방법 논문

효율적인 고온 화학을위한 비평 형 마이크로 웨이브 플라즈마

DOI:

10.3791/55066

⸱

2017년 8월 1일

 ,  ,  ,  ,  ,  ,  , 
1Dutch Institute for Fundamental Energy Research, 2University of Trento, 3Eindhoven University of Technology

이 논문에서

요약

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

이 기사는 CO 2 , N 2 및 CH 4 와 같은 안정한 분자의 변환 / 활성화의 적용을위한 효율적인 비평 형 화학 반응을 유도하는 데 사용되는 유동 마이크로파 반응기에 대해 설명합니다. 여기에 설명 된 절차의 목표는 현장 가스 온도 및 가스 변환을 측정하는 것 입니다 .

초록

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비평 형 화학을 효율적으로 유도하기 위해 전기 에너지를 안정한 분자의 내부 및 / 또는 병진 모드로 변환하기위한 유동 마이크로파 플라즈마 기반의 방법론이 논의된다. 유동 플라즈마 반응기의 장점은 연속 화학 공정이 초 단위의 시동 시간의 유연성으로 구동 될 수 있다는 것입니다. 플라즈마 접근법은 일반적으로 CO 2 , N 2 및 CH 4 와 같은 안정한 분자의 전환 / 활성화에 일반적으로 적합합니다. CO 2 를 CO로 환원시키는 것은 모델 시스템으로 사용됩니다. 보완 진단은 기본 열역학적 평형 전환이 높은 진동 여기에서 본질적 비평 형에 의해 초과 될 수있는 방법을 보여줍니다. EFF의뿐만 아니라 내부 시츄 (진동) 여기에서 특성화 레이저 (레일리) 산란 반응기 온도를 측정하는 데 사용되며, 푸리에 변환 적외선 분광법 (FTIR)을 변형전환 및 선택성을 모니터링하기위한 구성 성분.

서론

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플라즈마 가스 온도 및 CO 2 변환을 측정하면서 종이는 최대 1 kW 급 흐르는 마이크로파 플라즈마에 대한 프로토콜을 설명한다.

기후 변화와 그로 인한 지속 가능성에 대한 인식은 재생 가능한 에너지의 세계적인 점유율의 꾸준한 증가를 이끌었습니다. 그러나 태양 및 풍력 에너지의 간헐적 인 특성은 에너지 시스템에 스트레스를 가중시키고 배치를 더 이상 증가시키지 못하게합니다. 저장 (화학 연료로 예를 들면,) (장기 및 단기) 및 변환 간헐성을 완화 및 교통 등 다른 분야에 지속 가능한 에너지를 사용할 수 있도록해야합니다. 반응기에서 생성 된 CO는 예를 들어 메탄 또는 액체 연료의 합성을위한 공급 원료 가스로 사용될 수있다. 이를 통해 발전소에 연료를 공급함으로써 재생 가능 에너지의 순간 생산량이 낮은 경우에도 전기를 생성 할 수 있습니다. 이 놀이터에서 생산되는 CO 2더 순 CO 2가 그것을 깨끗한주기하고, 분위기에 도입되지 않도록 국세청은 닫힌 루프를 형성한다.

스위칭 시간이 에너지 공급의 변동보다 작 으면 시스템은 간헐성 만 완화 할 수 있습니다. 현재의 구성에서, 기동 시간은 이상적인 브레이크 다운 조건에서 시작하여 최적의 변환 조건으로 조정할 필요성에 의해 결정됩니다. 원칙적으로 이것은 집중된 레이저 나 스파크와 같은 다른 수단으로 점화함으로써 극복 할 수 있습니다. 플라즈마 물리학 제한은 0.1ms 정도이다. 이것은 전형적인 대기 효과의 시간 척도보다 훨씬 짧습니다. 예를 들어 구름이 태양 전지 패널 배열 위로 이동하는 것과 같습니다. 지속 가능한 연료 생산 환경에서 현재 시스템을 실제 응용 프로그램으로 외삽하는 것은 여전히 ​​다소 어려운 일입니다. 이상적으로, 100-500kW의 일련의 마이크로 웨이브 원자로가 있으며, 각각은 태양 전지판 또는 풍력 터빈에 연결되어 있으며 개개의 Reactors 에너지 공급에 따라.

이 논문은 일반적으로 CO 2 , N 2 및 CH 4 와 같은 안정한 분자의 변환 / 활성화의 적용에 일반적으로 적합한 플라즈마 접근법을 논의한다. 여기서는 화학 연료 합성의 첫 번째 단계로 CO 2 가 CO로 환원되는 특정 사례를 통해 소개됩니다. 흐르는 마이크로파 플라즈마 리액터는 시작 시간이 짧고 저렴한 재료를 사용하여 만들 수 있으므로 간헐적 인 문제를 해결하는 데 적합합니다.

마이크로파 플라즈마에서, 자유 플라즈마 전자는 마이크로파의 진동 전기장과 함께 움직입니다. 이어서 에너지는 충돌을 통해 무거운 입자 (중성 및 이온화 된 가스 종)로 전달됩니다. 왜냐하면 그들의 큰 질량의 차이,이 반응기는 탄성 충돌에서 주로 효율적이다. 첫째, 이온화가 있습니다. 정상 상태에서, 이온화 ​​율은 본질적으로목회. 그러나, 표 1에 나타낸 바와 같이, 이온화 ​​에너지는 일반적으로 이온화를 통한 해리를 본질적으로 비효율적으로 만드는 해리 에너지보다 상당히 높다. 마찬가지로, 전자 충격 해리보다 10 내지 1eV의 에너지 임계 값을 포함하며 본질적으로 비효율적이다. 플라스마 위상이 여전히 분자 해리를 달성하는 효율적인 메커니즘 일 수있는 이유는 진동 모드 2 의 효율적인 여기입니다.

