Niet-evenwicht Magnetron Plasma voor efficiënte hoge temperatuur chemie

Het algemene doel van dit experiment is om stabiele moleculen zoals koolstofdioxide, stikstof, methaan of water om te zetten of te activeren met een microgolfplasmareactor. Deze methode kan worden gebruikt om de energie en de convergentie-efficiëntie van de microgolfplasmareactor te meten. Deze metingen kunnen worden gebruikt om de reactorcondities te optimaliseren en de efficiëntie te verbeteren.

Het belangrijkste voordeel van de plasma-stroomreactor is dat de opstarttijden voor het aansturen van continue chemische processen in de orde van seconden liggen. Het thermische evenwicht van de microreactor maakt rendementen mogelijk die boven de thermodynamische evenwichtsgrens van 55% liggen, wat het hoogste rendement is dat met standaard thermische conversie kan worden behaald. Om te beginnen met het opstellen van het microgolfplasmasysteem, verbindt u een magnetron van één kilowatt met een vermogensisolator voorzien van een waterlast.

Sluit de isolator aan op een three stub tuner. Bevestig een microgolf-applicator aan de tuner en plaats een sliding short in de richting van de 24 millimeter opening aan het uiteinde van de golfgeleider. Voer een koordbuis in de applicator in en verbind de buis met KF- en vacuümflenzen en een gasinlaat van tien gentle.

Sluit een regelklep in serie met een vacuumpomp aan op de buis. Sluit een bypassventiel parallel aan de regelklep aan om te kunnen schakelen tussen lage en hoge druk. Het bypassventiel kan worden gebruikt om naar lage druk te gaan voor plasma-ontsteking zonder de instelling van de regelklep te wijzigen.

Sluit de koolstofdioxidebron aan op de gasinlaat via een massaflowcontroller. Zet vervolgens het waterkoelingssysteem van de magnetron aan. Zorg ervoor dat de stralingsmonitor en de gasdetector rond de microwave-plasma-assemblage zijn geplaatst.

Controleer of de reactieomstandigheden geschikt zijn voor plasma-ontsteking en verhoog vervolgens handmatig het vermogensniveau van de bron totdat het plasma ontsteekt. Stel de three-stub tuner in om het gereflecteerde vermogen te minimaliseren. Schakel daarna het plasma uit.

Monteer vervolgens een 532 nanometer laser met de straal gericht langs de buis van het koord. Plaats Brewster-vensters of antireflectievensters, gecoat voor 532 nanometer, bij de ingang en uitgang van de buis. Lijn de laser uit en construeer de beam dump aan het uiteinde van de vacuümopstelling.

Focus de laser op het centrum van de golfgeleider en zet vervolgens de reactor onder druk met CO2-gas tot een hogere druk dan degene die tijdens de meting zal worden gebruikt. Als er laserdoorbraak optreedt, verlaag dan het laservermogen. Plaats schotten in de vacuümbuizen, monteer een lens in lijn met een opening van 24 millimeter in de schuifhouder en focus het opgevangen licht op een optische vezel met een diameter van 400 micrometer.

Gebruik de vezel om het licht naar de ingangsspleet van een op maat gemaakte spectrometer te leiden en meet de intensiteit van het verstrooide licht. Herhaal de meting over een reeks afnemende drukken en verifieer dat de relatie tussen druk en intensiteit lineair is. Stel de spectrometer af om de gemeten intensiteiten te maximaliseren.

Sluit de cel in serie aan op de gasuitlaat en monteer het calciumfluoridewinduit aan beide uiteinden van de cel. Plaats de cel in een monsterkamer van een FTIR-spectrometer, waarbij de calciumfluoridewindows in lijn met de IR-straal staan. Gebruik een voldoende lengte slang om ervoor te zorgen dat het gas in de cel in chemisch evenwicht is.

Stel de versterking van het FTIR-signaal in, totdat de intensiteit zo dicht mogelijk bij het maximum ligt zonder dit te overschrijden. Bekijk de interferogram-preview, zet vervolgens de gasstroom uit en vacümeer de cel. Neem een achtergrondspectrum op.

Zet vervolgens het systeem onder druk met CO2-gas tot ongeveer één millibar en ontsteek het plasma. Neem een spectrum op over een bereik van 2.400 tot 2.000 reciproke centimeters met gebruik van 10 gemiddelden. Bepaal de volumefractie van koolmonoxide door de HITRAN-database te gebruiken om de gemeten CL-lijnen te fitten.

Let bij het fitten van spectra erop dat de instrumentfunctie wordt toegepast op het transmissiespectrum en niet op het absorptiespectrum. Het meenemen van de drukverbreding van CO, inclusief CO2, waarbij alleen rekening wordt gehouden met zelfverbreding, kan leiden tot fouten tot wel 20%. Om NC2 FTIR-metingen uit te voeren, plaatst u een saffierbuis in een golfgeleider met een verticaal uitgelijnd vacuümsysteem. Positioneer een FTIR-spectrometer zodanig dat de golfgeleider in de monsterkamer past en bekleed de wanden van de kamer met microgolf-absorberend materiaal.

Stel de FTIR zo in dat er ten minste 100 gemiddelden worden gebruikt om fluctuaties in het plasma te beperken. Neem spectra op over een bereik van 2.400 tot 1.800 inverse centimeters. Corrigeer de spectra voor de temperatuurafhankelijke absorptie van saffier vóór de analyse.

Er werd vastgesteld dat de CO-conversie lineair toenam met het ingevoerde vermogen over een reeks drukken bij een vaste stroomsnelheid van 14 SLM. De lineaire relatie vlakte af bij hogere drukken; het plasma bleek CO2 om te zetten in CO met een energie-efficiëntie tot 49%, wat vergelijkbaar is met de maximale thermodynamische efficiëntie. De CO-conversie nam lineair toe met de specifieke energie tot ongeveer 2,2 elektronenvolt per molecuul.

De CO-concentratie werd gemeten via IR-absorptiespectroscopie van het uitlaatgas. Een methode van de kleinste kwadraten is toegepast op de FTIR-gegevens, wat resulteerde in een berekende conversie van 14,7% bij 299,36 Kelvin; de gastemperatuur van het plasmacentrum werd bepaald aan de hand van NC2 Rayleigh-verstrooiingsmetingen, uitgevoerd bij diverse vermogens en drukken. Het effect van Thomson-verstrooiing werd als verwaarloosbaar berekend op basis van de differentiële dwarsoordelen voor Rayleigh- en Thomson-verstrooiing en de voorspelde ionisatiegraad.

De NC2 FTIR-metingen werden uitgevoerd onder omstandigheden waarbij de CO-productie verwaarloosbaar was en werden opnieuw gebruikt om de CO2-plasmadynamica te onderzoeken; een model gebaseerd op de high trend implication programming interface werd toegepast om de vibrationele temperaturen overeenkomend met de vibrationele normaalmodi te bepalen. Na het bekijken van deze video zou u een goed inzicht hebben in het bedienen van een stromende microreactor en het analyseren van de gevormde producten. De stromende plasmareactor is ideaal voor de verwerking van stabiele moleculen.

Door deze procedure te volgen, kunnen andere gassen worden verwerkt, zoals water, stikstof en methaan. Voor een echt efficiënte, niet-equilibriumconversie moet de temperatuur zo laag mogelijk worden gehouden om quenching van vibrationeel aangeslagen moleculen te voorkomen.