基于直流電暈放電的甲烷重整與部分氧化

【摘要】：據(jù)統(tǒng)計(jì),我國(guó)垃圾填埋系統(tǒng)每年釋放大量的甲烷氣。隨著全球氣候變暖與能源問(wèn)題的日益嚴(yán)峻,開發(fā)利用甲烷為清潔能源已成為國(guó)內(nèi)外的研究熱點(diǎn)。傳統(tǒng)的燃燒發(fā)電方式具有一定的地域局限性且對(duì)甲烷氣的產(chǎn)生量要求比較高。而以填埋氣作為化工原料生產(chǎn)高附加值的化工產(chǎn)品則可以解決產(chǎn)品的遠(yuǎn)距離運(yùn)輸問(wèn)題,同時(shí)實(shí)現(xiàn)低產(chǎn)生量甲烷氣的能源化利用。低溫等離子體技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)溫和條件下分子的活化轉(zhuǎn)化,有望成為甲烷資源化轉(zhuǎn)化的熱門技術(shù)。本論文采用直流電暈等離子體技術(shù),開展了常溫常壓下甲烷直接轉(zhuǎn)化的應(yīng)用基礎(chǔ)研究。采用針-板式電極結(jié)構(gòu),以CO：作為含氧自由基源,直流電暈等離子體可致CH4發(fā)生重整反應(yīng)生成乙炔。在放電電流為0.4 mA,CH4/CO2=2、氣體流量為45 mL/min時(shí),C2H2的選擇性和產(chǎn)率分別可達(dá)到36%和12.8%,反應(yīng)能量利用效率最大達(dá)到0.97 mmol/kJ。適量H2的引入可促進(jìn)CO2的轉(zhuǎn)化,而當(dāng)體系中引入水蒸汽作為·OH產(chǎn)生源時(shí),CH4的轉(zhuǎn)化率以及C2H2的選擇性和產(chǎn)率均有所提高。以液體溶液作為接地電極,構(gòu)建一個(gè)氣液放電體系,引入·OH對(duì)CH4進(jìn)行活化氧化,同時(shí)將空氣作為氣態(tài)含氧自由基源。結(jié)果表明,放電過(guò)程中有甲酸、甲醇等液體產(chǎn)物生成,其中甲酸為主要物質(zhì)。當(dāng)放電電流為0.2 mA,放電間距為1 cm,CH4和空氣比1：1,磷酸鹽緩沖溶液(PBS,pH=7)為液體電極時(shí),甲酸的單位能耗產(chǎn)率達(dá)6.58 mmol/(kW.h).液體電極中一定濃度H202溶液的引入對(duì)甲酸的生成有一定促進(jìn)作用,而當(dāng)反應(yīng)體系中引入CO2氣體或Na2SO3溶液等·OH清除劑時(shí),甲酸的產(chǎn)量明顯減少,表明甲酸的生成很大程度上是由于·OH的強(qiáng)氧化作用?；诘入x子體條件下·OH的產(chǎn)生反應(yīng)過(guò)程,實(shí)驗(yàn)以亞甲基藍(lán)(MB)為氧化還原指示劑,探究了氣液多相體系中·OH的產(chǎn)生及作用機(jī)理。驗(yàn)證了,在液滴體系中直流電暈放電技術(shù)確可實(shí)現(xiàn)·OH的產(chǎn)生,且電致H20的離解對(duì)·OH的產(chǎn)生起主要作用。由此可見(jiàn),直流電暈等離子體技術(shù)可在常溫常壓下實(shí)現(xiàn)甲烷的活化轉(zhuǎn)化,產(chǎn)物中有乙炔和甲酸等高附加值的產(chǎn)物生成,具有很大的實(shí)際應(yīng)用價(jià)值。 【關(guān)鍵詞】：直流電暈等離子體 甲烷重整 部分氧化 甲酸 ·OH
【學(xué)位授予單位】：浙江大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2015
【分類號(hào)】：X701;X705
【目錄】：