마이크로파 플라즈마 3 공통되는 몇 eV의 평균 전자 에너지에서, 진동 여진이 지배적 에너지 전달 경로이다. 비대칭 스트레치는 분자간 충돌을 통해 더 높은 레벨로 에너지를 신속하게 분배 할 수 있기 때문에 특히 중요합니다. 에너지 교환율은 온도에 따라 증가하고 더 큰 ΔE에 대해 감소하며, t진동 사다리에서의 비조직성과 두 개의 인접한 진동 모드에서의 작은 에너지 차이 4 . 높은 진동 수준의 상향 펌핑 (up-pumping)은 해리까지 모든 단계로 나아갈 수 있으며, 이는 에너지 효율적인 해리 반응을 일으 킵니다 5 .

CO 2의 높은 진동 펌핑은 궁극적으로 소위 트레 노 분배 (6)을 생산하는 열 평형에있는 것보다 더 높은 진동 모드는 더 많은 인구가있는 상황으로 이어집니다. 높은 진동 수준의 인구 과잉을 달성하기위한 조건은 진동 - 진동 (VV) 이완 속도가 진동 - 번역 (VT) 이완 속도보다 훨씬 높다는 것입니다. 이 CO 2의 비대칭 스트레치 모드의 경우입니다. VV 이완 속도는 가스 온도가 증가함에 따라 감소하지만 VT 속도는 증가합니다. VT 이완은 가스를 증가시키기 때문에온도가 상승하면 포지티브 피드백 메커니즘이 폭주하는 VT 이완을 일으켜보다 높은 진동 수준의 과잉 인구가 파괴 될 수 있습니다. 다시 말해서, 낮은 가스 온도는 비열 분포가 강하기 때문에 바람직하다.

사실상, 플라스마는 다른 종과 그들의 자유도에 대해 분명히 다른 온도를 나타낼 것이다. 몇 eV의 전형적인 전자 온도에서 진동 온도는 섭씨 수천도가 될 것이고 변환 (가스) 온도는 섭씨 1000도 아래로 유지 될 수 있습니다. 그러한 상황은 강한 비평 형 으로 표시되며 화학 반응에 유리한 것으로 인식되어왔다.

변환 가스 온도는 플라즈마가 화학 반응을 일으킬 수있는 에너지 효율에 매우 중요하기 때문에 정확하고 공간적으로 해결 된 진단이 필요합니다. 방출 분광학은 기준선입니다 플라즈마 물리학에서 온도를 추론하는 접근법. 예를 들어, 최적의 진단을 위해 불순물을 사용하여 회전 스펙트럼을 평가할 수 있습니다. 그러나 이것은 항상 시선 통합과 따라서 평균을 포함합니다. 현재의 논문에서 볼 수 있듯이 ~ 4,000 K까지의 높은 중앙 온도와 ~ 500 K의 벽으로 결정된 가장자리 온도를 감안할 때 온도 구배가 가파르게되어야합니다. 이러한 상황에서는 국소 측정이 매우 중요합니다.

현재 연구에서 레일리 산란 (Rayleigh Scattering)의 국소 밀도 측정은 이상 기체 법칙을 통해 온도를 추론하기 위해 압력 측정과 결합됩니다. 레일리 (Rayleigh) 산란 측정은 CO 2 분자의 결합 전자상의 광자의 탄성 산란이 검출되는 샘플 볼륨에 고전력 레이저를 집중시키는 것을 포함합니다. 가스 온도는 다음을 통해 레일리 신호의 강도와 관련이 있습니다.

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여기서 T 는 가스 온도, p 는 압력 게이지에 의해 측정 된 압력, I 는 측정 된 레일리 강도, dσ / dΩ (T) 는 레일리 단면적, C 는 교정 상수입니다. 교차 단면 dσ / dΩ (T) 는 종에 따라 다르므로 해리가 중요한 고온에서 보정 상수는 온도의 함수라는 것을 알 수 있습니다. 뜨거운 중심에서는 평형 전환 만이 일어나서 주어진 온도에 대한 화학 종 농도를 계산할 수 있다고 가정합니다. 이러한 방식으로, 하나의 수치 온도 (7)의 범위에 대해 측정 될 것으로 예상되는 레일리 강도를 계산하기 위해 사용되는 소정의 온도에 대한 유효 단면적을 계산할 수있다. 온도의 함수로서의이 유효 단면은 그림 1에 나와 있습니다 rong>.

플라스마 전환의 성능은 FTIR의 방법으로 정량화됩니다. 이는 플라즈마의 순 반응은 CO 2 환원 본 경우 가정한다 :

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이를 통해 단일 전환 계수 α를 사용할 수 있습니다. 이는 CO 부피 분율과 관련이 있습니다.

figure-introduction-2 ,

이는 FTIR 스펙트럼에서 CO 및 CO 2 의 스펙트럼 시그니처로부터 유추 된 농도로부터 따릅니다. 우리는 효과적인 레일리 횡단면이 FTIR에 의해 결정된 전체 환산 계수로부터 쉽게 추론 될 수 없다는 것을 주목합니다. 전반적인 변환은 중앙 반응기 온도에 의해 설정 될뿐만 아니라 가스 온도의 실제 반경 프로파일에서의 미묘한 차이로도 설정됩니다.

ove_content "> 본 논문은 마이크로 웨이브 플라즈마 화학 가스 변환의 특성 분석을 위해 제안 된 진단 체계를 상세히 설명하고 선택된 사례를 통해 교수진을 보여줍니다. 평가중인 원자로의 가스 유량, 압력 및 마이크로 웨이브 전력에 대한 전체 파라미터 스캔은 7 , 8 , 9 .

