Method Article

Verimli Yüksek Sıcaklık Kimyası İçin Denge Dışı Mikrodalga Plazma

DOI:

10.3791/55066

⸱

August 1st, 2017

 ,  ,  ,  ,  ,  ,  , 
1Dutch Institute for Fundamental Energy Research, 2University of Trento, 3Eindhoven University of Technology

In This Article

Summary

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

Bu makale, CO 2 , N 2 ve CH 4 gibi kararlı moleküllerin dönüştürülmesi / etkinleştirilmesi için etkin olmayan denge kimyası oluşturmak için kullanılan akıcı bir mikrodalga reaktörü anlatıyor. Burada açıklanan prosedürün amacı, yerinde gaz sıcaklığı ve gaz dönüşümünü ölçmektir.

Abstract

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

Dengesiz kimyayı verimli bir şekilde kullanabilmek amacıyla, elektrik enerjisini istikrarlı moleküllerin iç ve / veya çevrimsel modlarına dönüştürmek için akan bir mikrodalga plazma tabanlı yöntem anlatılmaktadır. Akan bir plazma reaktörünün avantajı, kesintisiz kimyasal işlemlerin başlatma sürelerinin esnekliği ile saniye zaman ölçeğinde sürülebilmesidir. Plazma yaklaşımı genel olarak CO 2 , N 2 ve CH 4 gibi kararlı moleküllerin dönüştürülmesi / etkinleştirilmesi için uygundur. Burada CO, CO 2 indirgenmesi, bir model sistem olarak kullanılır: tamamlayıcı teşhis bazal termodinamik denge dönüşümü, yüksek titreşim uyarım ile ilgili iç olmayan denge ile aşılabilir gösteriyoruz. Lazer (Rayleigh) saçılımı, reaktör sıcaklığını ve Fourier Transform Kızılötesi Spektroskopiyi (FTIR) ölçmek için kullanılır; burada , yerinde iç (titreşimsel) uyarımın yanı sıra efekt karakterize edilirDönüşüm ve seçiciliği izlemek için özel bileşim.

Introduction

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

Bu makale, plazma gaz sıcaklığı ve CO 2 dönüşümünü ölçerken, 1 kW'a kadar akan mikrodalga plazma için bir protokolü açıklamaktadır.

İklim değişikliği endişeleri ve sürdürülebilirlik konusundaki farkındalık, yenilenebilir enerjinin küresel paylaşımının istikrarlı bir şekilde büyümesine neden olmuştur. Bununla birlikte, güneş enerjisi ve rüzgar enerjisinin kesintili doğası enerji sistemine baskı yapar ve daha da yaygınlaşan dağıtımları engeller. Aralıklılığı azaltmak ve ulaşım gibi diğer sektörlere sürdürülebilir enerji elde etmek için depolama (uzun ve kısa vadeli) ve dönüşüm ( örneğin kimyasal yakıtlara dönüştürme) gerekmektedir. Reaktörde üretilen CO, örneğin metan veya sıvı yakıtların sentezi için hammadde gazı olarak kullanılabilir. Bunları enerji santralleri için kullandığınızda, elektrik yenilenebilir enerjinin anlık üretimi düşük olduğunda bile üretilebilir. Bu plakta üretilen CO 2Nts, kapalı bir halka oluşturarak net CO 2 atmosfere dahil olmaz ve böylece temiz bir döngü haline gelir.

Sistem, geçiş zamanı, enerji arzındaki dalgalanmalardan daha küçükse, ara verimi azaltabilir. Mevcut konfigürasyonda, başlatma süresi, ideal bozulma koşulları altında başlama ihtiyacı ve daha sonra optimum dönüştürme koşullarına göre ayarlanması ile belirlenir. İlke olarak, odaklanmış bir lazer veya kıvılcım gibi diğer araçlarla ateşlemeyle aşılabilir. Plazma fiziği sınırlamaları 0,1 ms düzeyindedir. Bu, tipik atmosferik etkilerin zaman çizelgesinden çok daha kısa, örneğin bir güneş paneli dizisi üzerinde hareket eden bulutlar gibi. Mevcut sistemden sürdürülebilir bir yakıt üretim ortamında gerçek bir uygulamaya geçmek hala oldukça uzun bir adım. İdeal olarak, her biri bir güneş paneli alanına veya rüzgar türbine bağlı 100-500 kW'lık bir dizi mikrodalga reaktör olacaktır, tek tek rea'nın değiştirilmesiEnerji arzına göre ctors.

Bu makale, CO 2 , N 2 ve CH 4 gibi kararlı moleküllerin dönüştürülmesi / etkinleştirilmesi için jenerik olarak uygun bir plazma yaklaşımını tartışmaktadır. Burada, kimyasal yakıt sentezinin ilk adımı olarak CO 2'nin CO'ya indirgenme özel örneği aracılığıyla sunulmuştur. Akan mikrodalga plazma reaktörü, başlangıç ​​süreleri düşük olduğundan ve ucuz malzemeler kullanılarak inşa edilebileceği için aralıklılık problemlerini çözmek için uygundur.

