常压辉光等离子体催化CH4转化制C2烃在线诊断研究

常压辉光等离子体催化CH4转化制C2烃在线诊断研究作者：王达望，徐勇，张家良，马腾才作者单位：王达望(大连理工大学化工学院,辽宁,大连,116024;大连理工大学物理与光电工程学院,辽宁,大连,116024)，徐勇(大连理工大学化工学院,辽宁,大连,116024)，张家良,马腾才(大连理工大学物理与光电工程学院,辽宁,大连,116024)刊名：光谱学与光谱分析英文刊名：SPECTROSCOPYANDSPECTRALANALYSIS年，卷(期)：2010，30(10)被引用次数：0次参考文献(13条)1.KampasFJ.J.Appl.Phys.,1983,54(5):2276.2.CoburmJW,ChenM.J.Appl.Phys.,1980,51(6):3134.3.HanYS,KimYK,Jia-YoungL.ThinSolidFilms,1997,310:39.4.JeonH,WangChunlei,HattaA,etal.Jpn.J.Appl.Phys.,1999,38:4500.5.HeintzeM,MagureanuM,KettlitzM.J.Appl.Phys.,2002,92(12):7022.6.KadoShigeru,SekineYasushi,NozakiTomohiro,etal.CatalysisToday,2004,89:47.7.WangDawang,GuoShuhong,CuiJinhua,etal.4thInternationalSymposiumonTheoreticalandAppliedPlasmaChemistry,Ivanovo,Russia,2005.313.8.WangDawang,MaTengcai.PlasmaScienceandTechnology,2006,8(5):585.9.QIUDe-ten,CHENGWan-xia(邱德仁,程晓霞).2A/mmand4A/mmGratingSpectrographMap(2A/mm和4A/mm光栅摄谱仪图谱).Shanghai:ShanghaiScientific&TechnicalPress(上海:上海科学技术出版社),1984.145.10.KampasFJ.J.Appl.Phys.,1983,54(5):2276.11.BalestrinoG,MarinelliM,MilaniE,etal.Appl.Phys.Lett.,1993,62(8):879.12.VandeveldeT,NesladekM,OuaeyhaegensC,etal.ThinSolidFilms,1996,290-291:143.13.相似文献(10条)1.学位论文王达望新型大气压放电等离子体发生器及其在甲烷偶联方面的应用研究2006随着石油资源的日益枯竭，合理利用天然气不仅关系到未来能源的利用和资源配置，对于保护环境也有重要意义。由于甲烷分子C-H键解离能高及其热力学上的不利反应，在甲烷传统催化偶联研究方面一直未取得很大进展，因此人们对开发新方法的研究越来越多。等离子体对于甲烷偶联来说是一种高效率的绿色工艺，近年来人们利用低温等离子体技术对甲烷的活化与转化进行了大量的研究。在大气压下的辉光放电是具有较高电子能量的非平衡等离子体，且不需要真空系统，非常适合工业化应用。由于辉光放电既可以提供反应活性物种，同时又能使体系保持非平衡状态，因此对甲烷偶联转化是一种非常合适的方法。本文利用常压辉光放电等离子体，采用新型旋转螺旋状电极等离子体反应器用于CH4转化制C2烃，提高了CH4单程转化率、C2烃单程收率及选择性，并首次对旋转电极辉光等离子体作用下CH4-H2转化反应进行了发射光谱诊断研究。1.本文采用新型旋转螺旋状电极等离子体放电反应器用于转化CH4制C2烃的反应，实现了常压下空间均匀的辉光放电等离子体，且其反应效率高于旋转多尖端三排圆盘电极。