프로토콜

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참고 : 회로도 버전의 설치는 그림 2를 참조하십시오.

1. 마이크로 웨이브 플라즈마 실험 레이아웃

  1. 1 kW의 마그네트론을 수력 부하가 연결된 서큘 레이터에 연결하십시오.
  2. 도파관과 플라즈마의 임피던스 정합에 사용되는 3 스터브 튜너에 절연기를 연결하십시오.
  3. 애플리케이터를 3 스터브 튜너에 연결하고 도파관 끝 부분에 슬라이딩 단락을 추가하십시오.
  4. 애플리케이터의 구멍에 17mm 또는 27mm 내경의 석영 튜브를 놓습니다.
    참고 : 전자 레인지이 튜브에 포함 된 흐르는 CO 2 가스에 흡수된다.
  5. 석영 관을 KF 플랜지와 가스 유입구에 연결하여 진공 설정을 완료하십시오.
  6. 17mm 석영 관에는 KF-16을, 27mm 석영 관에는 KF-40을 사용하십시오. 접선 방향의 가스 입구를 사용하여 와류를 유도하여 뜨거운 플라즈마가 벽에 닿지 않도록하십시오.
  7. 코 넥크진공 펌프와 직렬로 스로틀 밸브; 이는 펌핑 속도를 효과적으로 조절하여 5mbar에서 대기압으로 압력을 변화시킬 수 있습니다.
  8. 스로틀 밸브와 병행하여 쇼트 컷 밸브를 연결하여 스로틀 밸브의 압력 설정을 잃지 않고 저압 (플라스마 점화를 촉진하는 데 필요)과 고압 사이를 전환합니다.
  9. 가스 흐름이 0.5와 10.0 SLM 사이에서 조절 될 수 있도록 가스 유입구에 매스 플로우 컨트롤러를 연결하십시오.
  10. 플라즈마를 시작하기 전에 마그네트론의 수냉을 켜십시오.
  11. 이러한 스트레이 마이크로파 방사선 주위 CO, H 2, NO X의 농도를 모니터링하기위한 가스 검출기를 모니터링하는 방사선 측정기와 같은 안전 장치를 활성화하십시오. 이러한 안전 시스템은 실험 중 필수적입니다.
  12. 소스의 전원 레벨을 수동으로 높이고 최대 전력으로 증가시켜 전원을 켜십시오.
  13. pl 조정반사 된 전력이 감소되는지 지속적으로 모니터링하면서 앞뒤로 약간 움직이면서 움직여보십시오. 반사 된 전력을 최소화하도록하십시오. 반사 된 전력이 최소화 될 때까지 3 스텁 튜너를 돌려 조정하십시오. 네트워크 분석기를 사용할 수있는 경우 Leinz 10에서 보고 한 절차를 따르십시오.
    참고 : 진공 및 마이크로 웨이브 시스템은 그림 3A 에 나와 있습니다.

2. Rayleigh Scattering 진단의 광학 레이아웃

  1. 532 nm Nd : YAG 레이저 빔을 거울을 사용하여 축 방향으로 설치하도록 정렬하십시오. 레이저는 펄스 당 10mHz의 반복 속도와 600mJ의 최대 출력을 가지고 있습니다.
  2. 반응기의 반대쪽 (입구와 출구)에 창문을 설치하십시오. 과도한 누광을 방지하기 위해 532 nm로 코팅 된 반사 방지 (AR) 창을 사용하십시오. 또는 외부 빔 덤프와 함께 Brewster 창을 사용하십시오.
  3. 스타트사용자 매뉴얼을 따라 레이저를 조사하십시오 ( 재료 표 참조).
  4. 저출력 전원 프로그램을 사용하여 레이저를 정렬하십시오. 광 출력이 생성되지 않도록 0 ​​μs의 Q 스위치 지연으로 시작하십시오. 그런 다음 광 출력이 보일 때까지 5 μs 간격으로 지연을 증가시킵니다.
  5. 빔이 너무 밝 으면 "적절한"밝기, 즉 빔 스폿이 여전히 보일 수있는 최저 전력을 얻기 위해 1 μs 단위로 내려갑니다.
  6. 진공 시스템의 레이저 빔 출입면에 두 번째 AR 코팅 창을 설치하여 외부 빔 덤프에 빔을 덤프하십시오. 또는 창 대신 진공 빔 덤프를 장착하십시오. 설정의 개략적 인 버전은 그림 2 에서 볼 수 있습니다.
    참고 : 창을 없앰으로써 플라즈마 방사 영역의 미광이 감소되며, 이는 검출 가능한 레일리 (Rayleigh) 산란 신호 수준을 달성하는 데 필수적입니다.
  7. 초점 거리가 2.4 인 렌즈를 놓습니다.레이저를 도파관의 중심에 초점을 맞추기 위해 입구 창 바로 앞에있는 빔 경로의 m. 장 초점 거리는 레일리 산란 콜렉션 영역에서의 미광을 감소시킵니다. 렌즈를 창에 최대한 가깝게 배치하여 입사 전력 밀도를 줄여 창문의 손상 임계 값 아래로 유지하십시오.
    참고 : 특히 레이저 초점에서 가스의 레이저 파괴를 방지하십시오. 레이저를 집속 한 후, 측정 할 압력 이상의 압력에서 반응기에 CO 2 를 흐르게한다. 레이저 파손이 관찰되지 않으면 종 농도가 훨씬 낮기 때문에 측정이 이루어지는 더 낮은 압력과 높은 온도에서 발생하지 않습니다. 시끄러운 소리가 청색과 함께 청취되면 레이저 출력을 낮추십시오.
  8. 입구 창에서의 산란으로 인한 플라즈마 방전 영역의 미광 수준을 추가로 줄이기 위해 진공관 안에 규칙적으로 간격을 둔 배플을 설치하십시오 11.
  9. 레이저 빔에 수직으로 광학 액세스를위한 직경 24mm의 구멍이있는 플런저를 준비하십시오. 제한된 구멍 크기는 심각한 마이크로파 방사 손실을 방지합니다.