Mikrodalga plazmalarda, serbest plazma elektronları mikrodalgaların salınımlı elektrik alanı ile hareket eder. Enerji daha sonra ağır parçacıklara (nötr ve iyonize gaz türleri) çarpışmalar yoluyla aktarılır. Kütlelerindeki büyük farklarından ötürü, bu reaktör esas olarak elastik çarpışmalarda etkilidir. Öncelikle iyonizasyon var. Kararlı durumda, iyonizasyon oranı esas olarak recom nedeniyle kayıplara eşittirbileflimini. Bununla birlikte, Tablo 1'de gösterildiği gibi, iyonizasyon enerjileri genel olarak ayrışma enerjilerinden önemli derecede yüksektir ve bu da iyonlaşma yoluyla ayrışmayı doğal olarak verimsiz yapar. Benzer şekilde, elektron darbesi ayrılma fazla 10 eV 1 bir enerji eşiğini içerir ve aynı zamanda doğal olarak verimsizdir. Plazma fazının yine de moleküler çözülmeyi sağlamak için etkin bir mekanizma olmasının nedeni, titreşim modlarının etkili uyarılmasıdır 2 .

Mikrodalga plazma 3 için ortak birkaç eV ortalama elektron enerjisinde, titreşim uyarma egemen enerji aktarım yolu. Asimetrik gerilme özellikle önemlidir, çünkü moleküller arası çarpışmalarla yüksek seviyelerde enerji hızla dağıtabilir. Enerji değişimi, sıcaklık ile birlikte artar ve daha büyük ΔE için azalır ve tO titreşimli merdivende anharmonisite ve iki bitişik titreşim modunda ilişkili küçük enerji farkı 4 . Yüksek titreşim seviyelerinin yukarı pompalanması, ayrışmaya kadar gidebilir ve bu da enerji açısından verimli bir ayrışma reaksiyonu 5 ile sonuçlanır.

CO 2'deki yüksek titreşimli pompalama, daha yüksek titreşim modlarının termal dengeden daha popülasyona sahip olduğu ve sonunda Treanor dağılımı 6 üreten bir duruma neden olur. Daha yüksek titreşim seviyelerinin aşırı nüfusunun sağlanması için şart Vibrasyon-Titreşim (VV) gevşeme oranlarının Titreşim-Tercüme (VT) gevşeme oranlarına göre çok daha yüksek olmasıdır. CO 2'nin asimetrik gerdirme modu için durum böyle. VT hızları artarken, gaz sıcaklığı arttıkça VV gevşeme oranları düşer. VT gevşemeleri gazı arttırdığındanSıcaklık, olumlu bir geribildirim mekanizması, yüksek titreşim seviyelerinin aşırı nüfusunun tahrip edilmesine yol açan, kaçak bir VT gevşemesi meydana getirebilir. Diğer bir deyişle, düşük gaz sıcaklıkları, termal olmayan dağılım için elverişlidir.

Aslında, plazma farklı türler ve serbestlik dereceleri için belirgin farklı sıcaklık sergileyecektir. Birkaç eV'lik tipik elektron sıcaklığında titreşim sıcaklıkları binlerce derece santigrat olurken, çevirme (gaz) sıcaklıkları bin santigrat derece altında kalabilir. Böyle bir durum, dengesizlik olarak bilinir ve kimyasal reaksiyonlar için uygun olduğu kabul edilmiştir.

Translasyonel gaz sıcaklığı, plazmanın kimyasal reaksiyonları tetikleyebileceği enerji verimliliği için çok önemlidir, doğru ve alansal olarak çözümlenmiş teşhis talep eder. Emisyon spektroskopisi temel alınır Sıcaklıkları çıkarmak için plazma fiziğinde yaklaşım. Örneğin, optimal teşhis için saf olmayanları kullanarak rotasyon spektrumu değerlendirmek mümkündür. Bununla birlikte, bu daima görüş hattı entegrasyonunu ve dolayısıyla ortalamayı içerir. Bu yazıda göreceğimiz gibi ~ 4000 K'ye kadar yüksek orta sıcaklıklara ve ~ 500 K'lik duvar ile belirlenen kenar sıcaklıklarına bağlı olarak sıcaklık gradyanları dik olmalıdır. Lokalize ölçümler çok değerlidir.