该反应器的特点是首次采用了旋转的螺旋状电极，反应中不仅能及时切换放电通道，有利于导出热量和控制荷电粒子的密度，从而抑制了热电离不稳定性，减少了积碳，提高了C2烃的选择性。与旋转多尖端三排圆盘电极相比，克服了轴向电场不均匀性，扩大了放电空间和反应空间，提高了反应效率。同时，由于螺旋状电极的搅拌作用，增加了反应气体在放电空间中的紊流程度，使电离反应更充分、更均匀，从而也提高了CH4转化率和C2烃收率。2.工艺实验的研究结果表明：采用金属铜材料好于不锈钢材料，螺旋型结构优于三排圆盘结构。采用旋转三排圆盘电极反应器时，最高的CH4转化率为66.45％，C2烃单程收率及其选择性分别为63.62％和95.75％。采用旋转螺旋电极反应器最高的CH4转化率为77.66％，C2烃单程收率及其选择性分别为76.91％和99.03％。采用螺旋铜电极反应器在能量密度为800kJ/mol时，能效最高为13.5％。3.利用发射光谱原位技术首次对旋转电极辉光等离子体作用下CH4-H2转化反应进行了诊断研究，在300nm～700nm波长范围内检测到C、CH、C2、H和C等激发态物种。利用H原子的发射光谱，通过Boltzmann图解法计算得到等离子体的激发温度在6280K～6629K之间。由谱线展宽计算了电子密度，其数量级在1020/m3。依据等离子体作用下CH4-H2反应的产物分析和发射光谱检测结果，探讨和推测了常压辉光等离子体条件下CH4-H2转化反应机理：CH4-H2混合等离子体所涉及的自由基反应并存着多条相互竞争的反应途径，但在一定条件下必然以某些反应为主，其它为辅，不同的放电类型其反应机理也不同。CH4-H2在常压辉光等离子体作用下的主要产物为C2H2，而CH自由基和C自由基应该是偶联形成C2烃的主要自由基。4.数值模拟的结果显示，在旋转电极和固定筒电极之间的区域采用螺旋状电极比采用三排圆盘电极的紊流程度增强。这一方面是增加了等离子体反应区各种粒子间的碰撞几率；另一方面这种湍流程度的加强，会以此为动力，不断而迅速地更新反应界面，也使得反应气体在放电通道中发生化学反应后快速的扩散到周围，使电离反应的更充分和均匀，增加了反应效率。2.期刊论文李金平.代斌.范婷.LIJin-ping.DAIBin.FANTing甲烷电离特性的等离子体发射光谱法研究-光谱学与光谱分析2009,29(7)应用等离子体发射光谱法,用CCD(chargecoupleddevice)光栅光谱仪记录并标识了脉冲电晕甲烷等离子体370～1100nm的发射光谱,确定了常温常压下高纯甲烷(99.99%)经100kV,100Hz脉冲高压电离后的产物为H,C+,CH,C,C2,C3,C4,C5和烃等.通过分析实验检测到的甲烷等离子体发射光谱,给出了甲烷经脉冲高压电离形成电晕等离子体的机理和自由基CHn(n=3,2,1)、碳、烃等产物的电离途径.结果显示甲烷分子经高能电子非弹性碰撞后脱氢程度很高,大量氢原子及其离子和甲烷自由基在进一步被高能电子作用下合成了烯烃、炔烃、烷烃和高聚碳化物.实验所获得的脉冲甲烷等离子体发射光谱及其机理分析可为甲烷及其转化研究提供相关依据.3.会议论文刘晅亚.康泉胜.陆守香水雾作用下富燃料甲烷/空气预混火焰化学发光特性2007利用阶梯光栅光谱仪与自行研制的水雾协流管式燃烧器,对富燃料甲烷/空气层流预混火焰化学发光特性进行实验研究。分析了锥形预混火焰燃烧过程中火焰面OH、CH以及C2自由基粒子光谱强度分布规律,以及水雾协流作用下的预混火焰发射光谱特性,探讨了水雾液滴对富燃料甲烷预混火焰发射光谱的影响。实验结果表明：当水雾量充足时,作用于内锥火焰阵面的水雾液滴使得火焰阵面OH、CH以及C2自由基粒子发射光谱强度减弱,抑制预混火焰燃烧；当作用于火焰面的水雾载荷比较小时,富燃料预混火焰外焰的OH、CH的发射光谱强度反而得到一定程度的增强.4.