3. 광학 설정 - 감지 분기

  1. 반응기에 수직 인 렌즈 (F = 100mm, 직경 51 mm)에 넣고도 3 (A)에 도시 된 바와 같이, 상기 플런저의 구멍을 통해 산란 광을 수집한다. 400 μm 직경의 광섬유에 빛을 집중시키고 렌즈 이미지에 위치시킵니다.
    참고 : 섬유는 입력 높이가 26.7 mm이고 길이가 40 m 인 59 개의 융합 실리카 섬유의 선형 배열에 배치됩니다.
  2. 광섬유를 사용하여 빛을 분광계로 안내합니다.
    참고 : 여기서 빛은 10μm까지 조정 가능한 너비의 입구 슬릿에 이미징됩니다. 집광 광학 기기의 배율은 약 2의 축 방향 탐지 범위를 초래합니다0 mm. 분광계는 일치하는 C 2 백조 방출을 걸러 내기 위해 사용됩니다. 실험자가 Rayleigh scattering에만 관심이 있다면, 적절한 bandpass filter가이 목적으로 사용될 수 있습니다. 이 경우 3.3 ~ 3.6 단계를 건너 뛸 수 있습니다. 스펙트럼 필터는 측정 된 광 강도를 레이저 펄스의 유무와 비교하여 모두 제거 할 수있어 광학 설정을 크게 단순화합니다. 모노 크로 메타가 제거 된 경우 스펙트럼 해상도가 필요한 톰슨 또는 라만 산란으로 측정을 확장 할 수 없습니다.
  3. 분산 된 빛을 스펙트럼으로 분석하기 위해 분광계 (내장형)를 사용하십시오.
    참고 : 그림 2 에서 볼 수 있듯이 분광계는 입구 슬릿, 스티어링 미러, 리트 로우 렌즈, 분산 격자, 이미지 인 텐시 파이어, 초점 렌즈 및 CCD 카메라로 구성됩니다.
  4. 분광계 내부에서 들어오는 빛을 리트 로우 렌즈에 반사시키는 거울을 afocal 거리 0.3 m 및 직경 80 mm.
    참고 : 분광계는 'Littrow'구성에 있습니다. 즉, 입사 및 회절 광이 그레이팅 법선과 동일한 각도를 갖는 것을 의미합니다. 결과적으로, 동일한 렌즈가 입사광 및 회절 광을 검출기로 평행하게하기 위해 사용된다.
  5. 회전 스테이지에서 회절 격자를 회전시켜 적절한 파장 범위로 조정합니다. Nd : YAG 레이저의 경우 일반적으로 524 ~ 540 nm입니다. 그레이팅은 11 x 11 cm 2 이고 1 차 회절에 최적화 된 1,200 mm -1 의 그루브 밀도를 가지고 있습니다. 이것은 0.027 nm / px의 분해능을 초래합니다. 도 3 B는 격자와 리트로 렌즈의 사진을 보여준다.
    참고 : 그레이팅은 고차원 결과로 여러 스폿을 묘사합니다. 1 차 최대 값 만 이미지 인 텐시 파이어에서 끝나도록하십시오.
  6. 2 개의 렌즈를 배치하여 이미지를 강화합니다.는 CCD 카메라에 ight (도 3 C).
  7. 미광 기여도를 정량화하십시오. 60mbar의 압력까지 펌핑하고 산란 된 강도를 측정하십시오. 압력을 줄이고 강도를 다시 측정하십시오. 더 이상 압력을 낮출 수 없을 때까지이 작업을 반복하십시오.
  8. 강도 대 압력을 플로팅 할 때 선형 관계가 있는지 확인하십시오. 선형 함수를 제로 압력으로 외삽합니다.
    참고 : 제로 압력에서 Rayleigh 산란이 발생할 수 없으므로 절편에서의 강도는 미광 레벨입니다. 이 절차의 결과는 그림 4에 나와 있습니다.
  9. 이미지 인 텐시 파이어의 게이팅 매개 변수를 조정하여 CCD로 기록 된 강도를 최적화하십시오. 이전에 잘 시작한 게이트 펄스로 시작하여 전체 레이저 펄스가 캡처되도록 레이저 펄스 이후에 끝납니다.
  10. 빛이 비행 시간 지연을 고려해야하기 때문에 빛의 시간 지연을 고려하십시오.o 전체 광학 설정을 통해 이동합니다. 강도가 감소하지 않도록하면서 지연을 줄이십시오.
    참고 : 30 ns의 시간 창은 9 ns 펄스에 적합하다는 것이 확인되었습니다. 게인을 높이려면 멀티 채널 플레이트 전압을 최대 전압 (여기서는 850V)으로 높이십시오. CCD 카메라가 과다 노출되면 더 작은 다중 채널 플레이트 전압을 선택할 수 있습니다.