Bu çalışmada, Rayleigh Saçılımından kaynaklanan yerel yoğunluk ölçümleri, ideal gaz kanunu yoluyla sıcaklığın çıkarılması için basınç ölçümleri ile birleştirilir. Rayleigh saçılma ölçümleri, CO 2 moleküllerinin bağlı elektronları üzerindeki fotonların elastik saçılımının tespit edildiği bir numune hacminde yüksek güçlü bir lazerin odaklanmasını içerir. Gaz sıcaklığı Rayleigh sinyalinin yoğunluğu ile ilgili:

On 1 "src =" / dosyalar / ftp_upload / 55066 / 55066eq1.jpg "/>

Burada T gaz sıcaklığı, p basınç göstergesi ile ölçülen basınç, I ölçülen Rayleigh yoğunluğu, dσ / dΩ (T) Rayleigh kesit ve C bir kalibrasyon sabitidir. Dσ / dΩ (T) kesitine bağımlı olduğu için, dissosiyasyonun önemli olduğu yüksek sıcaklıklarda kalibrasyon sabitinin sıcaklığın bir fonksiyonu olduğunu görüyoruz. Sıcak merkezde belirli bir sıcaklık için tür konsantrasyonunun hesaplanması için sadece denge dönüşümünün gerçekleştiği varsayılmaktadır. Bu şekilde, tek bir sayısal sıcaklıklarda 7 bir dizi için ölçülecek olan beklenen Rayleigh yoğunluğunu hesaplamak için kullanılan, belirli bir sıcaklıkta, etkili bir kesite hesaplayabilir. Sıcaklığın bir fonksiyonu olarak bu etkili kesit Şekil 1'de gösterilmektedir > Rong.

Plazma dönüşümünün performansı FTIR vasıtasıyla ölçülür. Şu andaki CO 2 azalması durumunda plazmada net reaksiyonun şu şekilde olduğu varsayılmaktadır:

figure-introduction-1

Bu, tek bir dönüşüm faktörü α'nın kullanılmasına olanak tanır; bu da, CO hacim fraksiyonuyla ilgili olup α

figure-introduction-2 ,

FTIR spektrumundaki CO ve CO 2'nin spektral işaretlerinden çıkarılan konsantrasyonlardan gelen izlenimdir. Etkili Rayleigh kesitinin, FTIR tarafından belirlendiği üzere toplam dönüşüm faktöründen kolayca çıkarılabileceğini not ediyoruz. Genel dönüşüm sadece merkezi reaktör sıcaklığı tarafından değil, aynı zamanda gaz sıcaklığının gerçek radyal profilindeki inceliklerle de ayarlanır.

Bu bildiri, mikrodalga plazma kimyasal gaz dönüşümünün karakterizasyonu için önerilen teşhis şemasını detaylandırmakta ve seçilen örneklerle fakültesini göstermektedir. Değerlendirme altındaki reaktör için gaz akışı, basınç ve mikrodalga gücü açısından tam parametre taramaları şu bölümlerde bulunabilir: 7 , 8 , 9 .

Protocol

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

NOT: Kurulumun şematik bir versiyonu için Şekil 2'ye bakın.

1. Mikrodalga Plazma Deneysel Düzen

  1. 1 kW magnetronu bir su yükü bağlı sirküleöre bağlayın.
  2. İzolatörü, dalga kılavuzunun plazmaya empedans eşleştirmesi için kullanılan üç bağlantı radyosuna bağlayın.
  3. Aplikatörü üç saplamalı tunere takın ve dalga kılavuzunun ucuna kayan bir kısa ekleyin.
  4. Aplikatörün deliğine 17 mm veya 27 mm'lik iç çaplı bir kuvartz tüp yerleştirin.
    NOT: Mikrodalga fırınları, bu tüp içerisinde bulunan akan CO 2 gazı emilir.
  5. Kuvars tüpünü KF flanşlarına ve bir gaz girişine bağlayarak vakum ayarını tamamlayın.
  6. 17 mm kuvars tüpü için KF-16 kullanın ve 27 mm kuvars tüpü için KF-40 kullanın. Sıcak plazmanın duvarlara dokunmasını önleyen bir girdap akışı oluşturmak için teğetsel bir gaz girişi kullanın.
  7. ConnecTa gaz kelebeği vakum pompasıyla seri halde; Bu pompalama hızını etkili bir şekilde düzenleyerek basıncın 5 mbar'dan atmosfer basıncına değişmesini sağlar.
  8. Gaz kelebeği valeline paralel olarak, düşük basınç (plazmanın ateşlenmesini kolaylaştırmak için gereklidir) ve gaz kelebeği basıncının ayarını kaybetmeden yüksek basınç arasında geçiş yapmak için bir kısayol valfı bağlayın.
  9. Gaz akışı 0,5 ila 10,0 SLM arasında ayarlanabilmesi için bir kütle akış kontrol cihazını gaz girişine bağlayın.
  10. Plazmayı başlatmadan önce magnetronun su soğutmasını açın.
  11. Sersemli mikrodalga radyasyonunu izlemek için bir radyasyon ölçer ve ortam CO, H 2 veya NO x konsantrasyonlarını izlemek için bir gaz dedektörü gibi güvenlik sistemlerini etkinleştirdiğinizden emin olun. Bu güvenlik sistemleri, deneyler sırasında çok önemlidir.
  12. Kaynağın güç düzeyini elle çevirerek gücü açın ve maksimum güce ulaşın.
  13. Pl ayarlayınYansıyan enerjiyi azaltmak için sürekli olarak izlerken hafifçe ileri geri hareket ettirin. Yansıtılan gücü en aza indirgemeyi hedefleyin. Üç saplamalı alıcıları, yansıyan güç minimize edilinceye kadar çevirerek ayarlayın. Bir ağ analizörü varsa, Leinz 10 tarafından bildirilen prosedürü takip edin.
    Not: Vakum ve mikrodalga sistemi, Şekil 3 bir görülebilir.