• 致謝5-6
• 摘要6-7
• Abstract7-12
• 1 緒論12-16
• 1.1 研究背景12-13
• 1.2 研究?jī)?nèi)容13-16
• 2 文獻(xiàn)綜述16-27
• 2.1 甲烷活化轉(zhuǎn)化的熱力學(xué)分析16
• 2.2 甲烷活化轉(zhuǎn)化的研究現(xiàn)狀16-20
• 2.3 電暈放電等離子體在甲烷轉(zhuǎn)化中的應(yīng)用20-27
• 2.3.1 低溫等離子體技術(shù)及其發(fā)展現(xiàn)狀20
• 2.3.2 電暈放電等離子體20-22
• 2.3.3 電暈放電等離子體在甲烷直接轉(zhuǎn)化中的應(yīng)用22-24
• 2.3.4 等離子體轉(zhuǎn)化甲烷的機(jī)理24-27
• 3 二氧化碳為含氧自由基源重整甲烷制乙炔27-40
• 3.1 前言27-28
• 3.2 實(shí)驗(yàn)部分28-31
• 3.2.1 實(shí)驗(yàn)裝置28-29
• 3.2.2 實(shí)驗(yàn)分析及數(shù)據(jù)計(jì)算29-31
• 3.3 結(jié)果與討論31-37
• 3.3.1 氣體配比對(duì)反應(yīng)的影響31-33
• 3.3.2 氣體流量對(duì)反應(yīng)的影響33-34
• 3.3.3 添加氫氣對(duì)反應(yīng)的影響34-35
• 3.3.4 引入水蒸汽對(duì)反應(yīng)的影響35-37
• 3.3.5 電極材料對(duì)反應(yīng)的影響37
• 3.4 能量利用分析37-38
• 3.5 小結(jié)38-40
• 4 氧和水為含氧自由基源部分氧化甲烷制甲酸40-52
• 4.1 前言40-42
• 4.2 實(shí)驗(yàn)部分42-44
• 4.2.1 實(shí)驗(yàn)裝置42-43
• 4.2.2 實(shí)驗(yàn)分析測(cè)定43-44
• 4.3 結(jié)果與討論44-50
• 4.3.1 甲烷部分氧化液相產(chǎn)物檢測(cè)結(jié)果44-45
• 4.3.2 放電電流對(duì)反應(yīng)的影響45-46
• 4.3.3 放電間距對(duì)反應(yīng)的影響46-47
• 4.3.4 放電氣體成分對(duì)反應(yīng)的影響47-48
• 4.3.5 溶液介質(zhì)對(duì)反應(yīng)的影響48-49
• 4.3.6 鹵素離子對(duì)反應(yīng)的影響49-50
• 4.3.7 亞硫酸鈉自由基清除劑對(duì)反應(yīng)的影響50
• 4.4 小結(jié)50-52
• 5 氣液多相體系中羥基自由基的產(chǎn)生及作用機(jī)理52-65
• 5.1 前言52-53
• 5.2 實(shí)驗(yàn)部分53-55
• 5.2.1 實(shí)驗(yàn)裝置53
• 5.2.2 實(shí)驗(yàn)分析方法53-55
• 5.3 結(jié)果與討論55-64
• 5.3.1 等離子體條件下氧化性粒子的產(chǎn)生55-56
• 5.3.2 ·OH生成的確定56-59
• 5.3.3 不同pH和放電氣體對(duì)·OH產(chǎn)生的影響59-62
• 5.3.4 ·OH的產(chǎn)生機(jī)理分析62-64
• 5.4 小結(jié)64-65
• 6 結(jié)論與建議65-68
• 6.1 結(jié)論65-66
• 6.2 創(chuàng)新點(diǎn)66
• 6.3 建議與展望66-68
• 參考文獻(xiàn)68-83
• 作者簡(jiǎn)介83

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