Неравновесная микроволновая плазма для эффективной высокотемпературной химии

Общая цель этого эксперимента заключается в преобразовании или активации стабильных молекул, таких как углекислый газ, азот, метан или вода, с помощью микроволнового плазменного реактора. Этот метод может быть использован для измерения энергии и сходящейся эффективности микроволнового плазменного реактора. Эти измерения могут быть использованы для оптимизации условий реактора и повышения эффективности.

Основное преимущество плазменного реактора заключается в том, что время запуска непрерывных химических процессов измеряется секундами. Тепловая равновесная природа микрореактора позволяет достичь КПД выше предела термодинамического равновесия в 55%, что является самым высоким КПД, достижимым при стандартном термическом преобразовании. Чтобы начать настройку микроволновой плазменной системы, подключите магнетрон мощностью один киловатт к изолятору питания с подключенной водяной нагрузкой.

Подключите изолятор к трехразъемному тюнеру. Прикрепите к тюнеру микроволновый аппликатор, подогните скользящее короткое замыкание к 24-миллиметровому апертуре к торцу волновода. Вставьте трубку для шнура в аппликатор и подсоедините трубку к фланцам и вакуумным фланцам, а также к десятиугольному входу газа.

Подсоедините к трубке дроссельную заслонку последовательно с вакуумным насосом. Подсоедините укорачивающий клапан параллельно дроссельной заслонке для переключения между низким и высоким давлением. Укороченный клапан можно использовать для перехода к низкому давлению для плазменного зажигания без изменения настройки дроссельной заслонки.

Подключите источник углекислого газа к входу газа с помощью регулятора массового расхода. Затем включите магнетронную систему водяного охлаждения. Убедитесь, что радиационный монитор и детектор газа расположены вокруг микроволновой плазмы.

Убедитесь, что условия реактора подходят для воспламенения плазмы, затем вручную увеличивайте уровень мощности источника до тех пор, пока плазма не воспламенится. Отрегулируйте трехдисковый тюнер, чтобы свести к минимуму отраженную мощность. Затем выключите плазму.

Затем установите лазер с яркостью 532 нанометра так, чтобы луч был направлен вдоль трубки шнура. Монтируйте брюстер или антибликовые окна с покрытием 532 нанометра на входе и выходе трубки. Выровняйте лазер и постройте сброс луча в конце вакуумной установки.

Сфокусируйте лазер в центре волновода, затем нагнетайте давление в реактор с газообразным CO2 до более высокого давления, чем будет использоваться при измерении. Если произойдет пробой лазера, уменьшите мощность лазера. Установите перегородки в вакуумные трубки, установите линзу на одну линию с 24-миллиметровой апертурой в скользящем коротком окне и сфокусируйте собранный свет на оптическом волокне диаметром 400 микрометров.

С помощью волокна направьте свет на входную щель специального спектрометра и измерьте интенсивность рассеянного света. Повторите измерение для серии пониженных давлений и убедитесь, что зависимость интенсивности давления линейна. Отрегулируйте спектрометр так, чтобы максимизировать измеряемую интенсивность.

Соедините ячейку последовательно с газоотводной трубой и установите окно фторида кальция на обоих концах ячейки. Поместите ячейку в камеру для образцов ИК-Фурье спектрометра так, чтобы окна фторида кальция находились на одной линии с инфракрасным лучом. Используйте трубки достаточной длины, чтобы гарантировать, что газ в ячейке будет находиться в химическом равновесии.

Регулируйте усиление ИК-Фурье сигнала, пока интенсивность не станет максимально приближенной к максимальной, не превышая ее. Предварительно просмотрите интерферический грамм, затем выключите поток газа и опорожните ячейку. Получите фоновый спектр.

Затем нагнетьте давление в систему газообразным CO2 примерно до одного миллибар и зажгите плазму. Получите спектр в диапазоне от 2400 до 2000 обратных сантиметров, используя 10 средних значений. Определите объемную долю окиси углерода с помощью базы данных HITRAN для подгонки измеренных линий CL.

При подборе спектров следите за тем, чтобы функция прибора применялась к спектру пропускания, а не к спектру абсорбента. Включите давление CO, бролин по CO2, включая только саморасширение, которое может привести к ошибкам до 20%Для выполнения измерений NC2 FTIR установите сапфировую трубку в волновод с вертикально расположенной вакуумной системой. Расположите ИК-Фурье-спектрометр так, чтобы волновод закрепился в камере для образца, и покройте стенки камеры микроволновым абсорбирующим материалом.

Настройте ИК-Фурье диапазон таким образом, чтобы использовать не менее 100 средних значений для смягчения колебаний в плазме. Получите спектры в диапазоне от 2400 до 1800 стихообразных сантиметров. Перед анализом скорректируйте спектры для температурно-зависимого поглощения сапфира.

Было обнаружено, что преобразование CO линейно увеличивается с потребляемой мощностью в диапазоне давлений при фиксированном расходе 14 SLM. Линейная зависимость сужалась при более высоких давлениях, было обнаружено, что плазма преобразует CO2 в CO с энергоэффективностью до 49%, что сопоставимо с максимальной термодинамической эффективностью. Конверсия CO линейно увеличивалась с удельной энергией примерно до 2,2 электронвольт на молекулу.

Концентрацию СО измеряли методом ИК-абсорбционной спектроскопии выхлопных газов. К данным ИК-Фурье спектрометрии была применена аппроксимация методом наименьших квадратов, в результате чего при температуре 299,36 Кельвина была рассчитана 14,7%-ная температура, газовая температура плазменного центра, которая была определена на основе измерений рассеяния NC2 Рэлея, полученных при различных мощностях и давлениях. Эффект сбора Томсона был рассчитан как пренебрежимо малый на основе дифференциальных сечений для сбора Рэлея и Томсона и предсказанной степени ионизации.

Измерения NC2 FTIR были проведены в условиях, в которых производство CO было незначительным, и повторно использованы для исследования динамики плазмы CO2, модель, основанная на интерфейсе программирования с высоким трендом, была применена для определения вибрационных температур, соответствующих нормальным вибрационным модам. После просмотра этого видео у вас должно сложиться хорошее представление о том, как работать с проточным микрореактором и как анализировать продукты, которые образовались. Проточный плазменный реактор идеально подходит для обработки стабильных молекул.

Следуя этой процедуре, можно перерабатывать другие газы, такие как вода, азот и метан. Для действительно эффективного, неравновесного преобразования температура должна поддерживаться как можно ниже, чтобы предотвратить гашение молекул, возбуждаемых вибрацией.