2. Rayleigh Saçılması Teşhisinin Optik Düzeni

  1. 532 nm Nd: YAG lazer ışını ayna ile eksene giren aynalarla hizalayın. Lazer, 10 Hz'lik bir tekrarlama hızına ve darbe başına 600 mJ'lik bir maksimum güce sahiptir.
  2. Reaktörün karşı taraflarında (giriş ve çıkış) pencereler. Aşırı far ışıklarını önlemek için 532 nm için kaplamalı yansıma önleyici (AR) kaplamalı pencereler kullanın. Alternatif olarak, Brewster pencerelerini harici bir kiriş dökümüyle birlikte kullanın.
  3. Başlama(Bkz . Malzeme Tablosu ).
  4. Düşük çıkışlı bir güç programı kullanarak lazeri hizalayın. Hiçbir ışık çıkışı üretilemeyecek şekilde 0 μs'lik bir Q-anahtar gecikmesiyle başlayın. Işık çıkışı görünene kadar gecikmeyi 5 μs adımlarla arttırın.
  5. Kiriş çok parlak ise, "yeterli" parlaklığı elde etmek için 1 μs adımlarla aşağı inin, yani kiriş noktasının halen görülebileceği en düşük güç.
  6. Işını, vakum sisteminin lazer ışını çıkış tarafına ikinci bir AR-kaplamalı pencere monte edin, kirişi harici bir kiriş dökümüne atın. Alternatif olarak, pencere yerine bir vakum ışını dökümü monte edin. Kurulumun şematik bir versiyonu Şekil 2'de görülebilir.
    NOT: Pencerenin ortadan kaldırılması, saptanabilir Rayleigh saçılma sinyal seviyelerini elde etmek için gerekli olan plazma boşaltma bölgelerindeki sersemli ışığı azaltır.
  7. Odak uzaklığı 2.4 olan bir mercek takın.Işın yolunda, giriş penceresinden hemen önce, lazeri dalga kılavuzunun merkezine odaklamak için. Uzun odak uzaklığı, Rayleigh saçılma toplama bölgedeki sersemli ışığı azaltır. Olay güç yoğunluğunu pencerelerin hasar eşiğinin altına düşecek şekilde azaltmak için merceği pencereye olabildiğince yakın yerleştirin.
    NOT: Özellikle lazer odaklamasında gazdaki lazer arızalarını önleyin. Basınçları ölçülecek olan yukarıdaki lazer odaklama sonra bir basınçta bir reaktör içinde CO2 akar. Hiçbir lazer arızası gözlenemiyorsa, ölçümlerin yapıldığı daha düşük basınçlarda ve daha yüksek sıcaklıklarda meydana gelmez çünkü tür yoğunluğu çok daha düşük olacaktır. Görünür mavi renkte yanıp sönen yüksek ses duyulursa, lazer gücünü düşürün.
  8. Giriş penceresinde saçılma nedeniyle plazma boşaltma bölgesinde kaçak ışık seviyelerini daha da azaltmak için düzenli aralıklarla yerleştirilmiş bölmeler vakum tüplerine yerleştirin 11.
  9. Optik erişim için lazer ışınına dik olarak çapı 24 mm olan bir piston yerleştirin. Sınırlı diyafram boyutu, önemli mikrodalga radyasyon kayıplarını engelliyor.

