Waiting
Login processing...

Trial ends in Request Full Access Tell Your Colleague About Jove
JoVE Journal Chemistry
Click here for the English version

Chemistry

عدم التوازن الميكروويف الميكروويف للكفاءة عالية درجة الحرارة الكيمياء

Published: August 1, 2017 doi: 10.3791/55066
Automatic Translation
1, 1, 1, 1,2, 1, 1, 1,3, 1,3
1Dutch Institute for Fundamental Energy Research, 2University of Trento, 3Eindhoven University of Technology

Summary

توضح هذه المقالة مفاعل الميكروويف المتدفق الذي يستخدم لدفع كفاءة غير توازن الكيمياء لتطبيق تحويل / تفعيل الجزيئات مستقرة مثل كو 2 ، N 2 و تش 4 . والهدف من الإجراء الموصوف هنا هو قياس درجة حرارة الغاز في الموقع وتحويل الغاز.

Abstract

وتناقش منهجية البلازما الميكروويف المتدفقة القائمة على تحويل الطاقة الكهربائية إلى أنماط داخلية و / أو متعدية من جزيئات مستقرة بهدف كفاءة القيادة غير التوازن التوازن الكيمياء. ميزة مفاعل البلازما المتدفقة هي أن العمليات الكيميائية المستمرة يمكن أن تكون مدفوعة مع المرونة من أوقات بدء التشغيل في الجدول الزمني ثواني. النهج البلازما هي مناسبة بشكل عام لتحويل / تفعيل جزيئات مستقرة مثل CO 2، N 2 و CH 4. هنا يتم استخدام الحد من CO 2 إلى CO كنظام نموذج: التشخيص التكميلية لتوضيح كيفية تحويل التوازن الحرارية خط الأساس يمكن تجاوزها من قبل عدم التوازن لا يتجزأ من الإثارة الذبذبات العالية. يستخدم الليزر (رايلي) نثر لقياس درجة حرارة المفاعل وتحويل فورييه الطيف الأشعة تحت الحمراء (فتير) لتوصيف في الموقع الإثارة الداخلية (الاهتزازية) فضلا عن إفمن أجل رصد التحويل والانتقائية.

Introduction

وتصف هذه الورقة بروتوكول للبلازما الميكروويف المتدفقة تصل إلى 1 كيلو واط، في حين أن قياس درجة حرارة غاز البلازما وCO 2 التحويل.

وأدت الشواغل المتعلقة بتغير المناخ وما يترتب على ذلك من وعي بالاستدامة إلى نمو مطرد في الحصة العالمية من الطاقة المتجددة. ومع ذلك، فإن الطبيعة المتقطعة لأماكن الطاقة الشمسية وطاقة الرياح تشدد على نظام الطاقة وتمنع زيادة عمليات النشر. ويتطلب التخزين (طويل وقصير الأجل) والتحويل (على سبيل المثال ، إلى وقود كيميائي) للتخفيف من حدة الانقطاع وتوفير الطاقة المستدامة للقطاعات الأخرى مثل النقل. ويمكن استخدام ثاني أآسيد الكربون الذي يتم إنتاجه في المفاعل آغازات أولية لتوليف وقود الميثان أو السائل على سبيل المثال . وباستخدامها لمحطات توليد الوقود، يمكن توليد الكهرباء حتى عندما يكون الإنتاج الفوري للطاقة المتجددة منخفضا. كو 2 التي يتم إنتاجها في هذه بلاتشكل النت حلقة مغلقة بحيث لا يتم إدخال أي كو 2 صافي في الغلاف الجوي، مما يجعلها دورة نظيفة.

ويمكن للنظام أن يخفف من حدة التداخل فقط إذا كان زمن التحول أصغر من التقلبات في إمدادات الطاقة. في التكوين الحالي، يتم تحديد وقت بدء التشغيل من خلال الحاجة إلى البدء في ظل ظروف انهيار مثالية ومن ثم ضبط لظروف التحويل الأمثل. من حيث المبدأ، وهذا يمكن التغلب عليها الاشتعال مع وسائل أخرى مثل ليزر مركزة أو شرارة. حدود الفيزياء البلازما هي في حدود 0.1 مللي ثانية. هذا هو أقصر بكثير من الجدول الزمني من التأثيرات الجوية نموذجية، مثل على سبيل المثال، الغيوم تتحرك على لوحة مجموعة الشمسية. الاستقراء من النظام الحالي إلى تطبيق حقيقي في إعداد إنتاج الوقود المستدام لا يزال طلقة طويلة نوعا ما. من الناحية المثالية، سيكون هناك سلسلة من مفاعلات الميكروويف من 100-500 كيلوواط، كل متصلة بمجال الألواح الشمسية أو توربينات الرياح، مع التحول من ريا الفرديةكورتس وفقا لإمدادات الطاقة.

وتناقش هذه الورقة نهج البلازما، مناسبة عموما لتطبيق تحويل / تفعيل الجزيئات مستقرة مثل كو 2 ، N 2 و تش 4 . هنا، هو عرض من خلال مثال محدد للحد من CO 2 إلى CO كخطوة أولى في تخليق الوقود الكيميائي. مفاعل البلازما الميكروويف المتدفق هو مناسبة لحل المشاكل المتقطعة كما أن لديها أوقات بدء التشغيل منخفضة ويمكن بناؤها باستخدام مواد غير مكلفة.

في البلازما الميكروويف، تتحرك الإلكترونات البلازما الحرة مع المجال الكهربائي تتأرجح من أفران الميكروويف. ثم يتم نقل الطاقة إلى الجسيمات الثقيلة (أنواع الغاز المحايد والمؤين) عن طريق الاصطدامات. بسبب الفارق الكبير في الكتلة، وهذا المفاعل هو الكفاءة أساسا في في التصادمات المرنة. أولا، هناك التأين. في حالة مستقرة، يساوي معدل التأين أساسا الخسائر بسبب ريكومbination. ومع ذلك، كما هو مبين في الجدول 1 ، طاقات التأين بشكل عام أعلى بكثير من الطاقات التفكك، مما يجعل التفكك عن طريق التأين بطبيعتها غير فعالة. وبالمثل، ينطوي تفارق تأثير الإلكترون على عتبة طاقة تزيد عن 10 فولت 1 ، كما أنه غير فعال بطبيعته. والسبب في أن مرحلة البلازما يمكن أن يكون لا يزال آلية فعالة لتحقيق التفكك الجزيئي هو الإثارة كفاءة وسائط الذبذبات 2 .

في المتوسط ​​طاقات الإلكترون من بضعة فولت التي هي مشتركة لبلازما الميكروويف 3 ، الإثارة الذبذبات هي مسار نقل الطاقة المهيمنة. إن التمدد غير المتماثل مهم بشكل خاص لأنه يمكن توزيع الطاقة بسرعة بين المستويات العليا من خلال الاصطدامات بين الجزيئات. ويزداد سعر صرف الطاقة مع درجة الحرارة والنقصان بالنسبة إلى ΔE الأكبر حجما، وهو كبير بسبب to أنهارمونيتي في سلم الذبذبات والفرق الطاقة الصغيرة المرتبطة بها في اثنين من وسائط الاهتزاز المجاورة 4 . يمكن أن يصل ضخ أعلى مستويات الذبذبات يذهب كل وسيلة تصل إلى التفكك، مما يؤدي إلى رد فعل تفكك كفاءة في استخدام الطاقة 5 .