4. FTIR 분광계

  1. 플라즈마의 하류에있는 가스 배출구에 FTIR 분광기를 놓고 CO 생성 속도를 측정합니다. 기체가 화학 평형 상태에 있도록 원자로에서 충분히 멀리 분광기를 놓습니다. 설명 된 설정에서, 플라즈마로부터의 거리는 2m였다.
  2. 진공 시스템과 직렬로 연결된 입구 및 출구 벨 로즈가있는 FTIR 분광계의 샘플 구획에 셀을 넣습니다. 이것은 그림 5에 개략적으로 표시됩니다.
  3. 셀의 각면에 CaF 2 창 장착IR- 빔이 가스를 프로빙 할 수있게한다.
  4. 신호 강도가 가능한 한 최대에 가까울 때까지 신호 게인을 변경하십시오 (초과하지는 않음). 최대 허용 강도는 장치마다 다를 수 있습니다.
  5. 'interferogram'미리보기를 클릭하십시오. 이제 중앙에 높은 피크가 있고 어깨에 강도가 낮은 인터페로 그램이 보입니다.
  6. 측정을 시작하기 전에 진공 (<0.1 mbar)에서 배경을 측정하십시오. 이렇게하려면 원자로가 진공 상태에 있고 가스 흐름이 없는지 확인하십시오. '신호 레벨 모니터'창에서 '배경'을 클릭하여 배경을 녹화하십시오.
  7. 플라즈마가 점화 될 때까지 전원을 최대로 올려 전자 레인지를 켜십시오. 플라즈마 점화에 사용되는 압력은 ~ 1mbar입니다.
  8. 2,400에서 2,000 cm -1 범위의 스펙트럼을 기록하십시오. 여기에는 CO 및 주요 CO 2 밴드가 포함됩니다.
  9. 노이즈를 줄이기 위해 평균 스펙트럼; 값 100, 평균은이 실험에서 사용되었다. HITRAN 데이터베이스를 사용하여 측정 된 CO 라인을 맞추십시오 12 .
    참고 :이 결과는 CO 볼륨 분수입니다. 압력이 측정되고 총 매개 변수 밀도를 찾기위한 입력 매개 변수로 사용됩니다. 온도는 실온으로 가정되며 스펙트럼의 진동 피크의 분포에 의해 정당화됩니다.
  10. 현장 스펙트럼 측정 을 위해 그림 6 과 7 에서 묘사 된 것처럼 반응기를 시료 구획 내에 배치하십시오.
  11. 방사형 측정을 가능하게하려면 석영 튜브 대신 사파이어로 전환하십시오. 사파이어는 IR- 빛을 1,800 cm -1 까지 투과시킵니다.
  12. in-situ 측정의 경우 플라즈마의 변동을 평균화하기 위해 평균 100 이상의 높은 평균값을 사용하십시오.
  13. 미려한 마이크로파 방사선을 줄이기 위해 마이크로 웨이브 흡수재로 구획 벽을 장식하십시오 ( Eccosorb OCF 가 여기에 사용되었습니다).).
  14. 인터페로 그램이 플라즈마에 의한 추가 IR 방출의 결과로 포화되지 않도록주의하십시오. 이 경우 검출기의 DC 오프셋을 변경하십시오. 사파이어 (13)의 온도 의존성 흡수 스펙트럼의 결과를 수정한다.
  15. IR 카메라를 사용하여 온도를 측정하는 경우 사파이어가 투명하지 않은 범위, 즉 6μm 이상인 범위에서 민감한 카메라를 사용하여 플라즈마가 아닌 튜브 온도가 측정됩니다.
    참고 : 온도의 함수로서 사파이어의 흡수에 대한 권장 값은 14 에서 찾을 수 있습니다.

결과

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

이 절에서는 흐르는 플라즈마 반응기에 대한 대표적인 결과를 제시한다. CO- 전환은 약 2.2 eV / 분자까지 비 에너지에 따라 선형 적으로 증가하는 것으로 나타났다. 에너지 효율 η 는 다음과 같이 계산됩니다.

figure-results-1

여기서 α는 입력 전력의 측정 변환 Q 분자 가스 유량은 ΔE = 2.7 eV의 순 해리 에너지 및 P이다. (다음 단락에서 설명 된) 측정 된 변환을 이용함으로써 압력과 힘의 다양하고도 8 A 및도 8b에서 13 SLM의 일정한 유속 플롯 플라즈마 반응기의 에너지 효율을 찾을 수있다. 플라스마 pr49 %의 에너지 효율로 CO 2 를 CO로 전환 할 수 있으며, 이는 최대의 열역학적 효율과 유사합니다 5 . 여기에보고 된 효율은 열분해 정도에 가깝지만 비평 형 플라즈마가 측정 된 병진 온도에서 평형 상태보다 높은 CO 부피 분율을 생성 할 수 있음을 증명합니다. 열분해보다 큰 이점은 반응을 전환 할 수 있다는 것입니다 변동하는 전력 생산을 완화하는 데 필요한 몇 초 내에 켜기 또는 끄기. 또한, 전자 에너지 분포 함수 (EEDF)를 맞춤으로써 효율성을 더욱 높일 수있는 잠재력이있다.

