneas e

distribuídas dão origem ao plasma DBD em regime difuso (Pietsch, 2001).

É neste último regime que a técnica DBD está sendo apontada como a técnica

de plasma mais promissora na área médica (Cheruthazhekatt et al., 2010). Porém, ainda

faz-se necessário o desenvolvimento de pesquisas relacionadas ao domínio e

compreensão dos mecanismos químicos, físicos e biológicos da interação entre o plasma

não térmico à pressão atmosférica com células, tecidos, órgãos e microrganismos. Ou

seja, como os micro-organismos interagem com as várias espécies ativas, campos

elétricos, radiação UV, radicais livres, átomos e moléculas eletronicamente excitados

existentes no plasma DBD (Fridman et al., 2008).

19

Este trabalho teve como objetivo identificar os parâmetros adequados a serem

utilizados no DBD, bem como as espécies que resultam no plasma e como elas se

comportam mediante as condições de trabalho adotadas, sendo estas determinantes, pois

influenciam os resultados no tratamento de materiais, como por exemplo, a deposição

de filmes (Haiyan et al.; Da Ponte et al., 2011), esterilização de superfícies (Kostov,

Rocha, et al., 2010), tratamento superficial de polímeros (Kostov, Rocha, et al., 2010),

tratamentos dentários e dermatológicos (Daeschlein et al., 2012), este conhecimento é

de extrema importância tanto para obter os melhores resultados nos respectivos

tratamentos bem como oferecer o mínimo de risco ao operador e usuário, quando

utilizado em aplicações biomédicas.

20

2. REVISÃO BIBLOGRÁFICA

2.1. Plasma

O termo plasma se aplica a um gás contendo espécies neutras e eletricamente

carregadas como elétrons, íons positivos, íons negativos, átomos e moléculas, mas

macroscopicamente o plasma é eletricamente neutro. A temperatura média de elétrons,

íons e partículas neutras pode variar significativamente dependendo das condições do

plasma. Num gás fracamente ionizado, os elétrons são preferencialmente aquecidos e

não trocam energia com o resto do gás. Neste caso, a temperatura média de elétrons, Te,

é muito maior que a temperatura média de íons Ti e a temperatura do gás, T. A ionização

ocorre quando a tensão de ruptura é obtida. Esse mecanismo segue a lei de Paschen que

diz: Quando se quer produzir plasma em preções mais elevadas, a distância entre

eletrodos tem que ser reduzida, devido ao fato de que em pressões próxima a

atmosférica o campo elétrico necessário para gera-lo ser bastante elevado, sendo esta a

única diferença nos mecanismos de produção de plasma em preções mais elevadas, em

comparação com o plasma de baixa pressão (Sismanoglu, 2005). E é nesse cenário que

se encontra a técnica que é o objeto de estudo do presente trabalho.

2.2. História

Os primeiros relatos de investigações experimentais sobre Descarga em

Barreira Dielétrica (DBD) foram observados em 1857 por Siemens (Siemens, 1857).

Ele submeteu um fluxo de gás a uma diferença de potencial entre um anel estreito e ao

tubo coaxial por onde passava o oxigênio ou ar, gerando assim uma descarga

luminescente. A característica marcante do aparato de Werner Von Siemens foi que os

21

eletrodos que não entravam em contato com os gases na câmara de descarga. Esta

configuração foi utilizada para a geração de ozônio e foi considerado por ele uma de

suas invenções mais importantes.

No inicio do século XX, Emil Warburg (Warburg, 1904; 1925), realizou

inúmeras investigações em laboratório sobre a natureza da descarga com barreira

dielétrica. Posteriormente o engenheiro elétrico K. Buss (Buss, 1932), deu um

importante passo na caracterização da descarga, ao verificar que a ruptura no ar a

pressão atmosférica em eletrodos planares paralelos cobertos por dielétrico, ocorre com

um grande número de filamentos minúsculos de curta duração. Em 1943, T.C. Manley

(Manley, 1943), propôs um método para determinar a potência dissipada nos DBD’s

utilizando as figuras de Lissajous carga/voltagem. Por volta de 1970, várias técnicas de

diagnóstico e modelagem possibilitaram uma melhor compreensão física e química do

plasma (Kogelschatz, 2003). Atualmente estes estudos estão se desenvolvendo para

obter uma melhor compreensão dos mecanismos que regem a descarga DBD, de forma

a aperfeiçoar os processos de modificação superficial ou a qualquer outra finalidade na

qual se destine esta técnica de produção de plasma por Descarga em Barreira Dielétrica

(Abdul-Majeed, Parada e Zimmerman, 2011; Park e Hwang, 2013).

2.3. Descarga em Barreira Dielétrica (DBD)

Descarga em barreira dielétrica é um tipo de descarga que ocorre no espaço

entre dois eletrodos metálicos quando pelo menos um dielétrico é inserido entre os

eletrodos. Quando a diferença de potencial é aplicada entre os eletrodos, cargas elétricas

se acumulam na superfície do dielétrico. Quando em um determinado ponto desta

superfície acumulam-se cargas suficientes para romper a rigidez dielétrica do gás,

22

ocorre naquele ponto uma microdescarga, que é espécie de canal de plasma. Quando

isso ocorre o campo elétrico pontual que originou a descarga diminui e o

microfilamento se extingue. Como os valores de voltagem são bastante elevados, estes,

microfilamentos de plasma surgem em diversos pontos aleatórios da superfície do

dielétrico. Todo esse processo irá se repetir a cada meio ciclo do pulso de tensão

aplicada entre os eletrodos, gerando de forma macroscópica na superfície do dielétrico o

plasma DBD. (Kogelschatz, Eliasson e Egli; 1997; Bogaerts et al., 2002).

Essa descarga constitui um método seguro e econômico de gerar plasma não

térmico a pressão atmosférica (Eliasson e Kogelschatz, 1991b). Recentemente dois tipos

de arranjos para plasma DBD são desenvolvidos: descarga em volume (VD) e descarga

em superfície (SD). As propriedades da descarga de volume e da descarga de superfície

no DBD são diferentes. A descarga de volume é caracterizada por iniciar em um campo

uniforme com uma lacuna de gás fixa, enquanto a descarga de superfície propaga-se em

um campo não uniforme, da superfície do eletrodo ao longo da superfície do dielétrico,

com uma lacuna não fixa que geralmente é produzido em equipamentos que são

montados com eletrodos assimétricos. Os padrões de intensidade luminosa, espécies

ativas, radicais e íons do plasma são dependentes da composição dos gases, pressão,

configuração da descarga, frequência, tensão aplicada e da polaridade do campo elétrico

(Xu, 2001).

Existem basicamente dois regimes diferentes de operação neste tipo de

descarga: O regime filamentar e regime difuso. Na maior parte das aplicações

industriais, as descargas produzidas pela técnica DBD são geradas no modo filamentar

(Santos, 2010). No regime difuso conhecido como “descarga luminescente”, a descarga

é mais homogênea, sem a formação de filamentos, e exige condições especiais de

operação que são principalmente determinadas pelo gás de operação, tensão aplicada e

23

frequência do pulso de tensão. Estas descargas são obtidas mais facilmente em gases

como hélio, neônio e nitrogênio (Sira et al., 2008).

Portanto, o uso destes gases é muito mais vantajoso para tratamento e

esterilização de materiais, pois o plasma gerado por excitação e/ou ionização desses

gases garante a uniformidade do tratamento por ter uma maior facilidade de gerar o

plasma em regime difuso (Rocha, 2009).

Entretanto, mesmo utilizando estes gases, se houver a concentração de

impurezas no ambiente da descarga ou instabilidade dos parâmetros de operação pode

levar a descarga ao regime filamentar que em determinadas aplicações não é

interessante (Wagner et al., 2003; Borcia, Anderson e Brown, 2004).