ضخ الذبذبات العالية في CO 2 يؤدي إلى الحالة التي يكون فيها وسائط الذبذبات العالية هي أكثر سكانا بكثير من أنها ستكون في التوازن الحراري، وتنتج في نهاية المطاف ما يسمى التوزيع ترينور 6. الشرط لتحقيق زيادة السكان في مستويات أعلى الذبذبات هو أن معدلات الاهتزاز الاهتزاز (فف) هي أعلى بكثير من معدلات الاهتزاز والترجمة (فت) الاسترخاء. وهذا هو الحال بالنسبة لوضع التمدد غير المتماثلة من كو 2 . انخفاض معدلات فف انخفاض مع زيادة درجة حرارة الغاز، في حين أن معدلات فت زيادة. منذ فت الاسترخاء يزيد من الغازودرجة الحرارة، وآلية ردود فعل إيجابية يمكن أن تنتج الاسترخاء فت الهارب، مما يؤدي إلى تدمير الاكتظاظ السكاني من مستويات أعلى الذبذبات. وبعبارة أخرى، تكون درجات حرارة الغاز المنخفضة مواتية للتوزيع غير الحراري بشدة.

في الواقع، فإن البلازما تظهر درجات حرارة مختلفة بشكل واضح لمختلف الأنواع ودرجات الحرية. في درجات حرارة الإلكترون النموذجية لعدد قليل من فولت، سوف تكون درجات الحرارة الذبذبة عدة آلاف من الدرجات مئوية في حين أن درجات الحرارة (الغاز) متعدية قد تبقى أقل من ألف درجة مئوية. ويشار إلى هذا الوضع بأنه عدم توازن قوي، وقد اعترف بأنه موات للتفاعلات الكيميائية.

ودرجة حرارة الغاز متعدية، لأنها مهمة جدا لكفاءة الطاقة التي البلازما قد تدفع التفاعلات الكيميائية، يتطلب التشخيص دقيقة وحل مكانيا. الطيف الانبعاثات هو خط الأساس النهج في فيزياء البلازما لاستنتاج درجات الحرارة. على سبيل المثال، فمن الممكن لتقييم أطياف التناوب باستخدام الشوائب للتشخيص الأمثل. ومع ذلك، وهذا ينطوي دائما خط التكامل البصر وبالتالي المتوسط. وكما سنرى في هذه الورقة، يجب أن تكون درجات الحرارة شديدة الانحدار نظرا لدرجات الحرارة المركزية المرتفعة التي تصل إلى 4000 ~ K ودرجة حرارة الحافة التي يحددها الجدار ~ 500 K. وفي ظل هذه الظروف، فإن القياسات الموضعية لا تقدر بثمن.

في العمل الحالي، يتم جمع قياسات الكثافة المحلية من نثر رايلي مع قياسات الضغط لاستدلال درجة الحرارة عن طريق قانون الغاز المثالي. وتشمل القياسات تشتت رايلي التركيز ليزر عالية الطاقة في حجم العينة التي يتم الكشف عن تشتت مرونة من الفوتونات على الإلكترونات بد من جزيئات CO 2. ترتبط درجة حرارة الغاز بشدة إشارة رايلي عبر:

على 1 "سرك =" / فيليز / ftp_upload / 55066 / 55066eq1.jpg "/>

هنا T هو درجة حرارة الغاز، p هو الضغط المقاس بمقياس الضغط، I هو قياس كثافة رايلي، dσ / dΩ (T) هو المقطع العرضي رايلي و C هو ثابت المعايرة. وبما أن المقطع العرضي dσ / dΩ (T) يعتمد على الأنواع، فإننا نرى أنه بالنسبة لدرجات الحرارة المرتفعة، حيث يكون التفكك كبيرا، فإن ثابت المعايرة هو وظيفة من درجات الحرارة. ومن المفترض أنه في المركز الساخن، وتحويل التوازن فقط يحدث، بحيث يمكن حساب تركيز الأنواع لدرجة حرارة معينة. وبهذه الطريقة، يمكن للمرء حساب عددي المقطع العرضي الفعال لدرجة حرارة معينة، والذي يستخدم لحساب كثافة رايلي التي من المتوقع أن تقاس لمجموعة من درجات الحرارة 7 . يظهر هذا المقطع العرضي الفعال كدالة لدرجة الحرارة في الشكل 1 رونغ>.

يتم قياس أداء تحويل البلازما بواسطة وسائل فتير. ويفترض في هذه الحالة للحد من CO 2 أن رد الفعل الصافي في البلازما هي:

المعادلة 2

ويسمح ذلك باستعمال عامل تحويل وحيد α، يتصل بجزء حجم كو

المعادلة 3 ،

الذي يتبع من التركيزات التي يتم استنتاجها من التوقيعات الطيفية لل كو و كو 2 في أطياف فتير. ونلاحظ أن المقطع العرضي الفعال ل رايلي لا يمكن استخلاصه بسهولة من عامل التحويل الإجمالي كما يحدده فتير. لا يتم تعيين التحويل الكلي فقط من قبل درجة حرارة المفاعل المركزي ولكن أيضا عن طريق الخدوش في الملف الشعاعي الفعلي لدرجة حرارة الغاز.

ove_content "> توضح هذه الورقة مخططنا التشخيصي المقترح لتوصيف تحويل غازات البلازما بالميكروويف بالميكروويف ويوضح أعضاء هيئة التدريس بأمثلة مختارة.يمكن العثور على المعامل الكاملة التي يتم مسحها من حيث تدفق الغاز والضغط وقوة الموجات الصغرية للمفاعل تحت التقييم في 7 ، 8 ، 9 .

Protocol

ملاحظة: للحصول على نسخة تخطيطية من الإعداد، انظر الشكل 2 .