3. Optik Ayarlar - Algılama Şubesi

  1. Reaktöre dik olan bir lens (f = 100 mm, 51 mm çapında) yerleştirilir ve Şekil 3 'de gösterildiği gibi piston delikten saçılan ışığı toplamak. Işık 400 μm çaplı bir optik elyaf üzerine odaklanır ve lens görüntüsünde konumlandırılır.
    NOT: Lifler, giriş yüksekliği 26.7 mm ve uzunluğu 40 m olan 59 eritilmiş silika elyaftan oluşan doğrusal bir dizi içine yerleştirilmiştir.
  2. Işığı spektrometreye yönlendirmek için elyaf kullanın.
    NOT: Buradaki ışık, 10 μm'ye kadar ayarlanabilen genişlikte giriş yarığına görüntülenir. Toplama optiklerinin büyütülmesi, yaklaşık 20 mm. Çakışan C 2 kuğu emisyonunu filtrelemek için bir spektrometre kullanılır. Deneyci sadece Rayleigh saçılmasıyla ilgileniyorsa, bu amaçla uygun bir bant geçiren filtre kullanılabilir. Bu durumda, 3.3 - 3.6 arasındaki adımlar atlanabilir. Spektral filtre, ölçülen ışık yoğunluğunu lazer darbeli ve lazer palssız kıyaslayarak tamamen ortadan kaldırılabilir, böylece optik kurulum oldukça basitleştirilir. Monokromatör elenirse, ölçümleri spektral çözünürlüğe ihtiyaç duyulan Thomson veya Raman saçılımına kadar genişletmek mümkün değildir.
  3. Dağınık ışığı spektral olarak çözmek için bir spektrometre kullanın (evde inşa edilmiş).
    NOT: Şekil 2'de görülebileceği gibi, spektrometre bir giriş yarığı, direksiyon aynası, Littrow lens, dağılabilir ızgaralı görüntü yoğunlaştırıcı, odaklama lensleri ve CCD kameradan oluşur.
  4. Spektrometrenin içinde, giren ışığı Littrow mercekine af yansıtacak şekilde bir ayna yerleştirinOcal mesafe 0.3 m ve çapı 80 mm'dir.
    NOT: Spektrometre, 'Littrow' konfigürasyonunda bulunur; bu, olay ve kırınmış ızgaranın ızgaranın normaliyle aynı açıya sahip olduğu anlamına gelir. Sonuç olarak, aynı lens, gelen ışığı ve görüntüleme kırınımını detektöre kollimatize etmek için kullanılır.
  5. Uygun dalga boyu aralığını ayarlamak için kırınım ızgarasını bir dönme aşamasında döndürün. Bir Nd: YAG lazer için, bu genellikle 524 ila 540 nm arasındadır. Izgara 11 x 11 cm, 2 ve birinci dereceden kırınımı için optimize edilmiş 1.200 mm -1 yiv yoğunluğuna sahiptir. Bu, 0.027 nm / px çözünürlüğüne neden olur. Şekil 3 B , ızgaranın ve Littrow lensinin bir resmini göstermektedir.
    NOT: Izgara, yüksek sipariş sonucunda birden çok noktayı görüntüler; Sadece 1. derece maksimum görüntü kuvvetlendirici biter emin olun.
  6. Yoğunlaştırılmış l görüntüsüne iki lens koyunBir CCD kamerada ( Şekil 3 C ).
  7. Yanıltıcı ışık katkılarını nicelendirin. 60 mbar basınca pompalayın ve dağınık yoğunluğu ölçün. Basıncı azaltın ve yoğunluğu tekrar ölçün. Baskı daha fazla indirilene kadar bunu tekrarlayın.
  8. Yoğunluğu ve basıncı planlarken doğrusal bir ilişki olduğundan emin olun. Doğrusal işlevi sıfır basıncına çıkarın.
    NOT: Sıfır basınçta herhangi bir Rayleigh saçılması meydana gelmediğinden, kesişme noktasındaki yoğunluk, far ışık seviyesidir. Bu işlemin sonucu Şekil 4'te gösterilmektedir.
  9. CCD tarafından kaydedilen yoğunluğu en iyileştirmek için görüntü yoğunlaştırıcının kapılama parametrelerini ayarlayın. Önce başlamış ve lazer darbesinden sonra biten, böylece tüm lazer darbesinin yakalanacağı bir kapı darbesinden başlayın.
  10. Işığın uçuş süresi gecikmesini hesaba katın, çünkü ışık tO tüm optik kurulum boyunca ilerleyin. Yoğunluğun azalmadığından emin olmak için gecikmeyi azaltın.
    NOT: 9 ns darbe için 30 ns'lik bir zaman penceresinin yeterli olduğu bulundu. Kazancı artırmak için, çok kanallı plaka voltajını maksimum voltaja (burada 850 V) yükseltin. CCD kamera aşırı maruz kalırsa, daha küçük bir çok kanallı plaka voltajı seçilebilir.

