Plasma de microondas sem equilíbrio para química de alta temperatura eficiente

O objetivo geral deste experimento é converter ou ativar moléculas estáveis, como dióxido de carbono, nitrogênio, metano ou água, com um reator de plasma de micro-ondas. Este método pode ser usado para medir a energia e a eficiência convergente do reator de plasma de micro-ondas. Essas medições podem ser usadas para otimizar as condições do reator e melhorar a eficiência.

A principal vantagem do reator de fluxo de plasma é que os tempos de inicialização para conduzir processos químicos contínuos estão na escala de tempo de segundos. A natureza de equilíbrio térmico do microrreator permite eficiências acima do limite de equilíbrio termodinâmico de 55%, que é a maior eficiência alcançável com a conversão térmica padrão. Para começar a configurar o sistema de plasma de micro-ondas, conecte um magnetron de um quilowatt a um isolador de energia com uma carga de água conectada.

Conecte o isolador a um sintonizador de três stubs. Conecte um aplicador de micro-ondas ao afinador, encaixe um deslizamento curto em direção à abertura de 24 milímetros até o final do guia de onda. Insira um tubo de cabo no aplicador e conecte o tubo a flanges kf e vácuo e uma entrada de gás suave de dez.

Conecte ao tubo, uma válvula borboleta em série com uma bomba de vácuo. Conecte uma válvula de atalho em paralelo à válvula do acelerador para alternar entre baixas e altas pressões. A válvula de atalho pode ser usada para ir para baixa pressão para ignição a plasma sem alterar a configuração do acelerador.

Conecte a fonte de dióxido de carbono à entrada de gás por meio de um controlador de fluxo de massa. Em seguida, ligue o sistema de resfriamento de água do magnetron. Certifique-se de que o monitor de radiação e o detector de gás estejam posicionados ao redor do conjunto de plasma de micro-ondas.

Verifique se as condições do reator são adequadas para a ignição do plasma e, em seguida, aumente manualmente o nível de potência da fonte até que o plasma acenda. Ajuste o sintonizador de três stub para minimizar a potência refletida. Em seguida, desligue o plasma.

Em seguida, monte um laser de 532 nanômetros com o feixe direcionado ao longo do tubo do cabo. Monte brewster ou janelas antirreflexo revestidas para 532 nanômetros na entrada e saída do tubo. Alinhe o laser e construa o despejo do feixe no final da configuração do vácuo.

Focalize o laser no centro do guia de onda e, em seguida, pressurize o reator com gás CO2 a uma pressão mais alta do que a que será usada na medição. Se ocorrer quebra do laser, diminua a potência do laser. Instale defletores nos tubos de vácuo, monte uma lente alinhada com uma abertura de 24 milímetros no curto deslizante e concentre a luz coletada em uma fibra óptica de 400 micrômetros de diâmetro.

Use a fibra para direcionar a luz para a fenda de entrada de um espectrômetro personalizado e medir a intensidade da luz espalhada. Repita a medição em uma série de pressões decrescentes e verifique se a relação entre a intensidade da pressão é linear. Ajuste o espectrômetro para maximizar as intensidades medidas.

Conecte a célula em série com o gás Colocar a célula numa câmara de amostra de um espectrómetro FTIR com as janelas de fluoreto de cálcio alinhadas com o feixe de infravermelhos. Use um comprimento suficiente de tubulação para garantir que o gás na célula esteja em equilíbrio químico.

Ajuste o ganho do sinal FTIR, até que a intensidade esteja o mais próxima possível do máximo sem excedê-lo. Visualize o grama interférico e, em seguida, desligue o fluxo de gás e evacue a célula. Adquira um espectro de fundo.

Em seguida, pressurize o sistema com gás CO2 a cerca de um milibar e acenda o plasma. Adquira um espectro em uma faixa de 2.400 a 2.000 centímetros recíprocos usando 10 médias. Determine a fração volumétrica de monóxido de carbono, usando o banco de dados HITRAN para ajustar as linhas CL medidas.

Ao ajustar os espectros, certifique-se de que a função do instrumento seja aplicada ao espectro de transmissão, não ao espectro absorvente. Incluir instância de pressão de CO, brolina por CO2, incluindo apenas o auto-alargamento pode resultar em erros de até 20%Para realizar medições NC2 FTIR, encaixe um tubo de safira em um guia de onda com um sistema de vácuo alinhado verticalmente. Posicione um espectrômetro FTIR de modo que o guia de onda se fixe na câmara de amostra e cubra as paredes da câmara com material absorvente de micro-ondas.

Defina o FTIR para usar pelo menos 100 médias para mitigar as flutuações no plasma. Adquira um espectro em uma faixa de 2.400 a 1.800 em centímetros versos. Corrigir os espectros da absorção da safira dependente da temperatura antes da análise.

Verificou-se que a conversão de CO aumenta linearmente com a entrada de energia em uma faixa de pressões a uma taxa de fluxo fixa de 14 SLM. A relação linear diminuiu em pressões mais altas, o plasma converteu CO2 em CO com uma eficiência energética de até 49%, o que é comparável à eficiência termodinâmica máxima. A conversão de CO aumentou linearmente com energia específica para cerca de 2,2 elétron-volts por molécula.

A concentração de CO foi medida por espectroscopia de absorção de infravermelho do gás de exaustão. Um ajuste de mínimos quadrados foi aplicado aos dados FTIR, resultando em uma conversão calculada de 14,7% a 299,36 Kelvin, a temperatura do gás do centro de plasma, foi determinada a partir das medições de espalhamento de NC2 Rayleigh, tomadas em várias potências e pressões. O efeito da coleta de Thomson foi calculado como insignificante com base nas seções de choque diferenciais para a coleta de Rayleigh e Thomson e no grau de ionização previsto.

As medições de FTIR NC2 foram feitas em condições em que a produção de CO era insignificante e reutilizadas para investigar a dinâmica do plasma de CO2, um modelo baseado na interface de programação de implicação de alta tendência, foi aplicado para determinar as temperaturas vibracionais correspondentes aos modos normais vibracionais. Depois de assistir a este vídeo, você deve ter uma boa compreensão de como operar um microrreator de fluxo e como analisar os produtos que foram formados. O reator de plasma de fluxo é ideal para processar moléculas estáveis.

Seguindo este procedimento, outros gases podem ser processados, como água, nitrogênio e metano. Para uma conversão verdadeiramente eficiente e fora do equilíbrio, a temperatura deve ser mantida o mais baixa possível, para evitar a extinção de moléculas excitadas vibracionalmente.