1. الميكروويف البلازما تخطيط التجريبية

  1. ربط المغنطرون 1 كيلوواط إلى الدورة الدموية مع تحميل المياه المرفقة.
  2. قم بتوصيل المعزل إلى موالف ثلاثة كعب الذي يستخدم لمعاوقة مقاومة الدليل الموجي للبلازما.
  3. إرفاق قضيب إلى موالف ثلاثة كعب وإضافة انزلاق قصيرة في نهاية الدليل الموجي.
  4. وضع 17 مم أو 27 مم القطر الداخلي أنبوب الكوارتز في حفرة من قضيب.
    ملاحظة: يتم امتصاص الموجات الدقيقة في الغاز كو 2 المتدفقة التي ترد في هذا الأنبوب.
  5. استكمال الإعداد فراغ عن طريق ربط أنبوب الكوارتز إلى كف-فلانجيس ومدخل الغاز.
  6. استخدام كف-16 ل 17 ملم أنبوب الكوارتز و كف-40 ل 27 ملم أنبوب الكوارتز. استخدام مدخل الغاز عرضية للحث على تدفق دوامة، مما يمنع البلازما الساخنة من لمس الجدران.
  7. تربط.تا خنق صمام في سلسلة مع مضخة فراغ. وهذا يسمح للتباين من الضغط من 5 ميغا بايت إلى الضغط الجوي من خلال تنظيم فعال لسرعة الضخ.
  8. في موازاة صمام الخانق، قم بتوصيل صمام الاختصار للتبديل بين الضغط المنخفض (مطلوب لتسهيل اشتعال البلازما) والضغط العالي دون أن تفقد إعداد الضغط من صمام خنق.
  9. ربط وحدة تحكم تدفق الشامل إلى مدخل الغاز بحيث يمكن تنظيم تدفق الغاز بين 0.5 و 10.0 حركة تحرير السودان.
  10. بدوره على مياه التبريد من المغنطرون قبل بدء البلازما.
  11. تأكد من تمكين أنظمة السلامة، مثل المتر الإشعاع لرصد أشعة الميكروويف طائشة والغاز للكشف عن لرصد CO المحيطة، H 2 أو NO تركيزات س. أنظمة السلامة هذه ضرورية أثناء التجارب.
  12. بدوره على السلطة عن طريق تحويل ما يصل مستوى الطاقة من المصدر يدويا وزيادة إلى أقصى قدر من الطاقة.
  13. ضبط بلونجر عن طريق تحريكه ذهابا وإيابا قليلا، في حين رصد باستمرار إذا انخفضت قوة المنعكسة. تهدف إلى تقليل القوة المنعكسة. ضبط موالف ثلاثة كعب عن طريق تحويلها حتى يتم تقليل الطاقة المنعكسة. إذا كان محلل الشبكة متوفرا، اتبع الإجراء الذي تم الإبلاغ عنه بواسطة لينز 10 .
    ملاحظة: يمكن رؤية فراغ ونظام الميكروويف في الشكل 3 A.

2. تخطيط بصري من رايلي تشتت التشخيص

  1. محاذاة 532 نانومتر ند: ياغ شعاع الليزر مع استخدام المرايا بحيث يدخل الإعداد محوريا. الليزر لديه معدل تكرار 10 هرتز و قوة قصوى 600 ميجا جول لكل نبضة.
  2. قم بتثبيت النوافذ على الجانبين المقابلين (المدخل والخروج) للمفاعل. استخدام النوافذ التي تم المضادة للانعكاس (أر) المغلفة ل 532 نانومتر لمنع الضوء الضالة المفرطة. بدلا من ذلك، استخدم نوافذ بروستر في تركيبة مع تفريغ شعاع خارجي.
  3. بدايةالليزر عن طريق اتباع دليل المستخدم (انظر جدول المواد ).
  4. محاذاة الليزر باستخدام برنامج انخفاض انتاج الطاقة. تبدأ بتأخير Q- التبديل من 0 μs بحيث لا يتم إنتاج أي ناتج الضوء. ثم زيادة التأخير في خطوات من 5 μs حتى خرج الضوء مرئيا.
  5. إذا كانت الحزمة ساطعة جدا تنخفض في خطوات من 1 μs لتحقيق السطوع "كافية"، أي أقل قوة حيث بقعة شعاع لا تزال مرئية.
  6. جبل نافذة أر المغلفة الثانية في الجانب خروج شعاع الليزر من نظام الفراغ، لتفريغ شعاع على تفريغ شعاع الخارجي. بدلا من ذلك، بدلا من النافذة، قم بتحميل تفريغ شعاع فراغ. ويمكن رؤية نسخة التخطيطي من الإعداد في الشكل 2 .
    ملاحظة: القضاء على نافذة يقلل من الضوء الضالة في مناطق التفريغ البلازما، وهو أمر ضروري لتحقيق الكشف رايلي مستويات إشارة الانتثار.
  7. وضع عدسة مع مسافة التنسيق من 2.4م في مسار الشعاع، قبل نافذة المدخل مباشرة، للتركيز الليزر إلى مركز الدليل الموجي. وتؤدي المسافة البؤرية الطويلة إلى تقليل الضوء الضال في منطقة جمع نثر رايلي. وضع العدسة في أقرب وقت ممكن إلى نافذة للحد من كثافة الطاقة الحادث بحيث لا يزال تحت عتبة الضرر من النوافذ.
    ملاحظة: منع انهيار الليزر في الغاز، وخاصة في التركيز الليزر. بعد تركيز الليزر، وتدفق كو 2 في المفاعل عند الضغط فوق الضغوط التي يتعين قياسها. إذا لم يلاحظ أي انهيار ليزر، فإنه لن يحدث عند الضغط المنخفض وارتفاع درجات الحرارة حيث تجري القياسات، لأن كثافة الأنواع ستكون أقل بكثير. إذا سمعت الضوضاء الصاخبة بصوت عال يرافقه ومضات زرقاء مرئية، وانخفاض قوة الليزر.
  8. تثبيت حواجز متباعدة بشكل منتظم داخل أنابيب فراغ لزيادة خفض مستويات الضوء الضالة في منطقة التفريغ البلازما بسبب تشتت عند نافذة المدخل
  9. إعداد المكبس مع فتحة قطرها 24 ملم للوصول البصري عمودي على شعاع الليزر. حجم الفتحة محدود يمنع خسائر الإشعاع الميكروويف كبيرة.