学位论文苏斌天然气等离子体裂解的研究2007本文研究了在直流和交流辉光放电条件下等离子体裂解甲烷的规律和自由基——氢(H·)、甲基(CH,3·)、亚甲基(CH,2·)、次甲基(CH·)的形成规律。实验采用红外光谱分析技术检测甲烷的裂解过程，甲烷气体在3.3μm附近有一条较强的吸收带v,3，选择v,3作为探测对象对甲烷气体的裂解程度进行在线测量。研制了用于激光吸收光谱测量的光源——3391nmHe-Ne红外激光器；设计了测量甲烷裂解规律的激光吸收光谱系统；为探测器设计了检波电路，抑制噪声，提高测量稳定性。分别采用直流和交流辉光放电等离子体来进行甲烷裂解变化规律的实验研究。在实验条件下，研究发现：在50Pa到300Pa之间，激光透过率与甲烷气体的压强成对数关系，拟合实验数据得到激光透过率曲线：77=226.6exp(-0.0179P)；在天然气气压低于100Pa的情况下，裂解过程最快能在0.5s内完成；实验获得的直流和交流放电甲烷最大裂解率分别为96％和98％。甲烷裂解随放电电流和气压变化的基本规律是：在相同气压情况下，放电电流越大，甲烷完全裂解所需要的时间越短；在相同电流情况下，放电气压越高，甲烷完全裂解所需要的时间就越长。实验分别测量了直流和交流放电过程中H·(656.3nm)、CH,3·(724.6nm)、CH,2·(341.9)及CH·(431.42nm)自由基发射光谱强度的变化，并对其发射光谱强度随时间的变化规律进行了描绘和分析。由于不同自由基达到极值和动态平衡的时间不尽相同，因此可以通过选择合适的放电条件来控制反应的方向，从而实现目的产物的选择性和产率的最大。5.期刊论文张军峰.边心超.陈强.张跃飞.刘福平.ZhangJunfeng.BianXinchao.ChenQiang.ZhangYuefei.LiuFuping大气压下甲烷等离子枪的光谱诊断研究-真空科学与技术学报2009,29(3)以甲烷为反应气体,氩气为辅助气体,通过大气压介质阻挡放电等离子枪,制备纳米类金刚石.在此过程中,利用发射光谱对甲烷等离子体中产生的活性粒子进行光学发射特征的原位诊断.通过对检测到的发射光谱谱图的研究,证实了CH、C2、Hα等自由基粒子的存在,研究了不同的实验参数,如放电电压和气体流量对CH活性粒子发射强度的影响,并由此分析了甲烷可能的离解过程,同时计算了不同条件下的电子温度.结果表明,随着输入电压及CH4流量的增加,CH自由基的发射强度随之增加.根据掺入甲烷的Ar原子谱线计算出电子温度,其范围在0.4eV～0.6eV之间,而且随着输入电压及气体流量的增加而降低.6.学位论文蔺灿坤大气压下火花放电等离子体高效转化甲烷制氢和乙炔的研究2008近年来利用低温等离子体技术对甲烷的活化与转化研究引起了人们越来越多的关注。本论文利用稳定的大气压kHz火花放电等离子体，开展了甲烷直接转化制氢及乙炔的研究。与其它放电形式相比，在抗积碳和提高能量效率方面取得了明显进展。实现了甲烷在低能耗条件下高效转化制氢和乙炔，另外得到了具有较高利用价值的副产物碳黑；并对该火花放电等离子体作用下的CH4转化反应进行了发射光谱诊断研究。在此基础上，利用此反应器对CO2重整CH4的反应进行了初步考察。本论文的主要研究结果如下：1)通过考察220分钟放电时间内，纯甲烷放电转化产物中各组分浓度的变化情况，以此考证了放电的稳定性。考察了电极间距、比输入能量、进气方式、电极管径与加氢对纯甲烷转化反应的影响。利用此kHz火花放电等离子体，当甲烷的转化率为81.5％时，产物气流中氢气的浓度达到72.1％，生成每个氢分子的能耗为6.7eV；当甲烷的转化率为70.3％时，产物气流中乙炔的浓度达到18.4％，生成每个乙炔分子的能耗为21.2eV。该实验结果表明，利用这种稳定的kHz火花放电，可在低能耗条件下实现了甲烷高效转化制取氢气和乙炔。kHz火花放电发射光谱的研究表明乙炔的高选择性与C2自由基有关。2)本论文利用此反应器对CO2重整CH4的反应进行