As propriedades químicas das descargas de plasma não térmico são

determinadas através de colisões entre elétrons e outros componentes do gás de

trabalho. No ar e em pressão atmosférica como também em baixa pressão, as reações

químicas são principalmente iniciadas pelo impacto de elétrons com oxigênio e

nitrogênio. Os produtos básicos destas colisões são o oxigênio atômico, oxigênio

metastável e o nitrogênio, com colisões reativas subsequentes que produzem uma

mistura de espécies neutras, iônicas e ou excitadas. Em descarga DBD que contenha

oxigênio, ozônio é o produto principal da reação, enquanto em outras fontes de plasma,

átomos de oxigênio representam uma proporção maior das espécies reativas (Gaunt,

Beggs e Georghiou, 2006).

Todos esses fatores conferem ao plasma produzido por DBD um grande

número de aplicações, incluindo a produção de ozônio, tratamento de gases poluentes e

resíduos tóxicos, excitação de lasers de CO2, esterilização de materiais, deposição de

filmes finos, entre outros (Eliasson e Kogelschatz, 1991b; Wagner et al., 2003; Borcia,

Anderson e Brown, 2004); (Kogelschatz e U, 2004; Wang e He, 2006). O dielétrico é

24

imprescindível para o funcionamento de um reator DBD, pois limita a corrente na

descarga e a distribui sobre toda a área dos eletrodos, evitando a formação de arcos

(Park et al., 2007; Rocha, 2009).

A ruptura elétrica do gás que preenche o espaço entre os eletrodos leva a

formação de um grande número de microdescargasrgas que têm diâmetro da ordem de

10-4

m. Elas duram alguns nano segundos e se distribuem uniformemente sobre a

superfície do dielétrico (Kogelschatz, 2002). Uma microdescarga é governada por

processo de ionização e excitação atômica e molecular que se desenvolve do anodo para

o cátodo (Wagner et al., 2003). Os parâmetros típicos de uma DBD estão presentes na

Tabela 1.

Tabela 1: Valores típicos de uma Descarga em Barreira Dielétrica (Eliasson e Kogelschatz,

1991b; Wagner et al., 2003).

Tensão aplicada 5 - 40 kV

Frequência 50 Hz – 80 kHz

Densidade de elétrons 10

14 cm

-3

Temperatura eletrônica 1 – 10 eV

Grau de ionização 10

-1

Pressão 1 bar

Campo elétrico reduzido 1-500 Td

25

2.3.1. Regime filamentar

O plasma DBD em regime filamentar surge no momento em que a tensão de

ruptura é alcançada. Neste momento, várias microdescargas se distribuem na superfície

do dielétrico (Fridman et al., 2008), como demonstrado na Figura 1.

Figura 1: Formação de micro descargas em uma área de 60 x 60 mm e diatância entre

eletrodos de 1mm (Kogelschatz, 2003).

Nestas micro descargas a densidade de elétrons é cerca de 1014

cm-3

e a

densidade de corrente j 1000 Acm-2

(Kogelschatz, 1987; Eliasson e Kogelschatz,

1991a). A presença de um alto campo elétrico na região do cátodo, os valores da

densidade de correntes característicos que ocorrem nos canais de microdescarga e a

condição de não equilíbrio do plasma gerado, permite caracterizá-lo como uma descarga

luminescente de alta pressão (Shao et al., 2010).

26

Este regime de operação do DBD produz uma grande variedade de radicais

livres, moléculas, átomos, elétrons com grande energia e radiação ultravioleta, que

quando interagem com a superfície dos materiais podem causar a mudança na

topografia de superfície (rugosidade), o aumento da molhabilidade devido a formação

de grupos funcionais compostos de oxigênio e nitrogênio na superfície tratada e também

pode agir na esterilização do material. Porém tudo isso ocorre de forma não uniforme

na superfície do material devido falta de uniformidade energética no plasma produzido

(Shao et al., 2010).

2.3.2. Regime difuso

Após a ruptura elétrica ocorrida no regime filamentar, se o potencial aplicado

for aumentado ainda mais, o número de micro descarga aumenta e se distribui em toda

superfície do dielétrico, dando origem ao plasma DBD no regime difuso.

A figura 2 exemplifica, de forma clara, a diferença entre os dois regimes de

operação do plasma DBD. Na figura 2a o regime difuso bem distribuído no espaço entre

eletrodos. Já no caso da figura 2b nota-se a presença de filamentos com alta densidade

de corrente em locais mal distribuídos, fazendo com que a distribuição de energia se

torne menos uniforme, tornando o regime difuso mais indicado devido a uma melhor

distribuição energética no interior do reator. Isso para a as aplicações industriais é

bastante importante quando se deseja uma perfeita uniformidade no tratamento

superficial. Porém, para que esse regime ocorra se fazem necessárias condições

especiais de gás de trabalho, tensão, frequência e distância entre eletrodos (Kogelschatz,

2002; De Geyter et al., 2010).

.

27

Figura 2: Regimes de operação do plasma DBD: (a) o regime difuso, e (b) o regime filamentar

(Shao et al., 2010).

28

2.4. Frequência de ressonância

Todos os equipamentos que produzem plasma por Descarga em Barreira

Dielétrica embora que sejam construídos com as mais diferentes geometrias e operem

em uma vasta faixa de tensões, todos eles estão sujeitos as leis físicas mais

especificamente as que regem retirada e a inserção de energia deste sistema. Para que o

máximo de eficiência seja obtido a fonte de energia e o equipamento tem que trabalhar

em perfeita harmonia, isso só ocorre quando a energia é fornecida numa frequência

específica que é intrínseca do sistema, chamada de frequência de ressonância

(Kriegseis et al., 2011).

A figura (3) mostra o comportamento de um reator DBD que produz plasma em

Superfície de Descarga (SD). Na figura 3a é mostra o comportamento da frequência de

ressonância para diferentes tensões, o interessante deste gráfico é que mantendo os

parâmetros geométricos e utilizando a mesma fonte de tensão, a tem uma queda no

seu valor quando se aplica tensões mais elevadas. A figura 3b contem dados referentes a

eficiência elétrica ηE que aumenta quando a frequência de trabalho ou do pulso ƒp tem

valores próximos a direita ou a esquerda do gráfico, e tendo um valor maximo de

eficiência quando estes tem o mesmo valor ou seja, . Outra análise que pode

ser feita a partir da figura 3b, é que se inicialmente a estiver alinhada com dois

fatos podem causar a queda de eficiência elétrica. O primeiro seria o aumento da tensão

aplicada, isso faria com que a frequência ressonância se deslocasse para a esquerda,

diminuindo o seu valor inicial. O outro fator que também pode causar a diminuição da

eficiência na situação anteriormente descrita seria o aumento de frequência do pulso de

tensão, pois isso faria com que a fonte de tensão e reator não opere mais em harmonia

devido a diferença no valor das duas frequências (Kriegseis et al., 2011).

29

8 9 10 11 12 13 14

9

10

11

12

13

14

15

Freq

uên

cia

de r

ess

on

ân

cia

fres (

kH

z)

Tensão V (kV)

1ICb

a

Figura 3- Frequência natural de ressonância em função da tensão aplicada

(a), Eficiência elétrica do reator; a linha pontilhada indica a frequência de

ressonância para a configuração utilizada (b) Kriegseis et al., 2011.

1 2 3 4 5 6 7

0,0

0,1

0,2

0,3

0,4

2IICa

Efi

ciê

ncia

elé

tric

a

E

Frequência (kHz)

fres

b

30

2.5. Aplicações

2.5.1. Lâmpadas fluorescentes

Quando uma descarga DBD opera em atmosfera de gases nobres ou mistura de

gases nobres com halogênios, é gerada intensa radiação ultravioleta, UV. Então essa

descarga é uma fonte eficiente e barata de luz UV que tem importantes aplicações

tecnológicas(Rocha, 2009). Se, um material fluorescente, como o fósforo é usado, a luz

UV proveniente da descarga DBD poderá ser transformada em luz visível. Neste

princípio operam as novas lâmpadas para iluminação baseadas na descarga DBD, que

são mais eficientes e econômicas do que as lâmpadas incandescentes (Rocha, 2009).