3. الإعداد البصري - فرع الكشف

  1. ضع عدسة (f = 100 مم، قطرها 51 مم) عمودي على المفاعل وجمع الضوء المتناثرة من خلال الثقب في المكبس كما هو مبين في الشكل 3 أ . التركيز على ضوء 400 ميكرون قطر الألياف البصرية ووضعه في صورة العدسة.
    ملاحظة: يتم وضع الألياف في صفيف خطي من 59 ألياف السيليكا تنصهر مع ارتفاع المدخلات من 26.7 ملم وطول 40 م.
  2. استخدام الألياف لتوجيه الضوء إلى مطياف.
    ملاحظة: هنا يتم تصوير الضوء على شق مدخل مع العرض الذي هو الانضباطي وصولا الى 10 ميكرون. التكبير من البصريات جمع النتائج في نطاق الكشف المحوري من حوالي 20 مم. يتم استخدام مطياف لتصفية الانبعاثات المتزامنة C 2 بجعة. إذا كان المجرب مهتما فقط في تشتت رايلي، يمكن أيضا أن تستخدم مرشح ممر الموجة المناسب لهذا الغرض. وفي هذه الحالة، يمكن تخطي الخطوات من 3،3 إلى 3،6. مرشح الطيفي يمكن القضاء تماما عن طريق مقارنة شدة الضوء قياس مع وبدون نبض الليزر، تبسيط كبير الإعداد البصري. إذا تم القضاء على أحادي اللون، فإنه من غير الممكن لتوسيع القياسات لانتشار طومسون أو رامان، والتي من الضروري اتخاذ قرار طيفي.
  3. استخدام مطياف (في منزل شيدت) لحل طيفي الضوء المتناثرة.
    ملاحظة: كما يمكن أن يرى في الشكل 2 ، يتكون مطياف من شق مدخل، مرآة التوجيه، عدسة ليترو، تشتت صريف، وتكثيف الصورة، والعدسات التركيز، وكاميرا كسد.
  4. داخل مطياف، ضع مرآة لتعكس الضوء واردة إلى عدسة ليترو مع أفأوكال من 0.3 م وقطرها 80 ملم.
    ملاحظة: مطياف هو في تكوين "ليترو"، وهو ما يعني أن الحادث وضوء ديفراكتيد لها نفس الزاوية إلى صريف العادي. ونتيجة لذلك، يتم استخدام نفس العدسة لتلائم الضوء واردة الضوء المنعكس التصوير على كاشف.
  5. تدوير صريف الحيود على مرحلة دوران لضبط نطاق الطول الموجي المناسب. بالنسبة إلى ليزر ند: ياغ، يكون هذا عادة بين 524 و 540 نانومتر. وصريف 11 × 11 سم 2 ولها كثافة الأخدود من 1200 ملم -1 التي هي الأمثل للانعراج النظام الأول. وهذا يؤدي إلى قرار من 0.027 نانومتر / بكسل. الشكل 3 ب يظهر صورة من صريف و ليترو عدسة.
    ملاحظة: سوف صريف صورة البقع متعددة نتيجة لارتفاع النظام؛ تأكد من أن فقط 1 شارع أجل الحد الأقصى ينتهي على مكثفا للصورة.
  6. وضع العدسات اثنين لصورة تكثيف لعلى كاميرا كسد ( الشكل 3 C ).
  7. تحديد المساهمات الخفيفة الضالة. ضخ وصولا الى الضغط من 60 ميغا بار و قياس كثافة متناثرة. تقليل الضغط وقياس شدة مرة أخرى. كرر هذا حتى الضغط لا يمكن خفض أي أبعد من ذلك.
  8. عند التآمر شدة مقابل الضغط، تأكد من وجود علاقة خطية. استقراء وظيفة الخطية إلى الصفر الضغط.
    ملاحظة: بما أنه لا يمكن أن يحدث تشتت رايلي عند ضغط الصفر، فإن شدة الاعتراض هي مستوى الضوء الضال. وتظهر نتيجة هذا الإجراء في الشكل 4 .
  9. ضبط معلمات التباعد لتكثيف الصورة لتحسين كثافة سجلت من قبل اتفاقية مكافحة التصحر. تبدأ مع نبض البوابة التي تبدأ قبل فترة طويلة وينتهي جيدا بعد نبض الليزر بحيث يتم التقاط نبض الليزر بأكمله.
  10. تأخذ في الاعتبار تأخير وقت الرحلة من الضوء لأن الضوء قد رس السفر من خلال الإعداد البصري بأكمله. تقليل التأخير مع التأكد من أن كثافة ليست مخفضة.
    ملاحظة: وجد أن نافذة زمنية قدرها 30 نس تكون كافية لنبضة 9 نس. لزيادة الكسب، زيادة الجهد لوحة متعددة إلى أقصى الجهد (هنا، 850 فولت). إذا كسد الكاميرا هو الإفراط في التعرض يمكن اختيار أصغر لوحة متعددة الجهد الجهد.

4. فتير مطياف

  1. وضع مطياف فتير في عادم الغاز، المصب من البلازما، لقياس معدل إنتاج كو. وضع مطياف بعيدا بما فيه الكفاية من المفاعل لضمان الغاز في التوازن الكيميائي. في الإعداد الموصوفة، كانت المسافة من البلازما 2 م.
  2. وضع خلية في مقصورة عينة من مطياف فتير مع في المنفذ ومخرج منفاخ متصلة في سلسلة مع نظام الفراغ. يظهر هذا بشكل تخطيطي في الشكل 5 .
  3. جبل نافذة كاف 2 على كل جانب من الخليةللسماح لشعاع الأشعة تحت الحمراء للتحقيق في الغاز.
  4. قم بتغيير كسب الإشارة حتى تكون كثافة الإشارة أقرب ما يمكن إلى الحد الأقصى، ولكن لا تتجاوزه. الحد الأقصى المسموح به كثافة قد تكون مختلفة من الجهاز إلى الجهاز.
  5. انقر على 'إنتيرفيروغرام' المعاينة. و إنترفيروجرام هو الآن مرئية، مع ذروة عالية في المركز و كثافة منخفضة على الكتفين.
  6. قبل بدء القياسات، وقياس الخلفية في فراغ (<0.1 م بار). للقيام بذلك تأكد من أن المفاعل هو في فراغ وليس هناك تدفق الغاز. ثم تسجيل الخلفية عن طريق النقر على 'الخلفية' في نافذة "مراقبة مستوى الإشارة".
  7. بدوره على الميكروويف عن طريق زيادة الطاقة إلى الحد الأقصى، حتى يشعل البلازما. الضغط المستخدم لإشعال البلازما هو ~ 1 ملي بار.
  8. تسجيل الطيف في مجموعة من 2،400 إلى 2،000 سم -1 . وهذا يشمل CO والرئيسية فرقة CO 2.
  9. متوسط ​​أطياف للحد من الضوضاء. بقيمة 100؛ تم استخدام المتوسطات في هذه التجربة. تناسب خطوط كو المقاسة باستخدام هيتران قاعدة البيانات 12 .
    ملاحظة: يؤدي ذلك إلى جزء حجم كو. يتم قياس الضغط واستخدامه كمعلمة الإدخال للعثور على الكثافة العدد الكلي. ويفترض أن درجة الحرارة هي درجة حرارة الغرفة، التي يبررها توزيع قمم روفيبراتيونال في الطيف.
  10. لقياس الأطياف في الموقع ، ضع المفاعل داخل حجرة العينة كما هو مبين في الشكلين 6 و 7 .
  11. التبديل إلى الياقوت بدلا من أنبوب الكوارتز لتمكين القياسات شعاعي. الياقوت ينقل IR- الضوء وصولا الى 1800 سم -1 .
  12. مع القياسات في الموقع ، واستخدام عدد كبير من المتوسطات لا يقل عن 100 لمتوسط ​​التقلبات في البلازما.
  13. تزيين الجدران مقصورة مع مادة ماصة الميكروويف للحد من الإشعاع الميكروويف الضالة ( إكوسورب أوف استخدم هنا).
  14. يجب الحرص على عدم تشبع إنترفيروجرام نتيجة للانبعاثات الأشعة تحت الحمراء إضافية من قبل البلازما. إذا كان هذا هو الحال، تغيير دس-أوفست للكاشف. تصحيح الأطياف الناتجة عن امتصاص تعتمد على درجة الحرارة من الياقوت 13 .
  15. إذا تم استخدام كاميرا الأشعة تحت الحمراء لقياس درجة الحرارة، واستخدام الكاميرا التي هي حساسة في نطاق الذي الياقوت ليست شفافة، أي أعلى من 6 ميكرون، بحيث يتم قياس درجة حرارة الأنبوب بدلا من البلازما.
    ملاحظة: القيم الموصى بها لامتصاص الياقوت كدالة لدرجة الحرارة يمكن العثور عليها في 14 .