이제 배기 가스에 대한 결과에 초점을 맞 춥니 다. CO 농도는 IR 흡수 분광법으로 측정됩니다. 도 9A 및 9B 에는 대표적인 스펙트럼이 도시되어있다. 적합은 결과를 얻는다.m은 299.36K이고 전환율은 14.7 %이다. 측정 된 데이터 (파란색)는 적합 데이터 (녹색)와 비교됩니다. 배기 가스의 온도가 실내 온도에 가깝기 때문에 온도를 고정 절차로 고정 된 매개 변수로 두는 것이 가능합니다. 다음 으로 현장 측정에 대해 논의합니다. Rayleigh 광 강도를 해석 할 때 반응 생성물 인 CO, O 및 O 2 의 Rayleigh 단면이 CO 2 15 , 16 의 Rayleigh 단면과 상당히 다르다는 점을 고려해야합니다. 이 문제는 샘플 볼륨 구성 정보를 사용할 수있는 경우에만 해결할 수 있습니다. 라만 스펙트럼을 기록 할 수 있다면, CO 분자의 라만 스펙트럼을 모니터하여 제품의 국부적 인 밀도를 추정하는 것이 좋습니다. 편광기는이 경우에 미광, Thomson 및 Rayleigh 산란을 제거하고 Rotat의 강도를 감소시키는 데 사용될 수 있습니다이온 라만은 단지 3/7 17의 빛에 의해 산란된다. Rayleigh 피크가 충분히 감소되지 않아 라만 스펙트럼을 측정 할 수없는 경우 평형 변환을 기준으로 변환을 추정 할 수 있습니다 (참조 7 , 20 참조). 이것은 비평 형 조건으로 인한 향상된 생산을 무시하지만 가스 온도는이 단순화를 정당화 할만큼 충분히 높습니다. 그림 10 에는 레일리 단면이 다른 온도 데이터가 나와 있습니다. 플라즈마에 대한 어떠한 최적화도없이 플라즈마 중심의 가스는 최대 5,000K의 온도에 도달 할 수 있음이 밝혀졌다. Ar 플라즈마에서 톰슨 산란과 여기 된 종으로부터의 산란은 온도가 오더 10,000 K 18 , 19 , 20 의신뢰할 수없는 온도 측정. Rayleigh와 Thomson 산란에 대한 미분 단면의 값이 각각 0.148 × 10 -30 m 2 와 7.94 × 10 -30 m 2 일 때, Thomson 기여도가 1 인 경우 이온화 정도는 1.9 × 10-4 일 필요합니다 %. 이것은 플라즈마 (Fridman 5 , p294)에 존재할 것으로 예측되는 이온화 정도가 1 · 10 -6 내지 8 · 10 -5 보다 훨씬 높다.

in - situ FTIR 측정은 안정적인 경로 통합 측정을 보장하는 균일 한 플라즈마를 만들기 위해 2.0 slm의 유량과 5 mbar의 상당히 낮은 압력에서 이루어졌습니다. 이것은 또한 플라즈마 자체가 벽에 닿아 가열된다는 것을 의미합니다. 벽이 너무 뜨거워지는 것을 막기 위해 전력이 30W로 줄어 듭니다.이 낮은 전력 및 압력에서 CO 생산량은 무시할 만하지만 현장FTIR은 여전히 CO 2 플라즈마의 역학에 관련된 통찰력을 제공합니다. 스펙트럼은 0.125 cm -1 의 해상도로 기록되었다. 이 스펙트럼은 HITRAN 12 의 애플리케이션 프로그래밍 인터페이스 인 HAPI를 기반으로 한 모델에 적합합니다. 코드는 다른 진동 정상 모드에 대해 별도의 온도를 포함하도록 수정되었습니다. 페르미 공진이 두 정상 모드 사이의 빠른 이완을 보장하기 때문에 단일 온도 T 12 가 대칭 스트레치 및 굽힘 모드 모두에 사용되었습니다.

적합 결과는 그림 11 과 같이 T = 700 K, T 12 = 1,250 K 및 T 3 = 1,500 K입니다. 장착 된 압력은 10mbar였다. 이 과대 평가는 압력 확장 상수에 대한 과소 평가 된 온도 계수를 보완 할 수 있습니다. Rayleigh 산란으로 발견 된 가스 온도는FTIR 스펙트럼은 라인 통합이지만 Rayleigh 산란은 국부적 인 온도를 측정하기 때문에 FTIR과 함께 발견됩니다.

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그림 1 : 레일리 단면의 온도 의존성
반응 생성물에 대한 다른 단면에서 유래 한 레일리 단면적. 열 평형에서의 전환은 상대 종 몰 분율을 계산하는 것으로 가정합니다. 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭하십시오.

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그림 2 : 레일리 측정을위한 광학 설정
렌즈 focu석영 관 센터에 레이저 광을 보낸다. 도파관은 레이저 초점에 위치한 플라즈마에 마이크로파를 발사합니다. 플런저의 구멍은 레이저 코드에 대한 광학 액세스를 제공합니다. 분광계는 (1) 입구 슬릿, (2) 스티어링 미러, (3) Littrow 렌즈, (4) 분산 격자, (5) 이미지 인 텐시 파이어, (6) 및 (7) 초점 렌즈, ) CCD 카메라. 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭하십시오.

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그림 3 : 설정 그림
( A ) 전자 렌지 애플리케이터 및 광섬유를 포함한 진공 장치 그림. ( B ) Littrow 렌즈와 회절 격자 visibl과 함께 분광계 내부 사진 이자형. ( C ) 강화 된 빛을 CCD 카메라로 이미지화하는 데 사용 된 렌즈 시스템의 그림. 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭하십시오.

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그림 4 : 압력의 함수로서 측정 된 강도
시간의 다른 지점에 대한 압력의 함수로 측정 된 레일리 산란. 파란색 실선은 데이터의 선형 적합성을 나타냅니다. 오차 막대는 압력 게이지의 절대 오차를 나타냅니다. 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭하십시오.

