低溫等離子體催化氧化甲烷合成甲醇的應(yīng)用基礎(chǔ)研究

【摘要】：隨著世界性石油資源的日益短缺,開發(fā)以天然氣或甲烷水合物(可燃冰)為原料替代石油資源,并原位轉(zhuǎn)化為有機含氧化合物成為重要的研究課題。低溫等離子體技術(shù)可在溫和反應(yīng)條件下實現(xiàn)甲烷的活化,若將其與催化技術(shù)相結(jié)合,有望形成一種既具強活化能力、又具高選擇性的等離子體-催化協(xié)同活化新技術(shù)。本文主要開展了等離子體-催化協(xié)同作用于甲烷／空氣選擇性氧化合成甲醇的應(yīng)用基礎(chǔ)研究。 首先,利用介質(zhì)阻擋放電等離子體實現(xiàn)常溫常壓條件下甲烷直接轉(zhuǎn)化合成甲醇?？疾炝穗娫摧斎牍β省⒎烹婎l率、放電間隙、氣體停留時間、氣體組分對甲烷轉(zhuǎn)化率及甲醇產(chǎn)率的影響,并對參數(shù)進行優(yōu)化；同時,考察了放電體系添加惰性氣體Ar或N2對反應(yīng)的影響,研究表明惰性氣體的加入有利于提高放電強度和放電效率,獲得更高的甲烷轉(zhuǎn)化率及甲醇產(chǎn)率；通過等離子體發(fā)射光譜原位診斷證實甲烷選擇性氧化合成甲醇主要通過自由基反應(yīng)得以實現(xiàn)。 其次,將催化劑引入等離子體反應(yīng)體系,構(gòu)建后置式及內(nèi)置式等離子體-催化反應(yīng)體系。針對后置式體系篩選出單組分催化劑Fe2O3/CP,當催化溫度僅為150℃時,甲醇選擇性達到10.66%,較單純等離子體提高了35.1%。當添加助劑CuO構(gòu)成復合催化劑,在相同催化溫度下可將甲醇選擇性提高至11.33%；對于內(nèi)置式反應(yīng)體系,放電區(qū)域填充Fe2O3-CuO/γ-Al2O3催化劑既有助于增強電場強度,又可造成催化劑表面局部反應(yīng)分子和活性自由基的富集,提高反應(yīng)效率。研究表明,催化劑在后置式體系中具有更好的抗積碳性能以及反應(yīng)穩(wěn)定性。通過對不同體系各類瞬時基團物質(zhì)及穩(wěn)態(tài)物質(zhì)的分析探索了甲醇合成的主要途徑。 最后,研究了兩種Ar等離子體預(yù)處理方法對Fe2O3-CuO/γ-Al2O3催化劑性能的影響,對比發(fā)現(xiàn)催化劑焙燒前等離子體改性能有效提高活性組分的分散性,加強金屬氧化物與載體間的相互作用,顯著提高催化劑的抗積碳性能。 【關(guān)鍵詞】：低溫等離子體 催化 甲烷氧化 甲醇 催化劑改性
【學位授予單位】：浙江大學
【學位級別】：博士
【學位授予年份】：2010
【分類號】：TQ223.121
【目錄】：

• 致謝5-6
• 摘要6-7
• Abstract7-9
• 目次9-11
• 1 緒論11-29
• 1.1 課題背景11-12
• 1.2 甲烷直接氧化合成甲醇12-18
• 1.3 低溫等離子體耦合催化反應(yīng)體系18-23
• 1.4 低溫等離子體催化劑表面改性技術(shù)23-26
• 1.5 擬解決的問題26-27
• 1.6 研究內(nèi)容與技術(shù)路線27-29
• 2 實驗裝置及分析測試方法29-37
• 2.1 實驗裝置及流程29-32
• 2.2 催化劑制備32
• 2.3 催化劑Ar等離子體預(yù)處理32-33
• 2.4 反應(yīng)活性評價指標33-34
• 2.5 分析測試方法34-37
• 3 低溫等離子體甲烷合成甲醇參數(shù)優(yōu)化37-54
• 3.1 輸入功率的影響37-39
• 3.2 放電頻率的影響39-40
• 3.3 放電間隙的影響40-42
• 3.4 氣體停留時間的影響42-43
• 3.5 氣體組分的影響43-44
• 3.6 添加惰性氣體的影響44-50
• 3.7 低溫等離子體甲烷合成甲醇途徑分析50-52
• 3.8 本章小結(jié)52-54
• 4 后置式等離子體-催化甲烷合成甲醇54-73
• 4.1 單組分催化劑的性能評價54-60
• 4.2 復合型催化劑的性能評價60-68
• 4.3 后置式甲烷轉(zhuǎn)化合成甲醇途徑分析68-71
• 4.4 本章小結(jié)71-73
• 5 內(nèi)置式等離子體-催化甲烷合成甲醇73-86
• 5.1 不同載體催化劑的催化活性73-77
• 5.2 活性物質(zhì)濃度分析77-79
• 5.3 兩體系催化劑的穩(wěn)定性比較79-81
• 5.4 兩體系反應(yīng)前后催化劑的表征81-84
• 5.5 本章小結(jié)84-86
• 6 Ar等離子體預(yù)處理對催化劑性能的改進及機理分析86-96
• 6.1 改性催化劑的性能評價86-87
• 6.2 改性催化劑的表征及改性機理分析87-95
• 6.3 本章小結(jié)95-96
• 7 結(jié)論與建議96-98
• 7.1 主要結(jié)論96-97
• 7.2 主要創(chuàng)新點97
• 7.3 存在的問題及建議97-98
• 參考文獻98-114
• 作者簡歷114
• 教育背景114
• 發(fā)表論文114

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