Representative Results

في هذا القسم، يتم عرض نتائج ممثل لمفاعل البلازما المتدفقة. وقد وجد أن تحويل ثاني أكسيد الكربون يظهر لزيادة خطيا مع طاقة محددة، حتى حوالي 2.2 فولت / جزيء. ويتم احتساب η كفاءة استخدام الطاقة على النحو التالي:

المعادلة 4

هنا α هو تحويل قياس، ف معدل تدفق الغاز الجزيئي، ΔE = 2.7 فولت الطاقة التفكك صافي، و P في مدخلات الطاقة. باستخدام التحويل المقاس (الموضح في الفقرة التالية)، يمكننا أن نجد كفاءة استخدام الطاقة لمفاعل البلازما، الذي يتم رسمه لمجموعة متنوعة من الضغوط والصلاحيات ومعدل تدفق ثابت من 13 حركة تحرير السودان في الشكل 8 A و 8B . البلازما بيأربيضة قادرة على تحويل كو 2 إلى كو مع كفاءة استخدام الطاقة تصل إلى 49٪، وهو ما يشبه الكفاءة الحرارية القصوى 5 . على الرغم من أن الكفاءة المبلغ عنها هنا هي قريبة من التفكك الحراري، فإنه يثبت أن البلازما غير التوازن يمكن أن تنتج أعلى حجم كو جزء من التوازن في درجة الحرارة متعدية قياس.ميزة كبيرة على التفكك الحراري هو أن رد فعل يمكن أن تحول أو تشغيلها في بضع ثوان، وهو ما يلزم لتخفيف إنتاج الطاقة المتقلب. وبالإضافة إلى ذلك، هناك إمكانية لزيادة الكفاءة أكثر من خلال تكييف وظيفة توزيع الطاقة الإلكترونية (إيدف).

ونحن نركز الآن على النتائج التي تم الحصول عليها للعادم. يتم قياس تركيز ثاني أكسيد الكربون عن طريق التحليل الطيفي امتصاص الأشعة تحت الحمراء. ويبين الشكل 9 ألف و 9 B طيفا تمثيليا. النتائج تناسب في الشركة المصرية للاتصالاتمابينير من 299.36 K وتحويل 14.7٪. البيانات المقاسة (الأزرق) هو في مقارنة جيدة مع بيانات تناسب (الأخضر). وبما أن درجة الحرارة في العادم قريبة من درجة حرارة الغرفة، فمن الممكن ترك درجة الحرارة كمعلمة ثابتة في الإجراء المناسب. بعد ذلك، يتم مناقشة القياسات في الموقع . عند تفسير شدة الضوء رايلي، يجب أن يؤخذ في الاعتبار أن المقاطع العرضية رايلي من منتجات التفاعل - كو، O و O 2 - تختلف اختلافا كبيرا عن كو 2 15 ، 16 . لا يمكن حل هذه المشكلة إلا إذا كانت المعلومات من تكوين حجم العينة هو متاح. إذا كان يمكن تسجيل الطيف رامان، يقترح لرصد الطيف رامان من جزيء كو لتقدير كثافة عدد المحلية من المنتجات. ويمكن استخدام المستقطب في هذه الحالة للقضاء على الضوء الشارد، طومسون، وتشتت رايلي، مع الحد من شدة الدوارأيونال رامان متناثرة ضوء فقط عامل 3/7 17 . وإذا لم يكن من الممكن قياس طيف رامان لأن ذروة رايلي لم تخفض بشكل كاف، يمكن تقدير التحويل على أساس تحويل التوازن (انظر المراجع 7 و 20 ). على الرغم من أن هذا يتجاهل زيادة الإنتاج بسبب ظروف عدم التوازن، ودرجات حرارة الغاز مرتفعة بما فيه الكفاية لتبرير هذا التبسيط. في الشكل 10 ، يتم عرض بيانات درجة الحرارة مع مختلف المقاطع العرضية رايلي المدرجة. ووجد أنه بدون أي تحسين للبلازما، يمكن للغاز في مركز البلازما أن يصل إلى درجات حرارة تصل إلى 5000 ك.وقد تبين في البلازما أر أن تشتت طومسون وتشتت من الأنواع متحمس يصبح كبيرا إذا وصلت درجة الحرارة إلى النظام من 10000 ك 18 ، 19 ، 20 ، مما يجعلقياس درجة الحرارة لا يمكن الاعتماد عليها. وبالنظر إلى قيم المقاطع العرضية التفاضلية لانتشار رايلي وطومسون 0.148 · 10 -30 م 2 و 7.94 · 10 -30 م 2 على التوالي، فإن درجة التأين 1.9 · 10 -4 ستكون ضرورية لمساهمة طومسون من 1 ٪. هذا هو أعلى بكثير من درجة التأين التي يتوقع أن تكون موجودة في البلازما (فريدمان 5 ، p294) من 1 · 10 -6 إلى 8 · 10 -5 .

وكانت القياسات فتير في الموقع في تدفق 2.0 سلم وضغط أقل بكثير من 5 ميغا بايت لجعل البلازما متجانسة، والتي تضمن قياس مسار يمكن الاعتماد عليها موثوق بها. وهذا يعني أيضا أن البلازما نفسها تلامس وتسخن الجدار. لمنع الجدار من أن تصبح ساخنة جدا، يتم تقليل الطاقة إلى 30 W. فقط على الرغم من أن الإنتاج المشترك لا يكاد يذكر في هذه القوة المنخفضة والضغط، في الموقعلا يزال فتير يوفر رؤى ذات الصلة في ديناميات البلازما كو 2 . تم تسجيل الأطياف مع قرار من 0.125 سم -1 . وقد تم تجهيز الطيف مع نموذج يستند إلى هابي، واجهة برمجة التطبيقات من هيتران 12 . تم تعديل التعليمات البرمجية لتشمل درجات حرارة منفصلة لمختلف الأوضاع العادية الذبذبات. تم استخدام درجة حرارة واحدة T 12 لكل من التمدد المتماثل ووضع الانحناء، لأن فيرمي الرنين يضمن الاسترخاء السريع بين الوضعين العاديين.

وتكون النتيجة هي T = 700 K، T 12 = 1،250 K، و T 3 = 1،500 K، كما هو مبين في الشكل 11 . كان الضغط المجهز 10 ملي بار. ومن المرجح أن يعوض هذا التقدير الزائد عن معامل درجة حرارة أقل من قيم ثوابت توسيع الضغط. يمكن أن تختلف درجة حرارة الغاز الموجودة مع تشتت رايلي عن oن وجدت مع فتير، منذ نثر رايلي يقيس درجات الحرارة المحلية في حين أن أطياف فتير هي خط متكاملة.

شكل 1
الشكل 1 : اعتماد درجة الحرارة على المقطع العرضي رايلي
المقطع العرضي رايلي الذي ينتج عندما من المقاطع العرضية المختلفة لمنتجات التفاعل. ومن المفترض أن يحسب التحويل في التوازن الحراري لحساب الكسور النسبية للخلل. الرجاء انقر هنا لعرض نسخة أكبر من هذا الرقم.

الشكل 2
الشكل 2 : الإعداد البصري لقياسات رايلي
عدسة فوكوسيس ضوء الليزر إلى مركز أنبوب الكوارتز. ويطلق الدليل الموجي أفران ميكروويف في البلازما، ويتمركز في محور الليزر. ثقب في المكبس يوفر الوصول البصري للوتر الليزر. يتكون مقياس الطيف من (1) فتحة مدخل، (2) مرآة التوجيه، (3) عدسة ليترو، (4) مشتتة صريف، (5) صورة المكثف، (6) و (7) التركيز العدسات، و (8 ) كسد كاميرا. الرجاء انقر هنا لعرض نسخة أكبر من هذا الرقم.

الشكل 3
الشكل 3 : صور من الإعداد
( A ) صورة لإعداد الفراغ، بما في ذلك قضيب الميكروويف والألياف البصرية. ( B ) صورة من الداخل من مطياف، مع عدسة ليترو والحيود صريف فيسيبل ه. ( C ) صورة من نظام العدسة المستخدمة لصورة الضوء المكثف إلى كاميرا كسد. الرجاء انقر هنا لعرض نسخة أكبر من هذا الرقم.

