Неравновесная микроволновая плазма для эффективной высокотемпературной химии

Общая цель данного эксперимента заключается в конверсии или активации стабильных молекул, таких как диоксид углерода, азот, метан или вода, с помощью микроволнового плазменного реактора. Данный метод может быть использован для измерения энергии и конверсионной эффективности микроволнового плазменного реактора. Эти измерения позволяют оптимизировать условия работы реактора и повысить его эффективность.

Основным преимуществом проточного плазменного реактора является то, что время запуска для проведения непрерывных химических процессов составляет всего несколько секунд. Тепловое равновесие микрореактора обеспечивает эффективность выше термодинамического предела равновесия в 55%, что является максимальным показателем эффективности, достижимым при стандартной термической конверсии. Чтобы начать настройку системы микроволновой плазмы, подключите магнетрон мощностью 1 кВт к силовому изолятору с присоединенной водяной нагрузкой.

Подключите изолятор к трехштыревому тюнеру. Прикрепите микроволновый аппликатор к тюнеру, установите скользящий короткозамыкатель в сторону апертуры 24 millimeter в конце волновода. Вставьте трубку-шнур в аппликатор и подсоедините трубку к фланцам KF и вакуумным фланцам, а также к впуску газа ten gentle.

Подключите к трубке дроссельный клапан, соединенный последовательно с вакуумным насосом. Параллельно дроссельному клапану установите перепускной клапан для переключения между низким и высоким давлением. Перепускной клапан можно использовать для создания низкого давления при зажигании плазмы без изменения настроек дросселя.

Подключите источник диоксида углерода к газовому вводу через контроллер массового расхода. Затем включите систему водяного охлаждения магнетрона. Убедитесь, что датчик радиации и газоанализатор расположены вокруг установки микроволновой плазмы.

Убедитесь, что условия в реакторе подходят для зажигания плазмы, затем вручную увеличивайте мощность источника до момента зажигания плазмы. Отрегулируйте трехштыревой согласующий контур для минимизации отраженной мощности. После этого выключите плазму.

Затем установите лазер с длиной волны 532 нанометра так, чтобы луч был направлен вдоль трубки шнура. На входе и выходе из трубки установите окна Брюстера или антирефлекторные окна с покрытием для 532 нанометров. Выровняйте лазер и соорудите поглотитель пучка в конце вакуумной установки.

Сфокусируйте лазер в центре волновода, затем создайте в реакторе избыточное давление газа CO2, превышающее давление, которое будет использоваться при измерении. При возникновении лазерного пробоя снизьте мощность лазера. Установите перегородки в вакуумные трубки, закрепите линзу на одной линии с апертурой 24 мм в подвижном зажиме и сфокусируйте собранный свет на оптическом волокне диаметром 400 мкм.

Используйте волокно для направления света на входную щель специализированного спектрометра и измерьте интенсивность рассеянного света. Повторите измерение при серии понижающихся значений давления и убедитесь, что зависимость интенсивности от давления является линейной. Настройте спектрометр таким образом, чтобы максимизировать измеряемую интенсивность.

Подключите кювету последовательно к системе отвода газов и установите окна из фторида кальция на обоих концах кюветы. Поместите кювету в измерительную камеру ИК-фурье-спектрометра так, чтобы окна из фторида кальция находились на пути ИК-луча. Используйте трубку достаточной длины, чтобы обеспечить химическое равновесие газа в кювете.

Отрегулируйте усиление сигнала ИК-фурье-спектрометра так, чтобы интенсивность была максимально близка к предельному значению, не превышая его. Просмотрите интерферограмму, затем перекройте подачу газа и откачайте воздух из кюветы. Снимите фоновый спектр.

Затем создайте в системе давление газа CO2 примерно 1 мбар и зажгите плазму. Снимите спектр в диапазоне от 2 400 до 2 000 см⁻¹, используя 10 усреднений. Определите объемную долю монооксида углерода, используя базу данных HITRAN для аппроксимации измеренных линий CL.

При аппроксимации спектров следите за тем, чтобы инструментальная функция применялась к спектру пропускания, а не к спектру поглощения. При расчете давления CO, учитывая уширение за счет CO2, использование только собственного уширения может привести к ошибкам до 20%. Для проведения измерений NC2 методом ИК-фурье-спектроскопии установите сапфировую трубку в волновод с вертикально ориентированной вакуумной системой. Расположите ИК-фурье-спектрометр таким образом, чтобы волновод находился в камере образца, и обложите стенки камеры микроволнопоглощающим материалом.

Настройте ИК-фурье-спектрометр так, чтобы использовать не менее 100 усреднений для уменьшения влияния флуктуаций плазмы. Снимите спектры в диапазоне от 2 400 до 1 800 обратных сантиметров. Перед анализом скорректируйте спектры с учетом температурно-зависимого поглощения сапфира.

Было обнаружено, что конверсия CO увеличивается линейно с ростом подводимой мощности в диапазоне давлений при фиксированном расходе 14 SLM. Линейная зависимость ослабевала при более высоких давлениях; было установлено, что плазма конвертирует CO2 в CO с энергоэффективностью до 49%, что сопоставимо с максимальным термодинамическим КПД. Конверсия CO линейно возрастала с увеличением удельной энергии примерно до 2.2 электрон вольт на молекулу.

Концентрация CO была измерена методом ИК-абсорбционной спектроскопии выхлопных газов. К данным FTIR был применен метод наименьших квадратов, в результате чего рассчитанная степень конверсии составила 14,7% при 299,36 Kelvin; температура газа в центре плазмы была определена по измерениям рэлеевского рассеяния NC2, проведенным при различных мощностях и давлениях. Эффект томсоновского рассеяния был признан незначительным на основании дифференциальных сечений рэлеевского и томсоновского рассеяния, а также прогнозируемой степени ионизации.

Измерения NC2 методом ИК-фурье-спектроскопии проводились в условиях, при которых выход CO был незначительным; полученные данные использовались для исследования динамики плазмы CO2. Для определения колебательных температур, соответствующих нормальным модам колебаний, была применена модель на основе интерфейса программирования высокого тренда. После просмотра этого видео вы должны получить четкое представление о принципах работы проточного микрореактора и методах анализа образовавшихся продуктов. Проточный плазменный реактор идеально подходит для переработки стабильных молекул.

Следуя данной процедуре, можно обрабатывать и другие газы, такие как вода, азот и метан. Для достижения действительно эффективного неравновесного преобразования температуру необходимо поддерживать на максимально низком уровне, чтобы предотвратить гашение колебательно возбужденных молекул.