4. FTIR Spektrometresi

  1. CO üretim oranını ölçmek için plazmanın akış aşağısında gaz egzozuna bir FTIR spektrometresi yerleştirin. Gazın kimyasal dengede olduğundan emin olmak için spektrometreyi reaktörden yeterince uzağa yerleştirin. Tarif edilen kurulumda, plazmadan uzaklığı 2 m idi.
  2. Vakum sistemi ile seri bağlanmış giriş ve çıkış körüklü FTIR spektrometresi örnek bölmesine bir hücre koyun. Bu, Şekil 5'te şematik olarak gösterilmektedir.
  3. Hücrenin her iki yanına bir CaF 2 penceresi takın.Kızılötesi ışının gazı sondalamasına izin vermek için.
  4. Sinyal yoğunluğunu maksimuma mümkün olduğunca yakın olana kadar sinyal kazancını değiştirin, ancak sinyal genişliğini aşmayın. İzin verilen azami yoğunluk, cihazdan cihaza farklılık gösterebilir.
  5. 'Interferogram' önizlemesini tıklayın. Ortada yüksek bir tepe noktası ve omuzlarda düşük yoğunluk olan bir interferogram görülebiliyor.
  6. Ölçümlere başlamadan önce vakumla (<0.1 mbar) bir arka plan ölçün. Bunu yapmak için reaktörün vakumda olduğundan ve gaz akışı olmadığından emin olun; Ardından 'Sinyal Seviyesi İzleyicisi' penceresindeki 'Arka Plan' simgesini tıklayarak bir arka plan kaydedin.
  7. Mikrodalgayı, plazma ateşleyene kadar gücü maksimum seviyeye getirerek açın. Plazma ateşlemede kullanılan basınç ~ 1 mbar'dır.
  8. 2.400 ila 2.000 cm- 1 arasında bir spektrum kaydedin; Bu CO ve ana CO 2 bandını içerir.
  9. Gürültüyü azaltmak için spektrumu ortalama alın; 10 değer0; bu deneyde ortalamalar kullanılmıştır. Ölçülen CO hatlarını HITRAN-veritabanı 12'yi kullanarak uydurun.
    NOT: Bu, CO hacim fraksiyonuyla sonuçlanır. Basınç ölçülür ve toplam sayı yoğunluğunu bulmak için bir giriş parametresi olarak kullanılır. Sıcaklığın oda sıcaklığı olduğu varsayılır, ki bu da spektrumdaki rovibrasyonel zirvelerin dağılımı ile haklı gösterilir.
  10. İn situ spektrumları ölçmek için , reaktörü Şekil 6 ve 7'de gösterildiği gibi numune bölmesinin içine yerleştirin.
  11. Radyal ölçümleri etkinleştirmek için kuvars tüpü yerine safir haline geçin. Safir aşağı 1,800 cm IR-ışık ileten -1.
  12. In situ ölçümlerde, plazmada dalgalanmaları ortalama olarak almak için ortalama 100'den fazla ortalama kullanın.
  13. Bölme duvarlarını mikrodalga emici malzeme ile süsleyerek mikrodalga yayılımını azaltın (burada Eccosorb OCF kullanıldı)).
  14. Plazma tarafından ek IR-emisyonu sonucunda interferogramın doyurulmamasına dikkat edin. Böyle bir durumda, dedektörün DC-ofsetini değiştirin. Safir 13'ün sıcaklığa bağlı absorbsiyonu için oluşan spektrumları düzeltin.
  15. Sıcaklığı ölçmek için bir IR kamera kullanılıyorsa, safirin şeffaf olmadığı, yani 6 μm'den yüksek bir aralıkta hassas bir kamera kullanın, böylece plazmadan ziyade tüpün sıcaklığı ölçülür.
    NOT: Safirin sıcaklığa bağlı emilmesi için önerilen değerler 14 .

Results

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

Bu bölümde, akışkan plazma reaktörünün temsili sonuçları sunulmuştur. CO-dönüşümünün spesifik enerji ile doğrusal olarak arttığı, yaklaşık 2.2 eV / molekülüne kadar olduğu gösterilmiştir. Enerji verimliliği η aşağıdaki şekilde hesaplanır:

figure-results-1

Burada α giriş gücündeki ölçülen dönüşüm, q, moleküler gaz akış hızı, AE = 2.7 eV net ayrışma enerji ve P. Ölçülen dönüşümü (bir sonraki paragrafta açıklanacaktır) kullanarak, plazma reaktörünün enerji verimliliğini bulabiliriz, bu basınç ve güçler için çizilen ve Şekil 8 A ve 8B'de sabit bir akış hızı olan 13 SLM'dir . Plazma prCO 2'yi % 49 enerji verimliliğine sahip CO'ya dönüştüren ve maksimum termodinamik verimlilik 5 ile karşılaştırılabilir kapasitesine sahiptir. Burada bildirilen verimlilik termal ayrışmanınkine yakın olmasına rağmen, denge dışı bir plazmanın, ölçülen translasyon sıcaklığında denge üzerine olduğundan daha yüksek bir CO hacim fraksiyonu üretebileceğini ispatlamaktadır. Termal ayrışmadan daha büyük bir avantaj, reaksiyonun Dalgalanan güç üretimini azaltmak için birkaç saniyede açıp kapatabilirsiniz. Buna ek olarak, Elektron Enerji Dağılımı İşlevini (EEDF) uyarlayarak verimliliği daha da artırma potansiyeli bulunmaktadır.