الشكل 4
الشكل 4 : كثافة قياس وظيفة من الضغط
قياس نثر رايلي كدالة للضغط، لنقاط مختلفة في الوقت المناسب. يمثل الخط الأزرق الثابت تناسب خطي للبيانات. تشير أشرطة الخطأ إلى الخطأ المطلق لمقياس الضغط. الرجاء انقر هنا لعرض نسخة أكبر من هذا الرقم.

066 / 55066fig5.jpg "/>
الشكل 5 : الرسم التخطيطي لإعداد فتير الغاز العادم الإعداد
يتم وضع خلية الغاز في مقصورة العينة من مطياف فتير. يتم توصيل الخلية في سلسلة مع العادم بحيث الغاز يتدفق من خلال ذلك. الرجاء انقر هنا لعرض نسخة أكبر من هذا الرقم.

الشكل 6
الشكل 6 : الإعداد فتير في الموقع
الصور التخطيطية للإعداد فتير في الموقع . أنبوب التدفق في وضع مستقيم وتدفق الغاز من أسفل إلى أعلى. الأنبوب هو في محور شعاع فتير. الرجاء انقر هنا لعرض أكبر فيرسيعلى هذا الرقم.

الشكل 7
الشكل 7 : صور الإعداد فتير في الموقع
الجانب ( A ) وأعلى ( B ) عرض الدليل الموجي في مقصورة عينة من مطياف فتير. يتم توصيل المنفاخ على رأس الدليل الموجي بمضخة الفراغ ويكون بمثابة عادم للمفاعل. الرجاء انقر هنا لعرض نسخة أكبر من هذا الرقم.

الشكل 8
الشكل 8 : كفاءة الطاقة التمثيلية وكفاءة التحويل
في الرسم البياني ( A )، وكفاءة الطاقة فويتم وصف البلازما النموذجية كدالة من طاقة الميكروويف المطبقة، عند ضغط يتراوح بين 127 و 279 ميللي بار. في الرسم البياني ( B )، يتم تصوير كفاءة التحويل. الرجاء انقر هنا لعرض نسخة أكبر من هذا الرقم.

الشكل 9
الشكل 9 : ممثل الأشعة تحت الحمراء (إر) طيف امتصاص كو
ويوضح الرسم البياني ( A ) طيف امتصاص الأشعة تحت الحمراء المقاس لعادم الغاز (النقاط الزرقاء). ويظهر الخط الأخضر الثابت أن المربعات الصغرى تتناسب مع البيانات. النتائج الملائمة هي T = 299.36 K و α = 14.7٪. يتم عرض صورة مكبرة في ( B ). الرجاء انقر هنا لعرض كبيرةr نسخة من هذا الرقم.

الشكل 10
الشكل 10 : درجة حرارة الغاز المقاسة
في هذا الرسم البياني، يتم عرض درجة حرارة الغاز في مركز البلازما التي يقاسها تشتت رايلي كدالة من مدخلات الطاقة لضغوط مختلفة. الرجاء انقر هنا لعرض نسخة أكبر من هذا الرقم.

الشكل 11
الشكل 11 : في الموقع إر طيف امتصاص التصريف البلازما
الرسم البياني (A) يبين قياس طيف الامتصاص الأشعة تحت الحمراء للتصريف CO 2. الخط الأزرق يعطي أفضل ملاءمة للث(النقطة الخضراء) مع T = 700 K و T 12 = 1،250 K و T 3 = 1،500 K. ويعطي الخط الأحمر بقايا الملاءمة. يمكن رؤية الصورة المكبرة في ( B ). الرجاء انقر هنا لعرض نسخة أكبر من هذا الرقم.

التأين تفكك
فولت فولت
كو 2 13.77 5.52
CO 14.01 11.16
O 2 12.07 5.17
N 2 15.58 9.8
تش 4 12.51 4.54
تش 3 9.84 4.82
تش 2 10.4 4.37
CH 10.64 3.51
H 2 15.43 4.52

الجدول 1: تأين الطاقات والتفكك من الأنواع والمنتجات المشتركة.

Discussion

وكلا من أجل كهربة الصناعة الكيميائية وتخفيف التداخل في الطاقة المتجددة، هناك حاجة إلى مفاعلات تدفق مستمرة لدفع الكيمياء في نظام مستدام. وقد تم التسليم بأن مفاعلات التدفق المستمر سوف تلعب دورا هاما في إحداث ثورة في الصناعة الكيميائية 21 . وبشكل أكثر تحديدا، تم التعرف على مفاعل البلازما باعتبارها بديلا جذابا تجاريا لمصانع المواد الكيميائية في إنتاج CO 2 الوقود محايدة الواجبة لالبساطة، والاكتناز والسعر المنخفض 22. وقد اقترحت مجموعة واسعة من تقنيات البلازما لفكك كو 2 23 ، بما في ذلك التصريف كورونا 24 ، 25 ، 26 ، نانوسيكوند نبض التصريف 27 ، الجزئي جوفاء الكاثود التصريف 28 ، ميكروبلازماس"كريف"> 29، العازلة حاجز التصريف 30 ، 31 ، 32 ، 33 ، مزلق الأقواس 34 ، 35 ، البلازما الميكروويف 37 ، 38 . ومن بين هذه التقنيات المتفاوتة بشكل كبير، تم تشغيل البلازما بالميكروويف والقوس المزلق بأعلى قوة في نطاق كيلوواط، وأظهرت أفضل كفاءة، و 40٪ لقوس مزلق، و 60-80٪ لتصريف المايكروويف. يمكن تشغيل كل من البلازما الميكروويف ومفاعل قوس مزلق في قوة عالية، شرطا ضروريا لتوسيع تصل إلى ~ 100 كيلووات، والتي من المتوقع لتطبيق عملي. تشغيل البلازما الميكروويف لا يقتصر على كو 2 التفكك ويمكن أيضا أن تستخدم لإصلاح الميثان وتثبيت النيتروجين. العيب الرئيسي لمفاعل الميكروويف هو انخفاض بريز(100 مليبار) في الظروف المثلى، مما يحد من إنتاجية الغاز القصوى.

وقد تبين الإجراء الموصوف مع كو 2 ، ولكن يمكن استخدامه دون تغيير لتفعيل تش 4 ، N 2 أو جزيئات مستقرة أخرى. في معظم هذه الحالات، هناك حاجة إلى قياس مختلف نطاقات الأشعة تحت الحمراء التي تتوافق مع المنتجات المتوقعة مثل نه 3 ، نو x ، C 2 H 2 ، C 2 H 4 ، إلخ. يمكن تشغيل البلازما الميثانية مرهقة مثل السخام - واحد من منتجات التفاعل - توضع على الجدران وسوف تمتص الميكروويف، وإطفاء فعال البلازما. وعلى الرغم من ضخ الذبذبات هو أقل فعالية بكثير في الميثان مما كانت عليه في CO 2 بسبب ارتفاع معدلات VT-نقل والبلازما الحفز يمكن مع ذلك أن يكون مفيدا للغاز الميثان (فريدمان 5، p.688)

من الصعب تحقيق قياسات نثر رايلي الدقيقة في aوالبلازما تشكيل السخام، بسبب مساهمة الضوء الضالة عالية نتيجة للمي نثر على جسيمات السخام. على الرغم من أنه يعقد قياسات رايلي، فإنه يمكن أن تستخدم لقياس كثافة جزيئات السخام بدلا من ذلك 39 . يمكن أن توفر نثر رامان بديلا جذابا لقياس درجة الحرارة في هذه البيئة، لأنها تسمح للتمييز الطيفي للضوء الشارد و (رامان) مكونات الضوء المتناثرة. وقت التكامل من نثر رامان هو في ترتيب من ~ 20 دقيقة، بحيث التقلبات في البلازما متوسطها. الآثار على المدى الطويل فقط مثل تدفئة النظام يمكن أن تؤثر على القياس، لأنه يزيد قليلا من الضغط في المفاعل.

