A STUDY ON A PORTABLE MICROWAVE PLASMA TORCH AND ITS APPLICATIONS
마이크로웨이브 플라즈마 토치와 응용에 관한 연구
- 발행기관 The Graduate School Ajou University
- 지도교수 Uhm, Han Sup
- 발행년도 2005
- 학위수여년월 2005. 2
- 학위명 박사
- 학과 및 전공 일반대학원 공학계열
- 본문언어 영어
초록/요약
The microwave plasma-torch plays an important role in environmental applications, decontamination of chemical and biological warfare agents, and nano technology, and has potentials to be applied in various industries. It is also desired that a tool to overcome problems ass℃iated with the conventional torches is to be developed and to be investigated, and can be evaluated for wide acceptance in industrial applications. Three experiments have been carried out in this thesis as applications of the microwave plasma-torch, which are abatement of carbon tetrafluoride (CF₄), nitrogen trifluoride (NF₃), and sulfur hexafluoride (SF_(6)), decontamination of chemical and biological warfare agents, and the synthesis of carbon nanotubes. In the abatement of CF₄, the DREs determined from FTIR and QMS data are 99.4 % and 96 %, respectively, depending on O₂ flow rate mixed with contaminant gases. For NF₃ and SF_(6) abatement, we achieved NF₃ and SF_(6) DREs more than 99.9999% and 90.1%, respectively, by applying the microwave power of 1.4 kW. In order to demonstrate decontamination of chemical and biological warfare agents, the toluene contaminants as a simulant diluted at an airflow rate of 1000 lpm was eliminated by 65% through three torches connected in series. The energy density β for the experimental data is 173 J/l. This value is much less than β = 393 J/l of the pulsed corona discharge investigated by Penetrante et al. For the elimination experiment of phosgene as an actual agent, the plasma-torch flame generated by microwave power of 800 W destroyed most of the COCl₂ contaminants, indicating the destruction efficiency close to 100% and converting the contaminants to Cl₂, CO, and CO₂. Many previous studies for carbon nanotube formation in high temperature tools clearly indicate that the key requirements of nanotube formation are an atomic carbon source and a source of nanometal particles. In this context, CNTs were synthesized by simultaneously feeding C₂H₂ and Fe(CO)_(5) into a swirl-stabilized plasma-flame. Also, it was identified from four SEM images that the density of CNTs increases as the furnace temperature increases from 700 ℃ to 1000 ℃. The respective average diameter of CNTs increases for the temperature rise from 700 ℃ to 1000 ℃, showing the average diameter of 47.78 nm grown at 700 ℃, 78.95 nm at 800 ℃, 83.55 nm at 900 ℃, and 111.9 nm at 1000 ℃. The experimental data show that not only the diameter of CNTs but also their growth rate increases as a function of growth temperature and can be controlled by adjusting the growth temperature. From TEM observation, the CNTs exhibit exclusively a multiwalled bamboo-shaped structure enhanced by nitrogen incorporation. Furthermore, it was identified from Raman spectra observation that the crystallinity of CNTs increases with the yield, as the furnace temperature increases. It was also identified that the quality of the product depended strongly on the ability of the plasma to diss℃iate the carbon-containing gas.
more초록/요약