Şimdi egzoz için elde edilen sonuçlara odaklanıyoruz. CO konsantrasyonu IR absorpsiyon spektroskopisi ile ölçülür. Şekil 9 A ve 9B'de , temsili bir spektrum gösterilmektedir. Uygun sonuçlar bir teSıcaklık 299.36 K ve dönüşüm% 14.7'dir. Ölçülen veriler (mavi) uygun verilerle (yeşil) iyi bir karşılaştırmadır. Egzozdaki sıcaklık oda sıcaklığına yakın olduğu için, montaj prosedüründe sıcaklığı sabit bir parametre olarak bırakmak uygundur. Daha sonra , yerinde ölçümler tartışılmıştır. CO, O ve O - 2 - CO 2 15, 16 'dan önemli ölçüde farklıdır Rayleigh ışık yoğunluğu yorumlama, reaksiyon ürünlerinin Rayleigh kesitleri dikkate alınmalıdır. Bu sayı, ancak örnek hacim kompozisyonu bilgisi mevcutsa çözülebilir. Raman spektrumu kaydedilebiliyorsa, ürünlerin yerel sayı yoğunluğunu tahmin etmek için CO molekülünün Raman spektrumunun izlenmesi önerilir. Bu durumda polarize edici ışık, Thomson ve Rayleigh saçılmalarını ortadan kaldırmak için kullanılabilirken rotanın yoğunluğunu da azaltabilirizIonal Raman sadece bir faktör ile dağınık ışığı 3/7 17 . Raman spektrumu Rayleigh zirvesi yeterince azalmadığı için ölçülemiyorsa, dönüşüm denge dönüşümüne dayanarak tahmin edilebilir (bakınız referans 7 , 20 ). Bu, denge dışı koşullardan ötürü gelişmiş üretim dikkate almıyor olsa da, gaz sıcaklıkları bu sadeleştirmeyi haklı çıkaracak kadar yüksektir. Şekil 10'da sıcaklık verileri farklı Rayleigh kesitleri dahil edilmiştir. Plazma merkezinde herhangi bir optimizasyon olmaksızın plazma merkezindeki gazın 5.000 K'ye kadar olan sıcaklıklara ulaşabileceği bulundu. Ar plazmalarında, sıcaklık uyarıldığında heyecanlı türlerden gelen saçılım ve Thomson saçılımının önemli olduğu gösterildi 10,000 K 18 , 19 , 20'ninSıcaklık ölçümü güvenilmez. Rayleigh ve Thomson saçılımı için diferansiyel kesit değerlerinin sırasıyla 0.148 · 10 - 30 m 2 ve 7.94 · 10 - 30 m 2 olduğu göz önüne alındığında, 1 iyonizasyon derecesi 1.9 · 10 -4 , Thomson katkısı 1 %. Bu 1 · 10 -6 -5 10 · 8'e kadar (Fridman ve 5, p294) iyonizasyon derecesi plazmada mevcut olduğu öngörülen çok daha yüksektir.

In situ FTIR ölçümleri, homojen bir plazma oluşturmak için 2,0 slm'lik bir akış ve 5 mbar'lık daha düşük bir basınçta idi; bu da, güvenilir bir yolla bütünleştirilmiş ölçüm sağlıyor. Bu aynı zamanda plazmanın kendisine dokunması ve duvarın ısınması anlamına gelmektedir. Duvarın aşırı ısınmasını önlemek için güç yalnızca 30 W'a düşürülür. CO-üretimi bu düşük güç ve basınçta ihmal edilebilir olmasına rağmen , yerindeFTIR hala CO 2 plazmasının dinamiği ile ilgili bilgiler vermektedir. Spektrum 0.125 cm " 1 çözünürlükle kaydedildi. Spektrum, HITRAN 12'nin uygulama programlama arayüzü olan HAPI'ya dayanan bir modele uyuyordu. Kod, farklı titreşim normal modları için ayrı sıcaklıkları içerecek şekilde değiştirildi. Fermi rezonansı, iki normal mod arasında hızlı bir gevşemeyi garanti ettiği için, simetrik gerilme ve bükme modu için tek bir sıcaklık T 12 kullanıldı.