على وجه التحديد بسبب التداخل الطيفي الكبير بين الضوء الشارد وضوء رايلي المتناثرة، لا يمكن المبالغة في أهمية القمع الضوء الضال (حتى في غياب السخام). يمكن تقليل الضوء الضال بشكل صحيحوضع يحير، وزيادة المسافة البؤرية للليزر والإعداد طول، وزيادة قطر الأنبوب. كما يؤدي استخدام تفريغ شعاع الفراغ إلى تقليل مستويات الضوء الضالة حيث أنه يلغي نافذة الخروج. بدلا من ذلك، يمكن استخدام نوافذ بروستر كذلك. كما هو موضح سابقا، هناك حاجة إلى بعض المعرفة من تكوين (إما قياس أو محاكاة) لحساب صحيح لمختلف المقاطع العرضية رايلي.

وقد أثبتت البلازما الميكروويف المتدفقة نفسها لتكون وسيلة قابلة للحياة للكيمياء القيادة مع كفاءة استخدام الطاقة تصل إلى 50٪، ومرونة التحول السريع، واستخدام المواد غير مكلفة فقط. ومع ذلك، فإن درجات الحرارة المسجلة في المركز أعلى بكثير مما هو موات للاكتظاظ السكاني الشديد الذبذبات. عن طريق الحد من درجة الحرارة، ويمكن الوصول إلى أعلى كفاءة الطاقة. على الرغم من أن خفض الطاقة (على سبيل المثال ، إلى 200 واط) من شأنه أن يقلل من درجة حرارة الغاز، دون تحسين إضافي للمفاعل، فإنهكما يقلل من الكفاءة.

هناك طريقتان أخريان لتقليل درجة الحرارة. الطريقة الأولى هي نبض قوة الميكروويف. من خلال تطبيق القوة في البقول أقصر بدلا من الوقت النموذجي للاسترخاء فت، يمكن للغاز أن يبرد بين النبضات ونتيجة لذلك، يتم فقدان طاقة أقل في الاسترخاء فت. وهذا بدوره يعني المزيد من الطاقة تستثمر في ضخ الذبذبات التي تعزز التفكك كفاءة. ووقت الاسترخاء فت هو 70 μs في درجة حرارة الغرفة و 100 ميغا بار 40 ، وهو بمثابة الحد الأعلى للنبض أون-تايم. فالنبض يمكن أن يزيد فقط من الكفاءة في نظام البلازما حيث يكون مسار التحويل الرئيسي هو التحويل غير المتوازن. الطريقة الثانية لزيادة الكفاءة هي لإضافة الشوائب القلوية لتكييف إيدف 8 . من خلال السيطرة على إيدف، وعلى وجه الخصوص درجة حرارة الإلكترون، يمكن للإلكترونات نقل أكثر كفاءة الطاقة إلى الاهتزازات الجزيئية،ح مرة أخرى في تعزيز مستويات أعلى الذبذبات التي هي ضرورية لردود الفعل عالية الكفاءة.

Disclosures

ويعلن المؤلفون أنه ليس لديهم مصالح مالية متنافسة.

Acknowledgments

وقد تم تمويل هذا العمل من خلال الدعوة "كو 2 - الوقود المحايد" بدعم من شل، ومؤسسة للبحوث الأساسية المعنية (فوم)، والمنظمة الهولندية للبحث العلمي (نو). ويود المؤلفون أن يشكروا إدي فان فلدويزن وآنا سوبوتا وساندر نيجام على السماح لنا باستخدام مساحة مختبرهم ودعمهم السخي بشكل عام.

Materials

Name Company Catalog Number Comments
1kW magnetron Muegge MW-GIRYJ1540-1K2-08
Circulator with water load Philips 2722 163 02101
3-stub tuner IBF-electronic WR340PTUN3AC174A
Applicator with sliding short homemade
17mm ID / 20 mm OD Quartz tube Saillart custom
27mm ID / 30 mm OD Quartz tube Saillart custom
18mm ID / 20 mm OD Sapphire tube Precision Sapphire Technologies custom
KF-vacuum flanges Hositrad
Mass flow controller Tylan/Brooks FC-2901V-4V
MFC control unit MKS PR-3000
Pressure guage Edwards ASG-2000
Vacuum pump Edwards E2M18
Nd:YAG laser Continuum Powerlite DLS 8000
AR-coated window Eksma Optics 210-1202E + 3025-i0 (coating)
Diffraction grating Jobin Yvon 520-25-120
Image Intensifier Katod EPM102G-04-22S
Intensifier power source homemade
Spectrometer lens 1 Nikon 135mm f/2 DC
Spectrometer lens 2 Nikon AF-S 85 mm f/1.8g
CCD-camera Allied Optics Manta G-145B
FTIR-spectrometer (exhaust) Varian/Agilent Cary 670
FTIR-spectrometer (in-situ) Bruker Vertex 80v
CaF2 windows Crystran CAFP25-2U