2.5.2. Esterilização

Os processos de esterilização têm como objetivo em condições ideais,

promover a completa eliminação dos diferentes grupos de microrganismos presentes em

um determinado material, sendo estes vírus, bactérias, fungos, os dois últimos em suas

formas vegetativas e esporuladas, sendo que em condições reais compatibilizar com

nível de segurança aceitável, tanto para o paciente quanto para o operador estão sendo

obtidos, (Penna, 2003). Os processos que operam sob temperaturas compatíveis com

materiais termossensíveis, as técnicas que usam gases tóxicos como, por exemplo:

Óxido de Etileno, Formaldeído, ácido peracético, porém agregam desvantagens

importantes envolvendo, respectivamente, aspectos de toxicidade ocupacional,

ambiental ao paciente (Oliveira e D.C, 2000), e as que usam radiação por meio de Raios

Gama/Cobalto além de ser extremamente caro e perigoso, requer equipe altamente

31

especializada, em como pode causar alterações intrínsecas aos mesmos (Shintani e H,

1995).

O uso de técnicas de esterilização por plasma produzido por DBD como único

agente esterilizante oferece grandes vantagens em relação a outras já utilizadas, pois

podem se mostrar efetivas quanto à redução da carga microbiana, além de se

desenvolverem em temperaturas próximas à temperatura ambiente e não utilizarem

gases tóxicos, a esterilização a plasma consiste em expor os materiais contendo

microrganismos ao gás ionizado e/ou excitado, onde nele contem espécies reativas

geradas por campos eletromagnéticos e geralmente antes da excitação/ionização estes

gases são desprovidos de efeitos biocida, (Ohshima et al., 1997; Hermelin et al., 1998;

Rutala, Gergen e Weber, 1999; Moisan et al., 2001).

O plasma empregado para esterilização geralmente não atingem temperaturas

muito elevadas e constituem-se de gases ionizados, partículas livres, tais como átomos,

moléculas, radicais e radiação UV (Anderson e Mh., 1989).

2.5.3. Controle de poluição

Outra aplicação para o DBD consiste em utilizá-lo em mecanismos de controle

da poluição. Como por exemplo, o mesmo pode ser utilizado para a geração de ozônio,

um forte oxidante, que pode ser usado para decompor materiais tóxicos em subprodutos

não tóxicos, podendo ser aplicado em processos de tratamento da água e em

mecanismos que possibilitem a redução da emissão de CO em veículos automotivos

(Xu, 2001). Como também pode ser usado para a degradação de vários poluentes

comuns na água ar etc. (Eliasson e Kogelschatz, 1991b).

32

2.5.4. Tratamento superficial de polímeros

Estudos mostram que o tratamento de polímeros com descarga DBD pode

alterar significativamente as propriedades superficiais dos mesmos. A Descarga em

Barreira Dielétrica pode ser usada para a deposição de filmes poliméricos, para a

alteração da rugosidade da superfície de diferentes materiais poliméricos e também para

limpeza e ativação da superfície de diversos polímeros tais como polipropileno,

poliamida, polietileno, PLA e outros. O tratamento por alguns minutos pode aumentar

significativamente a energia superficial devido a modificação química da superfície dos

materiais tratados, o que resulta no aumento da molhabilidade devida à inserção de

átomos de oxigênio e/ou nitrogênio ocasionando a formação de grupos funcionais na

superfície das amostras (Kostov, Dos Santos, et al., 2010).

2.5.5. Tratamento de tecidos vivos

O uso de DBD em tecidos vivos como, por exemplo: A pele humana, também e

possível pelos mesmos fatores citados anteriormente. O uso de plasma atmosférico

produzido por DBD pode ser usado para tratamento de varias doenças da pele. Infecção

de córnea é uma delas podendo tratar a doença aplicando diretamente do plasma na

região que contém o tecido lesionado, o resultado é a morte das bactérias responsáveis

pela infamação, isso devido principalmente ao contato destas com radiação UV e /ou

moléculas de OH. Ulcera tropica, doença de pele típica de pacientes com diabetes é

tratado por plasma de Óxido Nítrico (NO) dados experimentais mostraram que o

contato da pele com o plasma tanto promove o processo de cicatrização destas feridas,

isso se da pelo fato de que o plasma age tanto na limpeza, removendo o tecido

33

necrosado como também matando os organismos responsáveis pelos processos

inflamatórios (Fridman et al., 2008).

2.6. Diagnóstico de plasma

2.6.1. Espectroscopia de Emissão Óptica (EEO)

A Espectroscopia de Emissão Óptica (EEO), reconhecida mundialmente pela

sigla OES (Optical Emission Spectroscoy), é bastante utilizada para se identificar as

espécies atômicas, moleculares e íons formadas no plasma atribuindo a cada uma delas

uma quantidade relativa representada pela intensidade luminescente associada às

mesmas. A principal vantagem da Espectroscopia de Emissão Óptica é a característica

não intrusiva, evitando interferência nas condições reais do processo. Dessa forma, a

radiação eletromagnética emitida pela descarga pode ser analisada fora do ambiente

onde o material está sendo tratado. Mas, para o estudo de EEO, é importante saber como

a radiação é gerada e emitida pelo plasma. Devido às frequentes colisões entre

partículas presentes naquele ambiente, principalmente colisões de elétrons livres que

adquirem um valor muito alto de energia cinética (alguns eV) com partículas mais

pesadas, existe um agitado processo de excitação e/ou desexcitação atômico, molecular

e iônico, que caracteriza absorção e/ou liberação de energia das mesmas (Barbosa,

2011).

O processo de desexcitação ocorre entre dois níveis quânticos e dependem da

probabilidade de transição e das regras de seleção deduzidas pela equação de

Schrödinger. Assim, o elétron excitado em uma fração de segundos (~ 10-8

s) volta para

o estado de mais baixa energia liberando esta diferença em forma de fótons. A diferença

34

de energia no processo de relaxação é proporcional ao inverso do comprimento de onda

do fóton liberado . Esta grandeza física identifica cada espécie já que as

mesmas dependem dos seus níveis de energia. Nos átomos, estes níveis são

determinados pela distribuição dos elétrons ao redor do núcleo. Nas moléculas os níveis

de energia dependem também da separação entre os núcleos. Isto faz com que a luz

emitida por moléculas seja influenciada por rotações e vibrações moleculares. Então,

em moléculas complexas, o grande número de átomos presentes origina uma

multiplicidade de estados vibracionais, com energias próximas. Assim, ocorre uma

sobreposição de linhas de emissão dando origem às bandas de energia das espécies

ativas do plasma (Barbosa, 2007).

O plasma de ar atmosférico tem um espectro óptico bem característico, já

observado por vários autores (Burm, 2005; Staack , Farouk e Fridman, 2006; Sato et al.,

2008; Mahoney et al., 2010). Esse espectro é composto de alguns picos correspondentes

ao N2 do segundo sistema positivo ( (Sato et al., 2008), como também

alguns picos do primeiro sistema negativo do N2+

(

, (Burm, 2005;

Mahoney et al., 2010).

Estas linhas estão presentes na figura 4que mostra um espectro obtido em

plasma DBD. Porém, algumas dessas linhas podem não aparecer dependendo dos

parâmetros utilizados na produção do plasma adotados, as 5 linhas mais recorrentes que

surgem tanto no DBD de ar atmosférico como também em atmosfera controlada de

nitrogênio estão presentes na tabela 2. Estes picos têm suas emissões regidas por

transições vibracionais (Staack , Farouk e Fridman, 2006; Qiu et al., 2007).

35

Figura 4: Linhas de emissão características do DBD atmosférico (Qiu et al., 2007).

Tabela 2: Picos mais recorrentes em descargas DBD (Mahoney et al., 2010; Wang et al., 2010).

