纳秒脉冲DBD等离子体驱动转化CH4-CH3OH-H2O的特性研究

作     者：黑雪婷 

作者单位：郑州大学 

学位级别：硕士

导师姓名：陈根永;邵涛

授予年度：2022年

学科分类：0817[工学-化学工程与技术] 08[工学] 

主      题：介质阻挡放电 等离子体 纳秒脉冲 甲烷 甲醇 氩气 

摘      要：随着当今世界能源市场受到疫情的猛烈冲击,一次能源消费量不断下降。由于我国碳达峰、碳中和战略倡导绿色清洁低碳化的发展方向,天然气和可再生能源在一次能源消费结构中的比重将会不断增长。天然气的主要成分是甲烷(CH4),我国天然气市场规模与消费量不断增长,开发合理的天然气工业转化技术可实现产业绿色可持续发展。与此同时,我国是世界上最大甲醇(CH3OH)生产国,CH3OH不仅是重要化工原料也是廉价的清洁能源。将CH4-CH3OH直接转化制取高附加值液态产品的转化技术具有良好的经济前景。然而,传统工业中的CH4、CH3OH转化存在着高污染、高耗水、能耗大、碳排放量大等问题。由于低温等离子体可在温和条件下进行分子活化,因此研究低温等离子体直接转化CH4-CH3OH的技术可减少能耗、提高能源利用效率,符合绿色清洁低碳化的发展目标。本文采用纳秒脉冲介质阻挡放电(DBD)等离子体驱动转化CH4-CH3OH-H2O制取液态化学品,进行了不同反应参数的电学特性、转化特性分析,并探讨了初步的反应路径,进一步分析了添加氩气(Ar)、过氧化氢溶液(H2O2(aq))对驱动转化CH4-CH3OH-H2O实验放电过程及转化效果的影响。首先,对不同反应参数的电学特性和转化特性进行分析。反应参数包含H2O占比、上升沿和下降沿、重复频率、电压幅值和脉宽。结果表明,添加一定量的H2O有利于提高反应物转化率及总液体选择性。上升沿和下降沿均≥200 ns后,放电波形出现电流平台期,平均电子能量较低。重复频率的增大导致微放电次数增多,高能电子密度增大。电压幅值的增大使得空间内电子密度急速上升,总液体选择性迅速减小。脉宽≥200 ns后,放电波形中同时出现电压、电流平台期,一、二次放电独立进行。当H20占比为50%,电压幅值为13 kV,重复频率为4 kHz,上升沿和下降沿均为200 ns,脉宽为0 ns时,CH4和CH3OH的转化率分别为17.5%和50.3%,总液体选择性为12.3%。同时结合现有文献进行反应路径分析,本文认为·CH2OH是重要的中间产物,主要液态产品C2H5OH和C3H7OH可通过·CH2OH分别与·CH3和·C2H5碳-碳偶联生成。接下来,进行Ar添加的有效性实验,继而考察混合气体Ar/CH4变比例、变流速对驱动转化CH4-CH3OH-H2O实验的影响。实验结果表明,亚稳态Ar原子引发的彭宁电离效应增加种子电子数量并促进有效电子碰撞,可有效降低击穿电场,使得一次放电更易发生,Ar的添加有利于液态产品的生成。当Ar:CH4=1:3,总气体流速为60 mL/min时,总液体选择性最高为19.4%。最后,初步考察引入H2O2(aq)对实验的影响,H2O2(aq)添加量为10 mL时的总液体选择性为18%。