DOWNLOAD MATERIALS LIST

References

  1. Itikawa, Y. Nonresonant Vibrational Excitation of CO2 by Electron Collision. Phys Rev A. 3 (2), 831-832 (1971).
  2. Rusanov, V. D., Fridman, A. A., Sholin, G. V. The physics of a chemically active plasma with nonequilibrium vibrational excitation of molecules. Phys Usp. 24 (6), 447-474 (1981).
  3. Fridman, A. A., Kennedy, L. A. Plasma Physics and Engineering. , Cambridge University Press. ISBN 1-56032-848-7 (2004).
  4. Witteman, W. J. The CO2-laser. , Springer-Verlag. (1987).
  5. Fridman, A. A. A Plasma Chemistry. , Taylor & Francis Routledge. ISBN-13 978-0-521-84735-3 (2008).
  6. Treanor, C. E., Rich, J. W., Rehm, R. G. Vibrational Relaxation of Anharmonic Oscillators with Exchange-Dominated Collisions. J Chem Phys. 48 (4), 1798-1806 (1968).
  7. den Harder, N., et al. Homogeneous CO2 conversion by microwave plasma: Wave propagation and diagnostics. Plasma Process Polym. , (Early View) (2016).
  8. van Rooij, G. J., et al. Taming microwave plasma to beat thermodynamics in CO2 dissociation. Farad Discuss. 183, 233-248 (2015).
  9. Bongers, W. A., et al. Plasma-driven dissociation of CO2 for fuel synthesis. Plasma Process. Polym. , (Early View) (2016).
  10. Leins, M., Gaiser, S., Schulz, A., Walker, M., Schumacher, U., Hirth, T. How to Ignite an Atmospheric Pressure Microwave Plasma Torch without Any Additional Igniters. J Vis Exp. (98), e52816 (2015).
  11. van der Meiden, H. J., et al. High sensitivity imaging Thomson scattering for low temperature plasma. Rev Sc. Instrum. 79 (1), 13505-13700 (2008).
  12. Rothman, L. S., et al. The HITRAN 2012 Molecular Spectroscopic Database. J Quant Spectrosc. Radiat Transfer. 130, 4-50 (2013).
  13. Depraz, S., Perrin, M. Y., Soufiani, A. Infrared emission spectroscopy of CO2 at high temperature. Part I: Experimental setup and source characterization. J Quant Spectrosc Radiat Transfer. 113, 1-13 (2011).
  14. Dobrovinskaya, E. R., et al. Sapphire: Material, Manufacturing, Applications. , Springer science + business media. 170 (2009).
  15. Sneep, M., Ubachs, W. Direct measurement of the Rayleigh scattering cross section in various gases. J Quant Spectrosc Radiat Transfer. 92 (3), 293-310 (2005).
  16. Sutton, J. A., Driscoll, J. F. Rayleigh scattering cross sections of combustion species at 266, 355, and 532 nm for thermometry applications. Optics Letters. 29 (22), 2620-2622 (2004).
  17. Penney, C. M., Peters, R. L., Lapp, M. Absolute raman cross sections for N2. J Opt Soc Am. 64 (5), 712-716 (1974).
  18. Murphy, A. B., Farmer, A. J. D. Temperature measurement in thermal plasmas by Rayleigh scattering. J Phys D: Appl Phys. 25 (4), 634 (1992).
  19. Snyder, S. C., et al. Determination of gas-temperature and velocity profiles in an argon thermal-plasma jet by laser-light scattering. Phys Rev E. 47 (3), 1998-2005 (1993).
  20. Limbach, C., Dumitrache, C., Yalin, A. P. Laser Light Scattering from Equilibrium, High Temperature Gases: Limitations on Rayleigh Scattering Thermometry. 47th AIAA Plasmadynamics and Lasers Conference. , (2016).
  21. Wiles, C., Watts, P. Continuous flow reactors: a perspective. Green Chem. 14, 38-54 (2012).
  22. Cormier, J. M., Rusu, I. Syngas production via methane steam reforming with oxygen: plasma reactors versus chemical reactors. J Phys D: Appl Phys. 34, 2798-2803 (2001).
  23. Liu, C. J., Xu, G. H., Wang, T. M. Non-thermal plasma approaches in CO2 utilization. Fuel Process Technol. 58 (2-3), 119-134 (1999).
  24. Wen, Y., Jiang, X. Decomposition of CO2 using pulsed corona discharges combined with catalyst. Plasma Chem Plasma Process. 21 (4), 665-678 (2001).
  25. Mikoviny, T., Kocan, M., Matejcik, S., Mason, N. J., Skalny, J. D. Experimental study of negative corona discharge in pure carbon dioxide and its mixtures with oxygen. J Phys D: Appl Phys. 37 (1), 64 (2004).
  26. Horvath, G., Skaln'y, J. D., Mason, N. J. FTIR study of decomposition of carbon dioxide in dc corona discharges. J Phys D: Appl Phys. 41 (22), 225207 (2008).
  27. Bak, M. S., Im, S. K., Cappelli, M. Nanosecond-pulsed discharge plasma splitting of carbon dioxide. IEEE Trans Plasma Sci. 43 (4), 1002-1007 (2015).
  28. Taylan, O., Berberoglu, H. Dissociation of carbon dioxide using a microhollow cathode discharge plasma reactor: effects of applied voltage, flow rate and concentration. Plasma Sources Sci Technol. 24 (1), 015006 (2015).
  29. Yamamoto, A., Mori, S., Suzuki, M. Scale-up or numbering-up of a micro plasma reactor for the carbon dioxide decomposition. Thin solid films. 515 (9), 4296-4300 (2007).
  30. Paulussen, S., Verheyde, B., Tu, X., De Bie, C., Martens, T., Petrovic, D., Bogaerts, A., Sels, B. Conversion of carbon dioxide to value-added chemicals in atmospheric pressure dielectric barrier discharges. Plasma Sources Sci Technol. 19 (3), 034015 (2010).
  31. Brehmer, F., Welzel, S., van de Sanden, M. C. M., Engeln, R. CO and byproduct formation during CO2 reduction in dielectric barrier discharges. J Appl Phys. 116 (12), 123303 (2014).
  32. Yu, Q., Kong, M., Liu, T., Fei, J., Zheng, X. Characteristics of the decomposition of CO2 in a dielectric packed-bed plasma reactor. Plasma Chem Plasma Process. 32 (1), 153-163 (2012).
  33. Aerts, R., Somers, W., Bogaerts, A. Carbon Dioxide splitting in a dielectric barrier discharge plasma: A combined experimental and computational study. Chem Sus Chem. 8 (4), 702-716 (2015).
  34. Indarto, A., Yang, D. R., Choi, J. -W., Lee, H., Song, H. K. Gliding arc plasma processing of CO2 conversion. J Hazard Mater. 146 (1), 309-315 (2007).
  35. Nunnally, T., Gutsol, K., Rabinovich, A., Fridman, A., Gutsol, A., Kemoun, A. Dissociation of CO2 in a low current gliding arc plasmatron. J Phys D: Appl Phys. 44 (27), 274009 (2011).
  36. Indarto, A., Choi, J. -W., Lee, H., Song, H. K. Conversion of CO2 by gliding arc plasma. Environ Eng Sci. 23 (6), 1033-1043 (2006).
  37. Rusanov, V. D., Fridman, A. A., Sholin, G. V. The physics of a chemically active plasma with non-equilibrium vibrational excitation of molecules. Sov Phys Usp. 24 (6), 447 (1981).
  38. Butylkin, I. uP., Zhivotov, V. K., Krasheninnikov, E. G., Krotov, M. F., Rusanov, V. D., Tarasov, I. uV., Fridman, A. A. Plasma-chemical process of CO2 dissociation in a nonequilibrium microwave discharge. Zh Tek Fiz. 51, 925-931 (1981).
  39. Will, S., Schraml, S., Leipertz, A. Two-dimensional soot-particle sizing by time-resolved laser-induced incandescence. Opt Lett. 20, 2342-2344 (1995).
  40. Lepoutre, F., Louis, G., Manceau, H. Collisional relaxation in CO2 between 180 K and 400 K measured by the spectrophone method. Chem Phys Lett. 48, 509-514 (1977).

Tags

الكيمياء، العدد 126، البلازما، الميكروويف، كو
عدم التوازن الميكروويف الميكروويف للكفاءة عالية درجة الحرارة الكيمياء
Play Video
PDF DOI DOWNLOAD MATERIALS LIST

Cite this Article

van den Bekerom, D., den Harder, N., … More

van den Bekerom, D., den Harder, N., Minea, T., Gatti, N., Linares, J. P., Bongers, W., van de Sanden, R., van Rooij, G. Non-equilibrium Microwave Plasma for Efficient High Temperature Chemistry. J. Vis. Exp. (126), e55066, doi:10.3791/55066 (2017).

Less
Copy Citation Download Citation Reprints and Permissions
View Video

Get cutting-edge science videos from JoVE sent straight to your inbox every month.

Waiting X
Simple Hit Counter