Espécie

Sistema Comprimento de

onda (nm)

(υ’, υ”)

N2 ( 315 (1,0)

N2 ( 337 (0,0)

N2 ( 357 (0,1)

N2 ( 380 (0,2)

N2 ( 406 (0,3)

As espécies presentes na tabela 2 são o resultado da excitação da molécula de

nitrogênio (N2), todas do segundo sistema positivo ( , e os valores dos

coeficientes (υ’, υ

”) representam números quânticos vibracionais dos níveis superiores e

inferiores respectivamente, que indica os níveis de energia envolvidos no processo de

excitação molecular. O resultado dessa excitação sempre é emissão de um fóton com

36

energia ou que é característico de cada molécula (Qiu et al., 2007), e pode ser

explicado pelos dois processos abaixo:

Processo (a)

Processo (b)

A intensidade “I” de emissão óptica de uma determinada espécie é

proporcional à densidade dessa espécie excitada presente no plasma, assim:

(1)

Onde “ ” é uma constante.

A quantidade da espécie “ ” no estado excitado depende da densidade desta

espécie no estado fundamental e da eficiência “ ” do plasma em promover a excitação

responsável pela emissão observada, de modo que:

(2)

37

Assumindo que o impacto de elétrons com as moléculas do gás é o principal

agente produtor de espécies em estados excitados e a eficiência de excitação depende da

função distribuição de energia dos elétrons do plasma, . Eentão:

(3)

“ ” é a seção de choque de excitação da espécie “ ” para o estado na qual a

relaxação resulta na emissão de fótons com comprimento de onda “ ”.

A substituição da equação (3) em (2), torna possível escrever a intensidade de

emissão óptica como:

(4)

Como mencionado anteriormente, o espectro da radiação emitida pelo plasma é

específico para cada espécie presente. Portanto, para identificar as espécies é necessária

a montagem de um sistema capaz de separar os diferentes fótons provenientes das mais

diversas transições quânticas.

2.7. Método das figuras de Lissajous

Esse método é a base para toda a caracterização elétrica de uma descarga em

barreira dielétrica, pois, fornece dados precisos, como energia elétrica consumida no

38

processo, potência e capacitância tanto do reator como do material dielétrico que integra

o sistema DBD utilizado no estudo (Rosenthal e Davis, 1975). As figuras de Lissajous

que são geradas plotando a carga transportada para um capacitor ligado em série com a

saída do reator em função da tensão aplicada, a figura 5 mostra de forma esquemática

como se podem obter as figuras de Lissajous. O valor da carga em função do tempo ,

è obtido medindo a diferença de potencial também em função do tempo no capacitor

, e é calculado usando a equação 5.

(5)

Figura 5: Desenho esquemático do arranjo experimental para análises elétricas de reatores

DBD (Kostov, Dos Santos, et al., 2010).

Onde é a tensão medida no capacitor, é a capacitância do capacitor

utilizado no circuito e a carga calculada em função do tempo. A figura 6 é uma

ilustração de um paralelogramo, figura típica formada neste tipo de descarga, e que

39

pode ser subdividida em quatro regiões bem definidas, são elas: a região AB, BC, CD e

DA.

A primeira informação importante que podemos obter dessa figura é a energia

elétrica , consumida no processo de produção de plasma, que é dada pelo calculo da

área interna no paralelogramo (Rosenthal e Davis, 1975) obtida pela integral abaixo,

equação 6.

(6)

Onde é a voltagem aplicada nos eletrodos e é um elemento infinitesimal

de carga acumulada no capacitor C.

Segundo Changquan Wang, a potência consumida é outro parâmetro

conseguido através das figuras de Lissajous, este valor e obtido multiplicando a energia

elétrica pela frequência do pulso de tensão aplicada (Wang et al., 2010), como

demonstrado pela equação 7 .

(7)

40

,

Figura 6- Figura de Lissajous Q-V de uma DBD (Santos, A. L. R., 2010).

Para aplicações industriais, outro dado importante a ser mencionado é a energia

total , consumida num determinado tratamento, pois esse dado permite avaliar se é

viável ou não a modificação superficial com a técnica utilizada. Para tratamentos com

DBD, o método da figura de Lissajous também permite obter este dado, multiplicando

diretamente o valor da potência pelo tempo do tratamento , equação 8.

(8)

A figura 7 exemplifica os últimos, mas não menos importante dados que

podem ser obtidos através do método das figuras de Lissajous, a capacitância total do

reator e capacitância do material dielétrico, utilizado como barreira dielétrica no reator

DBD.

41

É bastante comum interpretar um reator DBD como um circuito de dois

capacitores ligados em série (figura 7), o espaço ocupado pelo gás de trabalho onde

geralmente o ar e outros gases nobres têm a sua capacitância representada por que é

ligado a outro capacitor referente ao dielétrico colocado entre os eletrodos. Neste

caso a capacitância total do reator de plasma na parte do ciclo onde não ocorrem micro

descargas seguimentos DC ou AB figura 6, e é obtida a partir da equação (9) (Francke,

Rudolph e Miessner, 2003).

Figura 7- (a) Configuração de um único dielétrico, e (b) circuito elétrico equivalente

(Wagner et al., 2003).

(9)

Sendo a capacitância do gás dado por:

(10)

E a capacitância do dielétrico dada por:

42

(11)

Substituindo 10 e 11 em 9 obtém-se:

(12)

Dividindo 12 por 10 chaga-se a expressão 13.

(13)

Onde é a permissividade do dielétrico, a permissividade do gás, a

largura do dielétrico, a distância efetiva entre eletrodos e a área dos eletrodos. Desta

forma no momento em que o gás é totalmente ionizado → ∞, de modo que na região

da figura de Lissajous onde ocorrem as microdescargas, segmento de reta BC ou AD

figura 6, a capacitância efetiva será (Santos, 2010).

No entanto há uma maneira mais simples de obter a capacitância total, isso é

feito calculando-se a inclinação do segmento de reta AB ou CD que como já

mencionado anteriormente correspondem as duas partes do ciclo onde não há descarga

figura 8. Para a capacitância do dielétrico , é feito o cálculo da inclinação do

segmento de reta BC ou AD figura 8, onde nestas duas partes do ciclo ao contrário dos

dois segmentos anteriores, ocorrem às descargas elétricas que produzem o plasma DBD.

Este método para calcular a capacitância é bem mais preciso, pois devido às

altas tensões envolvidas no processo de produção de plasma, antes mesmo da ruptura

elétrica, o ar nas proximidades dos eletrodos é fracamente ionizado tornando o

condutor. Isso faz com que distância efetiva entre eletrodos seja menor que a distância

real (Santos et al., 2007), tornando o uso da equação (14), mais confiável e precisa em

43

se tratando de obter a capacitância total e do dielétrico em reatores que produzem

plasma por Descarga em Barreira Dielétrica (DBD).

Outra vantagem do uso desta técnica se trata do cálculo da capacitância para

reatores de geometria complexa, onde de acordo com Mahoney cálculo da capacitância

torna-se consideravelmente complicada utilizando a equação (9) e suas derivações para

equipamentos que não possuem simetria como, por exemplo, equipamentos DBD que

produzem plasma em superfície de descarga (SD) (Mahoney et al., 2010).

(14)

Figura 8- Valores da Energia (área da figura), capacitância total C (segmentos AB ou

DC) e capacitância do dielétrico Cd (segmentos BC ou AD), obtidos a partir da figura

de Lissajous (Marcel e Et Al., 2009).

O estudo da capacitância na descarga é de extrema importância devido ao fato

que a sua análise em conjunto com outros parâmetros como, por exemplo, Potência e

44

energia consumida e até mesmo intensidade luminosa do plasma, pode dizer muito

sobre do casamento de impedância e este associado com a frequência também leva a

uma melhor eficiência, alem fornecer um meio universal e robusto para caracterizar,

quantificar e prever a produção de plasma baseado em DBD (Kriegseis, Grundmann e

Tropea, 2011).

45

3. MATERIAIS E MÉTODOS

3.1. Reator DBD

Para o presente estudo foi projetado e construído um equipamento com

flexibilidade suficiente para atender as várias demandas de pesquisa do laboratório de

processamento de materiais por plasma (Labplasma) utilizando Descarga em Barreira

Dielétrica. O reator DBD presente na figura 9, consiste num tubo de sílica fundida

(quartzo) fechado por dois flanges de PTFE, nos quais estão alojados um eletrodo

anodicamente polarizado (eletrodo superior) e outro catodicamente polarizado (eletrodo

inferior). O ânodo possui 40 mm de diâmetro e o cátodo possui 30 mm de diâmetro.