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그림 5 : FTIR 가스 배출 분석 설정의 개략도
가스 셀은 FTIR 분광계의 샘플 격실에 놓입니다. 셀은 배기 가스와 직렬로 연결되어 가스가 가스와 함께 흐릅니다. 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭하십시오.

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그림 6 : 현장 FTIR 설정
현장 FTIR 설정의 개략적 인 그림. 유동관이 수직이고 가스가 아래에서 위로 흐릅니다. 튜브가 FTIR 빔의 초점에 있습니다. 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭하십시오.이 그림의.

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그림 7 : 현장 FTIR 설정 사진
FTIR- 분광계의 샘플 구획에서 도파관의 측면 ( A ) 및 상단 ( B )도. 도파관 상단의 벨로우즈는 진공 펌프에 연결되어 있으며 반응기의 배출구 역할을합니다. 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭하십시오.

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도표 8 : 대표적인 에너지 효율 및 변환 효율
그래프 ( A )에서, 에너지 효율 fo전형적인 플라즈마는 127 내지 279 mbar 범위의 압력에서인가 된 마이크로파 전력의 함수로서 도시된다. 그래프 ( B )에는 변환 효율이 묘사되어있다. 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭하십시오.

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그림 9 : CO의 대표 적외선 (IR) 흡수 스펙트럼
그래프 ( A )는 가스 배출 (파란색 점)의 측정 된 IR 흡수 스펙트럼을 보여줍니다. 녹색 실선은 데이터에 대한 최소 제곱합을 나타냅니다. 적합 결과는 T = 299.36 K 및 α = 14.7 %입니다. 확대 된 사진이 ( B )에 표시됩니다. 대형을 보려면 여기를 클릭하십시오.이 그림의 r 버전.

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그림 10 : 측정 된 가스 온도
이 그래프에서, 레일리 산란에 의해 측정 된 플라즈마 중심의 가스 온도는 상이한 압력에 대한 에너지 입력의 함수로서 도시된다. 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭하십시오.

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그림 11 : 플라즈마 방전의 원위치 IR 흡수 스펙트럼
그래프 ( A )는 측정 된 CO 2 방출의 IR 흡수 스펙트럼을 나타낸다. 파란 선은 th에 가장 잘 어울립니다.T = 700 K, T 12 = 1,250 K 및 T 3 = 1,500 K 인 e 데이터 (녹색 점)를 나타냅니다. 빨간색 선은 적합도의 잔여를 나타냅니다. 확대 된 사진은 ( B )에서 볼 수 있습니다. 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭하십시오.

이온화 분리
전자 전자
CO 2 13.77 5.52
콜로라도 주 14.01 11.16
O 2 12.07 5.17
N 2 15.58 9.8
CH 4 12.51 4.54
CH 3 9.84 4.82
CH 2 10.4 4.37
CH 10.64 3.51
H 2 15.43 4.52

표 1 : 일반 종 및 제품의 이온화 및 해리 에너지.

토론

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

화학 산업의 전기 화 및 재생 가능 에너지의 간헐성 완화를 위해 연속 흐름 원자로가 지속 가능한 시스템에서 화학을 촉진시키는 데 필요합니다. 연속 흐름 반응기는 화학 산업 21 혁명에서 중요한 역할을 할 것으로 인식되어왔다. 구체적으로는, 상기 플라즈마 반응기는 그 단순함, 소형화 및 저가격 22-2 중립 연료 인해 CO의 생산 화학 공장에 시중 매력적인 대안으로 확인되었다. 플라즈마 기술의 광범위한 코로나 24, 25, 26, 나노초 펄스 방전이 27 마이크로 중공 캐소드 방전 (28)를 배출 microplasmas 포함 CO 2 (23)의 분리를 위해 제안되어왔다유전체 배리어 방전 ( 30 , 31 , 32 , 33) , 글라이딩 아크 ( 34 , 35 ) 및 마이크로파 플라즈마 ( 37 , 38)를 포함한다 . 이처럼 다양한 기술 중에서 마이크로파 플라즈마와 활공 아크는 kW 범위에서 가장 높은 전력으로 작동되어 활공 아크의 경우 40 %, 마이크로 웨이브 방전의 경우 60-80 %의 효율을 보였습니다. 마이크로 웨이브 플라즈마와 활주 아크 반응기는 모두 실용적인 용도로 예상되는 ~ 100kW까지 스케일을 조정하는 데 필요한 높은 전력으로 작동 할 수 있습니다. 마이크로파 플라즈마의 동작은 2 해리 공동 한정되지 않고, 또한 개질 메탄과 질소 고정을 위해 사용될 수있다. 극초단파 반응기의 가장 큰 단점은 저 프레최적의 조건에서 확실하게 (100 mbar), 최대 가스 처리량을 제한합니다.

