Development and spectroscopic investigation of a microwave plasma source for the decomposition of waste gases

Abstract

In view of the world climate change the cleaning and purification of waste gases has become one of the most urgent tasks for humankind nowadays. Harmful gases are volatile organic compounds (VOC). However, even more hazardous gases are perfluorinated compounds (PFC) which have a 7400..23000 times higher green house potential compared to carbon dioxide and are widely used for etching processes in growing industry sectors like the production of semiconductors. Conventionally these waste gases are treated in oil or gas combustions which are complex to handle and produce additional carbon oxides. Hot plasma processes offer a promising alternative for this purpose, since the production of additional carbon oxides is prevented. Common RF and DC discharges have the disadvantage of electrodes which would erode when they come in contact with the waste gases. An excellent option is provided by an electrodeless microwave plasma torch at atmospheric pressure. This work deals with the development and spectroscopic study of a plasma source at atmospheric pressure powered by 2.45 GHz microwaves (APS) for the abatement of waste gases. The plasma source is based on an axially symmetric cavity. The plasma is confined in a quartz tube and a metallic nozzle is used for the gas inlet. For a successful application in industry simple ignition of the plasma as well as stable plasma operation are indispensable. To guarantee that the plasma can be ignited without any additional igniters detailed information about the electric field distribution is required. Therefore, finite element simulations of the electric field were conducted by using the simulation software COMSOL Multiphysics. The simulation results were verified by measurements with a network analyser. The simulations combined with the measurements led to a configuration which provides an ignition of the plasma without any additional igniters as well as stable plasma operation. The characterisation of the plasma was performed by means of optical emission spectroscopy for different microwave powers and air flows. The gas temperature was measured by using a transition of the free OH radical while the electron temperature was estimated from a Boltzmann plot of two atomic oxygen lines. The neutral particle and electron density were calculated from these temperatures. Furthermore, the decomposition of as exemplary VOC propane and toluene in air plasmas and as exemplary PFC tetrafluoromethane and sulphur hexafluoride in nitrogen plasmas was studied. The analyses of the raw and clean gases were performed using Fourier-Transform Infra-Red spectroscopy, a flame ionisation detector, a quadrupole mass spectrometer, and a gas phase chromatograph. The measurements revealed that the suitability for the abatement of VOC is questionable even though destruction and removal efficiencies of over 99 % are reached since critical by-products and large amounts of nitride oxides are produced. However, the measurements also showed that the PFC can be completely decomposed and that no critical by-products are formed and therefore the APS is well suited for the abatement of PFC.

Im Hinblick auf den Klimawandel nimmt die Reinhaltung der Luft einen immer höheren Stellenwert ein. Daher sind heutzutage der Abbau und die Reinigung von Abgasen eine der wichtigsten Herausforderungen der Menschheit geworden. Schädliche Gase hierfür sind unter anderem flüchtige organische Verbindungen (engl. volatile organic compounds (VOC)). Weitaus gefährlichere Gase stellen perfluorierte Verbindungen (engl. perfluorinated compounds (PFC)) dar, die ein 7400 - 23000-fach höheres klimaschädigendes Potenzial verglichen mit Kohlendioxid haben und in wachsenden Industriezweigen, wie der Produktion von Halbleiterbauteilen, als Ätzgase in großem Umfang eingesetzt werden. Konventionell werden diese Abgase thermisch in Öl- oder Erdgasbrennern zersetzt, obwohl diese schwierig zu handhaben sind und zusätzlich Kohlenstoffoxide produziert werden. Plasmaprozesse stellen hierfür eine viel versprechende Alternative dar, da keine zusätzlichen Kohlenstoffoxide entstehen. Hochfrequenz- und Gleichstromentladungen haben den Nachteil, dass sie Elektroden benötigen, die, wenn sie in Berührung mit den Abgasen kommen, leicht erodieren. Daher bieten elektrodenlose Mikrowellenentladungen eine hervorragende Alternative für den Abbau von Abgasen. Die vorliegende Arbeit befasst sich mit der Entwicklung und spektroskopischen Untersuchung einer bei 2,45 GHz mikrowellen-getriebenen Plasmaquelle bei Atmosphärendruck (engl. atmospheric pressure microwave plasma source (APS)) für die Abgasreinigung. Die Plasmaquelle beruht auf einem axial symmetrischen Hohlraum. Das Plasma wird durch ein Quarzrohr eingeschlossen, und die Gaszuführung erfolgt über eine metallische Düse. Für eine erfolgreiche Anwendung in industriellen Prozessen sind sowohl ein einfacher Zündvorgang sowie ein stabiler Betrieb unabdingbar. Um zu gewährleisten, dass das Plasma ohne weitere Zündhilfe gezündet werden kann, ist die detaillierte Kenntnis der elektrischen Feldverteilung erforderlich. Daher wurden finite Element-Simulation der elektrischen Feldverteilung mit der Software COMSOL Multiphysics durchgeführt. Die Simulationsergebnisse konnten mit Hilfe eines Netzwerkanalysators verifiziert werden. Die Simulationen führten in Kombination mit den Messungen zu einer Konfiguration, die sowohl die Zündung ohne weitere Zündhilfe als auch einen stabilen Betrieb des Plasmas gewährleistet. Die Charakterisierung des Plasmas für verschiedene Mikrowellenleistungen und Gasflüsse erfolgte mittels optischer Emissionsspektroskopie. Die Gastemperatur wurde mit Hilfe eines Übergangs im freien OH-Radikal ermittelt, während die Elektronentemperatur mittels eines Boltzmannplots aus zwei Sauerstoffatomlinien abgeschätzt werden konnte. Die Neutralteilchen- und Elektronendichte wurden aus diesen Temperaturen berechnet. Des Weiteren wurde der Abbau von VOC am Beispiel von Propan und Toluol in Luftplasmen und von PFC am Beispiel von Tetrafluormethan und Schwefelhexafluorid in Stickstoffplasmen untersucht. Die Analyse der Roh- und Reingase erfolgte mittels Fourier-Transform-Infrarot-Spektroskopie, einem Flammenionisationsdetektor, einem Quadrupolmassenspektrometer und einem Gaschromatographen. Die Messungen ergaben, dass obwohl eine hohe Abbaueffizienz von über 99 % für die Zersetzung von VOC erzielt werden konnte, der Einsatz der APS für die Reinigung von VOC fragwürdig ist, da kritische Nebenprodukte und große Mengen an Stickoxiden erzeugt wurden. Andererseits zeigten die Messungen auch, dass PFC vollständig und ohne dass kritische Nebenprodukte entstehen, abgebaut werden können und sich daher die APS sehr gut für den Abbau von PFC eignet.