Sobre o cátodo foi montado um disco de alumina de 56 mm de diâmetro e 2 mm de

espessura, que atua como dielétrico. Detalhes do alojamento dos eletrodos nas peças de

teflon são apresentados nas figuras 10 e 11.

Figura 9-Desenho mostrando os detalhes construtivos do reator DBD utilizado neste

trabalho.

46

Figura 11- Detalhes do flange superior

Figura 10- DetalhesFlange inferior

47

O tubo de quartzo possui um comprimento de 110 mm de comprimento,

diâmetro interno de 75 mm e parede com 2,5 mm de espessura. Ele é encaixado nas

peças de teflon, penetrando 5 mm em cada peça. Para o movimento do ânodo foi

construída uma cremalheira com precisão de passos 0,1 mm que permite variar a

distância entre eletrodos até um valor de 100 mm, mesmo em operação, sem oferecer

riscos de acidentes elétricos ao operador. Nesta configuração, o campo elétrico gerado

pela diferença de potencial aplicada entre eletrodos é uniforme, o que garante que o

plasma gerado ocupe todo volume delimitado pela área imediatamente abaixo do anodo

até a superfície do dielétrico que recobre o eletrodo inferior (cátodo). Ou seja, os

elétrons que são acelerados por esse campo uniforme, adquirem grande energia e

colidem com as moléculas do gás que ocupa esta região, promovendo colisões que

causam os processos de excitação e/ou ionização, caracterizando um volume de

descarga (VD).

Com o objetivo de variar os parâmetros de voltagem e de frequência, foi

utilizada uma fonte de alta voltagem DC pulsada, com largura de pulso da ordem de 200

μs obtendo-se uma melhor eficiência na produção do plasma em comparação com as

fontes de corrente alternada (AC) (Shuhai Liu and Manfred, 2001). A fonte utilizada

permite variar a voltagem aplicada de 0 a 20 KV e frequência de 200 Hz a 1,0 kHz.

Dependendo da distância e voltagem entre os eletrodos, bem como da

frequência utilizada, é possível gerar o plasma no interior do reator. Os valores dos

parâmetros utilizados neste trabalho estão mostrados na tabela 3. Em cada etapa fixava-

se dois parâmetros e variava-se o terceiro. Desse modo foram analisadas as respostas

elétricas, configuração da descarga e espécies do plasma gerado. A energia total

consumida e potência do sistema foram determinadas a partir de figuras de Lissajous

construídas com auxílio de um osciloscópio. A configuração do plasma foi registrada

48

por fotos obtidas durante cada descarga aplicada. As espécies do plasma foram

identificadas com o auxílio de um Espectrômetro de Emissão Óptica.

Tabela 3: Parâmetros utilizados no estudo.

Condições Distância (mm) Frequência (Hz) Voltagem (KV)

D5F6V15 0,5 600 15

D10F6V15 1,0 600 15

D15F6V15 1,5 600 15

D5F5V15 0,5 500 15

D10F5V15 1,0 500 15

D15F5V15 1,5 500 15

D5F4V15 0,5 400 15

D10F4V15 1,0 400 15

D15F4V15 1,5 400 15

D5F3V9 0,5 300 9

D5F3V12 0,5 300 12

D5F3V15 0,5 300 15

D5F2V15 0,5 200 15

3.2. Caracterização do reator DBD

A caracterização do reator DBD foi realizada com o objetivo de entender o

comportamento do plasma de ar atmosférico produzido no reator projetado e construído

especialmente para este trabalho. Para esta caracterização foram utilizadas duas técnicas

bem distintas entre si, a primeira técnica é o método das figuras de Lissajous que consta

em detalhes no capítulo 2.3. Esta técnica foi usada para obter com bastante precisão os

parâmetros elétricos envolvidos na descarga, tais como energia elétrica consumida,

potência e capacitância. A outra técnica utilizada foi o diagnóstico de plasma feito por

49

Espectroscopia de Emissão Óptica (EEO). Todas os experimentos tiveram duração de

1minuto.

3.2.1. Figuras de Lissajous

As medidas elétricas foram realizadas utilizando-se um osciloscópio modelo

MSO-X 2002, 2 canais Agilent que permite obter até 1 giga amostras/s e resolução de

banda de 0.014 μs, juntamente com uma sonda de alta tensão 1000:1 30 KV 50 MHz

modelo Agilent N2771B. Para calcular a carga transportada em cada ciclo de produção

de plasma foi colocado um capacitor de 2,47 nF em série com a saída do reator. Todas

as medidas elétricas foram realizadas simultaneamente com as medidas ópticas como

ilustrado esquematicamente na figura 12.

Figura 12-Esquema do arranjo experimental para medidas elétricas e ópticas da descarga DBD

utilizada nesse trabalho.

50

Para gerar a Figura de Lissajous na tela do osciloscópio, os sinais de voltagem

medidos com o auxílio da sonda de alta tensão 1000: 1 e do capacitor ligado em série

com a saída do reator, estes dois dados foram colocados em dois canais diferentes do

osciloscópio. No eixo “x” foram inseridos os valores da voltagem aplicada nos eletrodos

do reator DBD e no eixo “y” os valores da tensão medida no capacitor, o valor da carga

foi obtido indiretamente pela equação (5). Estes procedimentos fornecem o gráfico

conhecido como figura de Lissajous coforme foi discutido no capitulo 2.3.

3.2.2. Análise de EEO

Os dados EEO foram obtidos a partir de um espectrômetro modelo USB4000

UV-VIS que tem a resolução máxima de 1,5 nm. A aquisição do espectro foi obtida por

uma fibra ótica posicionada entre os dois eletrodos a uma distância de 1,0 mm da borda

do ânodo figura 12, para garantir maior eficiência dos resultados. As respostas

espectrais das etapas de variação dos parâmetros envolvidos nesta pesquisa foram

verificadas em tempo real durante o processo de geração do plasma e sempre foram

adquirido três espetros em cada parâmetro estudado, onde todos os espectros presentes

neste trabalho são na verdade uma média ponderada destas três medidas, o que garante

ainda mais a cofiabilidade dos resultados, pois essa conduta minimiza possíveis erros

proveniente da oscilação na intensidade das espécies do plasma DBD, principalmente

quando este surge no regime filamentar.

O caminho óptico que a luz proveniente do plasma percorre até ser convertidos

em dados computacionais consta na figura 13. A luz captada do plasma entra no

espectrômetro pela entrada do conector de fibra ótica. O espelho 1 envia esta luz para o

colimador que é responsável por separar os diversos comprimentos de onda presentes na

51

luz emitida pelo plasma, em seguida o espectro formado pela separação das linhas é

refletida para o espelho 2, que reflete o espectro em direção ao detector. O detector

converte os dados óticos em dados computacionais que são lidos pelo software do

equipamento perviamente instalado no computador. O resultado é um gráfico

semelhante ao da figura 14, que é o espectro característico de um plasma gerado por

DBD onde o gás de trabalho é o próprio ar atmosférico.

Figura 13-Esquema do funcionamento do espectrômetro USB4000 UV-VIS Ocean Optics.

52

As imagens do plasma nos seus diferentes regimes foram registradas por uma

câmera CCD - Sony Cyber – Shot – DSC - W120 - 7.2 Mega Pixeis com distância focal

máxima de 21,4mm. Para que isso fosse possível todos os ensaios no reator DBD foram

realizados com o mínimo de luz ambiente, visto que as emissões eletromagnéticas desse

tipo de plasma na faixa do visível são muito baixas dificultando a captura de imagens

com luz ambiente. Por isso todas as luzes da sala onde os processos foram realizados

eram sempre apagadas durante as aquisições de dados, para não causar erros, tanto na

aquisição de EEO como também facilitar a captura das imagens do plasma durante sua

produção.