이 논문에서 제시된 마이크로웨이브 플라즈마 토치는 환경, 화생 독가스 제독 및 나노 기술 분야에 중요한 역할을 할 것으로 기대되며 기타 다양한 산업 분야에 적용될 수 있는 잠재성을 가지고 있다. 따라서 기존 플라즈마 토치와 관련된 문제점을 극복 할 수 있는 새로운 플라즈마 토치의 개발 및 연구가 이루어 지고 적용 가능한 산업분야에 대해 평가되어야 할 것이다. 이 논문에서는 CF₄, NF₃, SF_(6)의 분해, 화생 독가스의 제독, 탄소나노튜브(CNT)의 합성을 포함하는 마이크로웨이브 플라즈마 토치 응용연구가 실행되었다. CF₄ 분해 연구에서 FTIR과 QMS 데이터로부터 얻어진 분해효율은 산소의 양에 의존하면서 각각 99.4%와 96%를 얻었다. NF₃와 SF_(6)의 분해연구에서는 1.4 kW의 파워에서 각각 99.9999%와 90.1%의 분해효율을 달성하였다. 유사 작용제와 실제 작용제를 이용한 제독 연구에서, 분당 1000 리터의 공기유량에 희석된 톨루엔 가스는 직렬 연결된 3개의 플라즈마 토치에 의해 65%가 분해되었다. 이 때의 단위 유량(liter) 당 소비된 에너지(joul)는 173이였다. 이 값은 Penetrante 등에 의해 연구된 펄스 코로나 방전의 393 (j/l) 보다 훨씬 적은 것이다. 실제 작용제로서 포스겐의 제독 연구에서는 800 와트의 파워에서 100%에 가까운 효율을 달성하였다. 이 때의 플라즈마 부산물들은 염소가스, 이산화탄소, 일산화탄소 등 이였다. 고온에서의 탄소나노튜브 합성에 관한 많은 연구 결과는 원자화된 카본과 나노 크기의 금속 촉매의 형성이 필수 조건이라는 것이다. 이런 맥락에서 마이크로웨이브 플라즈마 토치로 C₂H₂와 Fe(CO)_(5)를 주입하여 탄소나노튜브가 합성되었다. 이 연구에서 플라즈마 토치와 함께 적용된 고온 노의 온도를 700 ℃부터 1000 ℃까지 증가시킴에 따라 합성된 탄소나노튜브의 밀도가 증가한다는 것이 전자주사현미경(SEM)의 관찰로부터 확인되었다. 각각의 온도에 따른 탄소나노튜브의 평균 직경은 700 ℃에서 47.78 nm, 800 ℃에서 70.95 nm, 900 ℃에서 81.55 nm, 그리고 1000 ℃에서는 111.9 nm 였다. 그 결과 탄소나노튜브의 직경뿐만 아니라, 성장률 또한 온도의 함수라는 것이 확인되었다. 투과전자현미경(TEM)의 분석으로부터 탄소나노튜브는 대나무 모양과 같은 구조를 가지고 있는 것으로 확인되었다. 대나무 모양의 탄소나노튜브 형성은 활성화된 질소에 의해 형성된 것으로 확인되었다. 더욱이, 라만(Raman) 스펙트럼 분석은 온도가 증가함에 따라 결정성과 수율 또한 증가한다는 것을 보여 주고있다.
more목차
TABLE OF CONTENTS
ABSTRACT = ⅰ
TABLE OF CONTENTS = ⅲ
LIST OF FIGURES = ⅵ
LIST OF TABLES = ⅹⅲ
CHAPTER ⅠINTRODUCTION = 1
A. Research Backgrounds and Motivations = 1
1. Electrodeless Microwave Plasma-Torch = 2
2. Abatement of Fluorinated Compound Gases = 5
3. Decontamination of Chemical and Biological Warfare Agents = 13
4. Synthesis of Carbon Nanotubes = 19
B. Outline of Text = 29
CHAPTER Ⅱ THEORY AND CHARACTERISTICS OF MICROWAVE PLASMA TORCH = 33
A. Plasma Parameters = 33
B. Microwave Parameters = 38
C. Characteristics of Microwave Plasma-Torch = 40
CHAPTER Ⅲ ABATEMENT OF FLUORINATED COMPOUND GASES BY MICROWAVE PLASMA TORCH = 51
A. Abatement of Carbon Tetrafluoride (CF₄) by Microwave Plasma-Torch = 51
1. Experimental Method = 51
2. O₂and H₂O as Additive Gases for CF₄Abatement = 55
3. Results and Discussion for Abatement of CF₄ = 56
B. Abatement of Nitrogen Trifluoride (NF₃) and Sulfur Hexafluoride (SF_(6))by Microwave Plasma-Torch = 63
1. Experimental Method = 63
2. NF₃Decomposition Chemistry = 66
3. SF_(6) Decomposition Chemistry = 68
4. Results and Discussions for Abatement of NF₃and SF_(6) = 72
CHAPTER Ⅳ DECONTAMINATION OF CHEMICAL AND BIOLOGICAL WARFARE AGENTS BY MICROWAVE PLASMA TORCH = 85
A. Simulated Experiment for Elimination of Chemical and Biological Warfare Agents = 85
1. Experimental Apparatus = 85
2. Experimental Results and Discussions = 88
B. Decomposition of Phosgene by Microwave Plasma-Torch = 100
1. Experimental Set-up = 100
2. Experimental Results and Discussions = 104
CHAPTER ⅤPRODUCTION OF CARBON NANOTUBES BY MICROWAVE PLASMA TORCH = 113
A. Experimental Apparatus = 113
B. Results and Discussions = 118
C. Growth Model of a Bamboo-Shaped Nanotube = 134
CHAPTER Ⅵ CONCLUSIONS = 141
APPENDIX A. CF₄-O₂ Plasma Abatement Chemistry = 150
APPENDIX B. Additional Reaction and Species for FC Abatement = 153
APPENDIX C. NF₃Chemistry = 159
REFERENCES = 163
PUBLICATIONS = 178
A. Journals = 178
B. Patents = 180
C. Presentations = 183
요약문 = 187