설명 된 절차는 CO 2로 입증되었다 있지만 CH 4, N 2 등 안정한 분자의 활성화를 변경없이 사용할 수있다. 이러한 경우의 대부분에서 NH 3 , NO x , C 2 H 2 , C 2 H 4 등과 같이 예상되는 생성물에 상응하는 다른 IR- 대역을 측정 할 필요가있다 . 메탄 플라스마의 작동은 매연 의 반응 생성물이 벽에 증착되어 마이크로 웨이브를 흡수하여 효과적으로 플라즈마를 소멸시킨다. 진동 펌핑 CO 2 높기 때문에 VT 전송률의 메탄보다 훨씬 덜 효과적이지만, 플라즈마 촉매 그럼에도 메탄 유리할 수있다 (Fridman 5, p.688)

정확한 Rayleigh 산란 측정은그을음 입자에 대한 Mie 산란의 결과로서 높은 미광 기여로 인해, 그을음 - 형성 플라즈마 (soot-forming plasma). Rayleigh 측정을 복잡하게 만들지 만, 39 대신 그을음 입자의 밀도를 정량화하는 데 사용할 수 있습니다. 라만 산란은 미광 및 (라만) 산란광 성분을 스펙트럼 적으로 구별 할 수 있으므로이 환경에서 온도를 측정하기위한 매력적인 대안을 제공 할 수 있습니다. 라만 산란의 통합 시간은 ~ 20 분 정도이므로 플라즈마의 변동이 평균화됩니다. 시스템의 가열과 같은 장기 영향 만이 반응기의 압력을 약간 증가시키기 때문에 측정에 영향을 줄 수 있습니다.

미광과 Rayleigh 산란광 사이의 큰 스펙트럼 겹침 때문에, (그을음이없는 경우에도) 미광 억제의 중요성은 과장 될 수 없습니다. 미광은 적절히 감소 될 수 있습니다.배플을 놓고, 레이저의 초점 거리를 늘리고 길이를 설정하고 튜브 지름을 늘려야합니다. 진공 빔 덤프를 사용하면 출구 창을 없애기 때문에 미광 레벨을 추가로 줄일 수 있습니다. 또는 Brewster 창을 사용할 수도 있습니다. 앞에서 설명한 것처럼, 레일리 교차 단면을 적절히 고려하기 위해서는 조성에 대한 지식이 필요합니다 (측정 또는 시뮬레이션).

흐르는 마이크로파 플라즈마는 최대 50 %의 에너지 효율, 빠른 스위칭의 유연성 및 저렴한 재료만을 사용하여 화학을 유도 할 수있는 실용적인 방법으로 입증되었습니다. 그러나 중앙에 기록 된 온도는 높은 진동 과잉에 유리한 온도보다 훨씬 높습니다. 온도를 낮춤으로써 더욱 높은 에너지 효율성을 달성 할 수 있습니다. 전력을 낮추면 ( 예 : 200W로) 반응기를 추가로 최적화하지 않고 가스 온도를 낮추지 만,또한 효율성을 낮 춥니 다.

온도를 낮추는 다른 두 가지 방법이 여기에 제안됩니다. 첫 번째 방법은 마이크로파 전력을 펄스하는 것입니다. 전형적인 VT- 완화 시간보다 짧은 펄스로 전력을인가함으로써, 가스는 펄스들 사이에서 냉각 될 수 있고 결과적으로 VT- 이완에서 손실되는 전력이 줄어든다. 이것은 차례로 효율적인 해리를 촉진시키는 진동 펌핑에 더 많은 전력이 투자된다는 것을 의미합니다. VT 완화 시간은 상온에서 70 μs이고 펄스 ON 시간의 상한선으로 작용하는 100 mbar 40 입니다. 펄스 변환은 주 변환 경로가 비평 형 변환 인 플라즈마 정권에서만 효율을 증가시킬 수 있습니다. 효율성을 높이기 위해 두 번째 방법은 EEDF 8 맞게 알칼리 불순물을 추가하는 것입니다. EEDF, 특히 전자 온도를 제어함으로써, 전자는 분자 진동에보다 효과적으로 에너지를 전달할 수있다.다시 고효율 반응에 필수적인 높은 진동 수준의 촉진을 가져온다.

공개 사항

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

저자는 경쟁적인 금전적 이해 관계가 없다고 선언합니다.

감사의 글

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

이 연구는 Shell, FOM (Fundamental Research on Matter) 및 네덜란드 과학 연구기구 (NWO)가 지원하는 'CO 2 - 중성 연료'라는 호에 의해 지원되었습니다. 저자들은 실험실 공간과 일반적인 관대 한 지원을 사용할 수있게 해주신 Eddie van Veldhuizen, Ana Sobota 및 Sander Nijdam에게 감사드립니다.

재료

이 논문에 사용된 재료 목록
이름회사카탈로그 번호댓글
1kW 마그네트론MueggeMW-GIRYJ1540-1K2-08
순환기Philips2722 163 02101
3-stub 튜너IBF-전자WR340PTUN3AC174A
어플리케이터 슬라이딩 짧은수제
17mm ID / 20mm OD 석영관Saillart사용자 정의
27mm ID / 30mm OD 석영 튜브Saillart사용자 정의
18mm ID / 20mm OD 사파이어 튜브정밀 사파이어 기술사용자 정의
KF-진공 플랜지Hositrad
질량 유량 컨트롤러Tylan/BrooksFC-2901V-4V
MFC 제어 장치MKSPR-3000
압력 게이지EdwardsASG-2000
진공 펌프EdwardsE2M18
Nd:YAG laserContinuumPowerlite DLS 8000
AR-coated windowEksma Optics210-1202E + 3025-i0 (coating)
Diffraction gratingJobin Yvon520-25-120
Image IntensifierKatodEPM102G-04-22S
Intensifier power 소스: 수제
분광계 렌즈 1: Nikon135mm f / 2 DC
분광계 렌즈 2: NikonAF-S : 85mm f / 1.8g
CCD 카메라연합군 광학: Manta G-145B
FTIR - 분광계 (배기): Varian / AgilentCary 670
FTIR - 분광계 (현장)BrukerVertex 80v
CaF2 창크리스트란CAFP25-2U
물 부하가 있는

참고문헌

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