260 280 300 320 340 360 380 400 420 440 460 480 500

-500

0

500

1000

1500

2000

2500

3000

3500

4000

4500

5000

Inte

nsi

da

de (

ua

)

Comprimento de onda(nm)

N2(337)

N2(357)

N2(380)

N2(406)

N2(315)

Figura 14- Espectro óptico típico obtido por OES da descarga DBD aplicada em ar atmosférico.

53

4. RESULTADOS E DISCUSSÃO

4.1. Análise da variação da tensão aplicada entre eletrodos

Para se produzir o plasma DBD em ar à pressão atmosférica são necessárias

condições especiais de trabalho e parâmetros específicos para que ele seja formado. O

primeiro parâmetro estudado foi o da tensão aplicada entre eletrodos, pois este deu rumo

para as próximas análises. A figura 15 mostra a figura de Lissajous, ilustrando as

energias consumidas por ciclo de produção de plasma, para três valores de tensão

aplicada. Foi mantida fixa a distância entre eletrodos em 0,5mm e a frequência de 300

Hz.

-2000 0 2000 4000 6000 8000 10000 12000 14000 16000

-50

0

50

100

150

200

250

300

350

Ca

rg

a (

nC

)

Tensão(V)

9 kV

12 kV

15 kV2,35mJ

0,8mJ

0,2mJ

Figura 15- Figura de Lissajous gerada a partir das condições utilizadas na variação da

tensão aplicada nos eletrodos na frequência fixa em 300Hz e distância entre eletrodos

0,5mm.

54

Foi observado neste gráfico que a energia consumida em um ciclo de produção

de plasma aumenta consideravelmente com o aumento da tensão aplicada entre

eletrodos. Na figura 16 é mostrado um espectro típico obtido por EEO no presente

trabalho, onde são ilustrados os picos mais intensos. Nota-se que o espectro

correspondente àquela condição que teve maior energia consumida foi também o mais

intenso, o que é um indício de que a energia foi utilizada principalmente para ionização

e excitação do gás. Esta ideia é reforçada quando se observa que a energia consumida

esta diretamente relacionada com o surgimento das espécies ativas do plasma para todos

os picos mais intensos, que neste caso são os cinco picos do segundo sistema positivo

da molécula de Nitrogênio (N2), que constam na tabela 2. Existem relatos que a

utilização dessas espécies ativas no plasma, especialmente o N2 pode melhorar as

propriedades superficiais e o comportamento tribológico dos metais, (Luo e Ge, 2007)

além de agir como agente esterilizador eliminando microrganismos (Kang et al., 2010).

Assim os controles desses parâmetros podem estar diretamente relacionados com o

controle do desempenho do processo.

Outra informação importante que pode ser obtida deste gráfico, é que para

0,5 mm e 300 Hz, a estabilidade na medição das intensidades das espécies é obtida

para tensões acima de 12 kV, fato que tem como consequência o surgimento de um

maior brilho da descarga em 15 kV, conforme pode ser observado na figura 17c. Onde

as microdescarga já são bastante intensas e bem distribuídas. Nessa figura são

apresentados fotos dos brilhos observados nas diferentes descargas 16 (c-e), bem como

a região de observação 17(a-b).

55

300 320 340 360 380 400 420

0

50

100

150

200

250

300

350

400

450

500

550

600

650

Inte

nsid

ad

e (

ua

)

Comprimento de onda (nm)

9 kV

12 kV

15 kV

Figura 16- Espectros obtidos na analise da variação de tensão, com distância fixa em

0,5mm e frequência de 300 Hz.

A figura 17d mostra que para a tensão de 12 KV já ocorrem algumas micro

descargas no volume delimitado pelo eletrodo superior e o dielétrico. Fato que não

ocorre quando a tensão é de 9 KV (figura 17e), este fato evidencia que para as

condições utilizadas nesta análise a voltagem mínima para gerar as microdescargas no

reator é um pouco abaixo de 12 KV, (sendo que a tensão foi fixa neste valor para

garantir a estabilidade das micro descargas, figura17d ) , embora a figura 17e, mostre

que mesmo sem a presença de microdescargas há atividade espectral na região do UV

como também no visível visto na figura15, embora que em pouca quantidade. Isso pode

ser atribuído ao fato de que mesmo antes da ruptura elétrica (ocorrência de micro

56

descargas), o ar nas proximidades dos eletrodos é fracamente ionizado devido às altas

tensões elétricas envolvidas, como discutidas no capitulo 2.3.

Figura 17- Reator DBD (a), eletrodo fixado na distância de 0,5mm(b) e (c), (d) e (e), três

condições de tensão aplicada 15,12 ou 9 KV respectivamente todas na frequência de 300

Hz.

O maior brilho e atividade espectral do plasma em 15 kV ocorrem

provavelmente devido ao valor da sobretensão aplicada ou seja, do valor acima da

voltagem de ruptura elétrica para os parâmetros D e ƒp adotados, conforme já

observado na literatura. Segundo os autores Ndong, Liu, Neiger, a primeira descarga

ocorre durante o tempo de subida do pulso e a segunda descarga ocorre durante o tempo

57

de descida do pulso aplicado. A quantidade de micro descargas está diretamente

relacionada ao valor de sobretensão aplicada (Ndong et al.; Liu e Neiger, 2001).

Continuando a análise, foi calculada a capacitância total do reator e a

capacitância do dielétrico utilizado no reator para as três condições estudadas. Os

valores de e são apresentados na tabela 4. Estes resultados deixam evidente que o

aumento da tensão influencia bem mais a capacitância do dielétrico que a capacitância

total. O que está de acordo com Jochen Kriegseis. Segundo (Kriegseis et al., 2011),

onde no estudo das capacitâncias da descarga de superfície (SD) e que são os

equivalentes e respectivamente nas descargas de volume (VD). Esse estudo

mostrou que a capacitância cresce com o aumento da tensão aplicada e a

capacitância e permanece constante.

Os resultados obtidos aqui comparados com os obtidos por Jochen Kriegseis

mostram que os reatores de descarga (SD) têm comportamento similar ao de descarga

(VD). Logo, a maior intensidade das espécies ativas do plasma, na tensão de 15 kV,

pode ser atribuído à melhor eficiência elétrica que ocorre devido ao aumento da

voltagem aplicada entre eletrodos. Pois com o aumento da tensão aplicada, a frequência

de ressonância do circuito elétrico formado pela fonte de alta tensão e o reator DBD

diminui, aproximando-a da frequência de trabalho utilizada no sistema (300 Hz). Isso

faz com que a maior parte da energia elétrica fornecida pela fonte de tensão seja

efetivamente utilizada pelo reator para gerar as microdescargas (Kriegseis et al., 2011).

Sabe-se que o aumento do pulso de tensão aumenta tanto a intensidade como a largura

do pulso de corrente na micro descarga (Huang et al., 2011).

Todos estes fatores contribuem para maior intensidade luminescente do plasma

no interior do reator DBD, tanto na região do UV (figura16), como na região do visível

58

que surgem principalmente por picos de emissões acima de 400nm, coloração violeta

para o azul (fig17 c d)(Huang et al., 2011). Porém, mesmo aplicando a tensão de 15 kV,

não há quantidade de filamentos suficientemente numerosos para que o plasma

produzido se apresente no regime difuso com a frequência do pulso utilizado.

Estes resultados mostram que a tensão aplicada entre eletrodos é um dos

fatores que influenciam fortemente a impedância de um sistema de descarga em barreira

dielétrica e, consequentemente, a eficiência do mesmo. Do presente capítulo pode-se

concluir que a tensão aplicada tem forte influência sobre a intensidade espectral e

luminecente bem como na quantidade de mcrofilamentos presentes na descarga quando

ela surge no modo filamentar.

Porém, existem outros parâmetros que associado a este podem aumentar ou diminuir

esta eficiência como será visto no próximo capítulo.

Tabela 4- Valores Ct e Cd, Capacitâncias total e do dielétrico respectivamente, calculadas para

as medidas de variação de tensão.

Condição Capacitância

15kV 10,95 53,36

12kV 11,76 37,55

9kV 11,29 30,33

59

4.2. Estudo da influência da distância entre os eletrodos e da frequência da

tensão aplicada.

Das linhas obtidas por OES, as mais intensas nesta análise foram a do N2

(357nm) e N2 (337 nm), seguido de três outros picos, todos na região do UV. Estes

resultados estão coerentes com aqueles obtidos na literatura (Qiu et al., 2007).

Aplicando uma diferença de potencial de 15 kV entre eletrodos, durante 200 µs (largura

do pulso), numa frequência de 500 Hz, obtém-se os espectros mostrados nas figuras

18(a) e 18(b) para as medidas ópticas e elétricas, respectivamente.

60

Figura 18- Medidas espectrais e elétricas da descarga entre dois eletrodos, aplicando

uma tensão de 15 kV e frequência de 500 Hz. (a) Espectro obtido por EEO e (b)

figura de Lissajous, destacando a energia por ciclo para cada distância.

300 310 320 330 340 350 360 370 380 390 400 410 420

0

500

1000

1500

2000

2500

3000

3500

4000

4500

5000

5500

6000

N24

05

Inte

nsi

dad

e (

ua)

Comprimento de onda (nm)

0,5 mm

1,0 mm

1,5 mm

N23

37

N23

15

N23

57

N23

80

a

-3000 0 3000 6000 9000 12000 15000

0

100

200

300

400

500

600

Carg

a (

nC

)

0,5 mm

1,0 mm

1,5 mm

2,65mJ

1,86mJ

1,58mJ

Tensão (V)

b

61

É constatado pelas análises que para a menor distância entre eletrodos ocorreu

a maior intensidade espectral. Entretanto, verifica-se que também a energia por ciclo

nessa condição é maior, ou seja, obteve-se uma maior densidade de espécies ativas a

devido a um consumo maior de energia. Se por um lado o consumo energético é um

fator negativo para as aplicações industriais, a intensidade espectral reflete a densidade

de espécies ativas. Assim um parâmetro que forneça uma indicação da densidade de

espécies ativas por energia consumida, pode ser de grande importância para avaliação

da eficiência de desempenho de um dispositivo DBD. Uma vez que as principais

espécies para a descarga em ar atmosférico estão na faixa de 300 nm a 420 nm,

correspondentes às linhas espectrais do N2 (C3 u-B

3 g)

(Staack et al., 2008), a

intensidade espectral integrada pode ser fornecido pelo valor da integral abaixo

(Kuchenbecker et al., 2009; Rajasekaran et al., 2010).

420

300)( dIIS

(15)

Obtido a partir da área sob a curva da figura 18a. Assim a razão fornece

e “eficiência do reator DBD” em produzir as espécies ativas do plasma. Na tabela 5 são

mostrados os valores de , e , para todas as três distâncias e frequências

estudadas. Observa-se que para a menor distância entre eletrodos houve maior eficiência

do dispositivo ( ) com exceção apenas para a frequência de 500 Hz, onde a maior

eficiência aconteceu para a distância de 1,0 mm.

62

Tabela 5-Valores da energia elétrica consumida por ciclo intensidade espectral integrada

e eficiência do reator DBD

Condição Distância (mm) Frequência (Hz) (mJ)

D5F2V15 0,5 200 2,20 28630 13013

D10F2V15 1,0 200 2,80 21890 7818

D15F2V15 1,5 200 2,86 17625 6162

D5F4V15 0,5 400 2,30 40351 17544

D10F4V15 1,0 400 2,76 36300 13152

D15F4V15 1,5 400 2,70 20364 7542

D5F5V15 0,5 500 2,65 522389 19713

D10F5V15 1,0 500 1,86 37378 20096

D15F5V15 1,5 500 1,58 25329 16031

D5F6V15 0,5 600 2,00 59918 29959

D5F36V15 1,0 600 2,40 43913 18297

D15F6V15 1,5 600 2,78 27992 10069

A diminuição da eficiência com o aumento da distância entre eletrodos é

esperado devido ao aumento no volume de gás para ionização, o que causa uma maior

dissipação da energia por pulso ( ) . Entretanto, para a frequência de 500 Hz essa

correlação não aconteceu. Verifica-se que para essa frequência os valores da energia

dissipada possuem um comportamento inverso aos demais, ou seja, foram inversamente

proporcionais às distâncias entre eletrodos. No entanto, a intensidade integrada possui o

mesmo comportamento das demais condições estudadas, ou seja, decai com o aumento

da distância entre eletrodos.

63

Observando a figura de Lissajous para essa frequência particular figura19,

pode-se constatar a diferença existente entre a curva obtida quando a distância entre

eletrodos era de 0,5 mm e as duas outras distâncias. Verifica-se que para essas últimas,

a inclinação é menor, significando uma menor impedância do sistema. Isto

significa que essa é a melhor condição de trabalho para a configuração estudada, no que

se refere ao casamento de impedância do sistema. Porém, ao analisar o plasma gerado

entre os dois eletrodos, figura 20, essa frequência de 500 Hz, verifica-se que para essa

condição o regime do plasma é filamentar, tornando-o pouco interessante para

aplicações industriais. Apenas quando os eletrodos estavam a uma distância de 0,5 mm

é que o regime do plasma tornou-se difuso, que é a condição de interesse. Apesar de que

a energia dissipada ter sido máxima, este fator (tipo de descarga) justifica a sua escolha

como condição otimizada neste estudo.

Segundo Kuchenbecker, o plasma químico produzido com distância entre

próxima a 0,25 mm potencializa o tratamento de matérias biológico devido a essa

melhor distribuição energética. Isso ocorre porque a cinética química do plasma é

alterada devido ao aumento nas probabilidades de processos de dissociação de

nitrogênio e oxigênio. A produção de partículas quimicamente ativas também aumenta.

Isso ocorre por causa do aumento do campo elétrico gerado entre os eletrodos

(Kuchenbecker et al., 2009).

64

-4000 -2000 0 2000 4000 6000 8000 10000 12000 14000 16000

-50

0

50

100

150

200

250

300

350

400

450

500

550

600

0,5 mm

1,0 mm

1,5 mmC

arg

a (

nC

)

Tensão (V)

Figura 19-Curva de carregamento do dispositivo DBD pela aplicação de um pulso de

voltagem de 15 kV com frequência de 500Hz.

Figura 20- Regimes de operação do DBD atmosférico para as frequências 600 Hz e 500 Hz.

65

No que diz respeito à capacitância do reator com relação a distância e

frequência é possível notar na figura 21, com a distância constante variando somente a

freqência, tanto a capacitância total quanto a do dielétrico não sofre influência do

aumento da frequência do pulso aplicado, exceto quando os parâmetros elétricos e

geométricos do equipamento utilizado chagam a um bom casamento de impedância,

como no caso da análise feita na frequência fixa em 500 Hz, onde esse fato ocorreu,

evidenciando que na diatância de 1,0 mm e com tensão de 15kV a frequência de

ressonância do sistema está num valor bem próximo de dessa utilizada. Já no caso da

variação da distância, frequência fixa nos valores de 200, 400, e 600 Hz é de se esperar

que a capacitância do reator sofra variações conforme se mude a distância entre

eletrodos. O que de fato ocorre, ao verificar inclinação para a capacitância total.

Estes cálculos foram feitos para as três distâncias estudadas nas frequências de 400, 500

e 600 Hz. Os valores estão presentes na tabela 6.

Estes valores estão em total acordo com a equação 13, sendo que a espessura

do dielétrico usado é constante, o aumento da diatância entre eletrodos causaria

a diminuição da capacitância total do reator.

66

Tabela 6-Capacitância total do reator DBD para a variação da distância nas frequências de

400,500 e 600 Hz.

Condição

0,5 mm-15 kV-400 Hz 11,70

1,0 mm-15 kV-400 Hz 11,45

1,5 mm-15 kV-400 Hz 9,49

0,5 mm-15 kV-500 Hz 11,04

1,0 mm-15 kV-500 Hz 8,40

1,5 mm-15 kV-500 Hz 7,58

0,5 mm-15 kV-600 Hz 11,54

1,0 mm-15 kV-600 Hz 11,15

1,5 mm-15 kV-600 Hz 9,61

-2000 0 2000 4000 6000 8000 10000 12000 14000 16000

-50

0

50

100

150

200

250

300

350

400

Carg

a (

nC

)

Tensão (V)

200 Hz

400 Hz

600 Hz

Figura 21- Curva de carregamento para variação da frequência com distância e tensão fixas em

0,5mm 15 kV respectivamente.

67

4.3. Transição do regime filamentar para o regime difuso

O regime difuso é o mais indicado para a maioria das aplicações indústrias

devido a seu tratamento superficial mais uniforme em comparação com o regime

filamentar (Fang et al., 2009). Como já mencionado anteriormente, no presente estudo

foi encontrado uma distância mínima para obter esse regime mediante as características

elétricas da fonte utilizada. Para um maior aprofundamento dos parâmetros elétricos é

necessário gerar plasma em regime difuso com maiores distâncias entre eletrodos, isso

requer uma faixa maior de tensão e de frequência, o que não foi possível devido as

limitações da fonte usada. Mesmo assim os dados que foram obtidos dados importantes

que forneceram boas informações sobre o reator no que diz respeito ao surgimento do

plasma em regime difuso, tabela7.

Tabela 7-Comportamento do reator DBD mediante o regime do plasma.

Potência (mW) Regime DBD Condição

440 Filamentar D5F2V15 28630 13013

705 Filamentar D5F3V15 28728 12225

920 Filamentar D5F4V15 40351 17544

1200 Difuso D5F6V15 59918 29959

1325 Difuso D5F5V15 52239 19713

Dentre os parâmetros usados na pesquisa foi encontrado um valor mínimo de

potência dissipada necessária ao surgimento do plasma DBD em regime difuso esse

valor é 1,2 W de potência, obtido na frequência de 600 Hz e com 0,5 mm de distância

entre elétrodos. Porém esse regime já é obtido numa frequência menor 500 Hz, como

68

pode ser observado na tabela 7. No entanto nesta frequência a potência dissipada é

maior o que não se reflete na eficiência de excitação do reator. Esse fato pode ser

explicado conforme a discussão do capítulo 2.3. Segundo o raciocínio exposto, pode-se

concluir que com a distância fixa em 0,5mm e tensão de 15 kV, a frequência de

ressonância está situada em um valor próximo a 600 Hz. Verificando o comportamento

da figura 22, nota-se o crescimento da intensidade espectral integrada e da eficiência do

equipamento quando se aumenta a frequência de 400 para 500 Hz, porém o máximo de

ambos, e , ocorreu justamente em 600 Hz com uma potência dissipada menor,

deixando evidente que para a distância entre eletrodos de 0,5 mm, única distância onde

foi possível combinar os parâmetros elétricos para obter o regime difuso, garantindo a

maior intensidade espectral integrada , melhor eficiência do equipamento DBD

e também obter o plasma no regime desejado figura 22, contudo dissipando a menor

potência, foi conseguido apenas em 15 kV- 600 Hz. A explicação pode ser obtida

analisando a figura 23.

Conforme discutido no capítulo 2.5. A figura de Lissajous pode ser dividida em

quatro segmentos. Neste caso os segmentos AB e BC formam a primeira parte do ciclo

de produção de plasma. A principal diferença entre os dois gráficos, nas frequências de

500 e 600 Hz, e a inclinação na primeira parte do ciclo, (segmento AB figura

23), representa a capacitância total do reator de plasma DBD na primeira parte do ciclo.

Os valores da capacitância total das duas partes do ciclo para as respectivas frequências

estão presentes na tabela 8. Este é o primeiro fator responsável pelo aumento da energia

e consequentemente da potência consumida mesmo com uma frequência menor.

69

300 400 500 600 700 800 900 1000 1100 1200 1300 1400

25000

30000

35000

40000

45000

50000

55000

60000

65000

Comportamento da intensidade espectral integrada.

Comportamento da eficiência do equpamento DBD.

15

kv

-30

0H

z

15

kv

-20

0H

z

15

kv

-50

0H

z

15

kv

-60

0H

z

15

kv

-40

0H

z

Potência (mW)

In

ten

sid

ad

e e

spectr

al

inte

gra

da I

s (n

m)

10000

12000

14000

16000

18000

20000

22000

24000

26000

28000

30000

32000

34000 Efic

iên

cia

do

eq

up

am

en

to D

BD

Is/E

el(n

m.J

-1)

Figura 22-Comportamento da descarga em função da potência dissipada.

Tabela 8 - valores da capacitância obtida na primeira e segunda parte do ciclo de produção de

plasma nas condições, 0,5mm, 15 kV nas frequências de 500e 600Hz

Capacitância total 500 Hz Capacitância total 600 Hz

Ct 1º ciclo (pF) Ct 2º ciclo (pF) Ct 1º ciclo (pF) Ct 2º ciclo (pF)

13,73 11,04 11,57 11,54

A inclinação do segmento AB em 500 Hz indica que a capacitância total nesta

parte do ciclo foi maior (confirmado pelo calculo ), ou seja, o gasto

energético foi superior devido a uma maior impedância do sistema nesta parte do ciclo,

explicando a maior área interna na figura de Lissajous para esta frequência, que é o

segundo fator que corrobora para a maior potência dissipada em 500 Hz. Em oposição

ao gráfico obtido na frequência de 600 Hz onde a inclinação nas duas partes do ciclo de

70

produção de plasma é praticamente igual, onde a razão

, este fato é um

indicio que para esta condição de distância e tensão, a frequência de 600 Hz é um valor

próximo da frequência de ressonância do sistema (capitulo 2.3), garantindo a melhor

eficiência elétrica e espectral do reator DBD, devido a redução da energia elétrica gasta

por ciclo, mas permitindo que o plasma gerado no reator ocorra no modo difuso.

Figura 23-Comparativo entra as curvas de carregamento no regime difuso.

-4000 -2000 0 2000 4000 6000 8000 10000 12000 14000 16000

-100

0

100

200

300

400

2º parte do ciclo

Car

ga(

nC

)

Tensão (V)

0,5mm-15kV-500Hz

0,5mm-15kV-600Hz

1º parte do cicloA

B

C

D

71

5. CONCLUSÃO

O equipamento desenvolvido no Labplasma para produção de plasma por

Descarga em Barreira Dielétrica embora tenha sido construído de forma compacta com

a finalidade de pesquisa nada impede que este seja reproduzido com dimensões

industriais. Com as análises chegam-se as seguintes conclusões.

Para se obter o plasma em pressão atmosférica em baixas

frequências, torna-se necessário aplicar uma maior diferença de potencial entre

eletrodos.

As principais linhas espectrais observadas na descarga por

barreira dielétrica em ar a pressão atmosférica estudada foi referente ao N2 do

segundo sistema positivo do N2 (C3 u-B

3 g). As maiores intensidades

espectrais aconteceram para menores distâncias entre eletrodos.

De um modo geral a energia por pulso é menor para menores

distâncias entre eletrodos. A exceção à regra aconteceu para a frequência de 500

Hz, onde houve uma inversão no comportamento. Esta inversão é justificada

pelo surgimento do regime de plasma difuso, que aumenta a densidade espectral

entre eletrodos.

A eficiência do reator DBD (Is/Ee) em 500 Hz foi maior para a

distância de 1 mm. Nessa condição se observou pela figura de Lissajous uma

baixa impedância do sistema com ralação as outras distâncias.

Plasma em regime difuso ocorreu apenas para distância entre

eletrodos de 0,5 mm e frequências de 500 Hz e 600 Hz.

A melhor condição encontrada no presente estudo foi na distância

de 0,5mm frequência de 600 e tensão entre eletrodos de 15 kV, devido ao fato

72

que nessa condição foi obtido o maior valor de intensidade espectral integrada e

a melhor eficiência do equipamento DBD. Além de produz plasma em regime

difuso.

73

6. REFERÊNCIAS BIBLIOGRAFICAS

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