Şekil 11'de gösterildiği gibi, uyumun sonucu T = 700 K, T 12 = 1,250 K ve T 3 = 1,500 K'dir. Yerleştirilen basınç 10 mbar'dı. Bu aşırı tahminin, basınç genişleme sabitleri için bir tahmin edilemeyen sıcaklık katsayısını dengelemesi muhtemeldir. Rayleigh saçılması ile bulunan gaz sıcaklığı oNe FTIR ile bulunmuştur, çünkü Rayleigh saçılımı yerel sıcaklıkları ölçerken FTIR spektrumu hat entegre edilmiştir.

figure-results-2
Şekil 1 : Rayleigh kesitinin sıcaklık bağımlılığı
Reaksiyon ürünleri için farklı kesitlerden çıkan Rayleigh kesiti. Termal dengedeki bir dönüşümün, bağıl tür mol fraksiyonlarını hesapladığı varsayılır. Bu rakamın daha büyük bir versiyonunu görmek için lütfen tıklayınız.

figure-results-3
Şekil 2 : Rayleigh ölçümleri için optik kurulum
Bir lens focuLazer ışığını kuvars tüp merkezine getirin. Dalga kılavuzu, plazma içine mikrodalga fırlatarak lazerin odak noktasına yerleştirilir. Pistondaki bir delik, lazer akoruna optik erişim sağlar. Spektrometre, (1) giriş yarığı, (2) direksiyon ayna, (3) Littrow lens, (4) dağılabilir ızgaralama, (5) görüntü yoğunlaştırıcı, (6) ve (7) odaklanma lensleri ve (8) ) CCD kamera. Bu rakamın daha büyük bir versiyonunu görmek için lütfen tıklayınız.

figure-results-4
Şekil 3 : Kurulum resimleri
( A ) Mikrodalga aplikatörü ve optik fiberler de dahil olmak üzere vakum tertibatının resmi. ( B ) Spektrometrenin iç kısmındaki resim, Littrow lens ve kırınım ızgaralı visibl ile e. ( C ) Yoğunlaştırılmış ışığın CCD kameraya görüntülendiği objektif sisteminin resmi. Bu rakamın daha büyük bir versiyonunu görmek için lütfen tıklayınız.

figure-results-5
Şekil 4 : Basıncın fonksiyonu olarak ölçülen yoğunluk
Ölçülen Rayleigh saçılımı zamanın farklı noktaları için basıncın bir fonksiyonu olarak. Mavi çizgi, verilerin doğrusal olarak uyuşmasını temsil eder. Hata çubukları, basınç göstergesinin mutlak hatasını gösterir. Bu rakamın daha büyük bir versiyonunu görmek için lütfen tıklayınız.

066 / 55066fig5.jpg "/>
Şekil 5 : FTIR gaz tahliye analizi tertibatının şematik çizimi
Bir gaz hücresi FTIR spektrometrenin numune bölmesine yerleştirilir. Hücre egzoz ile seri bağlanır, böylece gaz akar. Bu rakamın daha büyük bir versiyonunu görmek için lütfen tıklayınız.

figure-results-6
Şekil 6 : Yerinde FTIR kurulumu
Yerinde FTIR kurulumunun şematik resimleri. Akış borusu diktir ve gaz aşağıdan yukarı doğru akar. Tüp, FTIR kirişinin odak noktasındadır. Daha büyük bir versiyon görüntülemek için lütfen tıklayınız.Bu şekildeki gibi.

figure-results-7
Şekil 7 : Yerinde FTIR kurulumunun resimleri
FTIR spektrometresinin örnek bölmesindeki dalga kılavuzunun Yanı ( A ) ve üst ( B ) görüntüsü. Dalga kılavuzunun üstündeki körükler vakum pompasına bağlıdır ve reaktör için bir egzoz olarak görev yapar. Bu rakamın daha büyük bir versiyonunu görmek için lütfen tıklayınız.

figure-results-8
Şekil 8 : Temsilci enerji verimliliği ve dönüşüm etkinliği
Grafikte ( A ), enerji verimliliğiTipik plazma 127 ila 279 mbar arasında değişen basınçlarda uygulanan mikrodalga gücünün bir fonksiyonu olarak gösterilir. Grafikte ( B ), dönüşüm etkinliği gösterilmektedir. Bu rakamın daha büyük bir versiyonunu görmek için lütfen tıklayınız.

figure-results-9
Şekil 9 : CO'nun temsili infrared (IR) absorpsiyon spektrumu
Grafik ( A ), gaz egzozunun ölçülen IR absorpsiyon spektrumunu (mavi noktalar) göstermektedir. Yeşil renkli düz çizgi, verilere uyan en küçük karelerin olduğunu gösterir. Sonuçlar T = 299.36 K ve α = 14.7'dir. Yakınlaştırılmış bir resim, ( B ) bölümünde gösterilmektedir. Büyük boy görmek için lütfen tıklayınız.R rakamına bakınız.

figure-results-10
Şekil 10 : Ölçülen gaz sıcaklığı
Bu grafikte, Rayleigh saçılımı ile ölçülen plazma merkezinin gaz sıcaklığı, farklı basınçlar için enerji girişinin bir fonksiyonu olarak gösterilmiştir. Bu rakamın daha büyük bir versiyonunu görmek için lütfen tıklayınız.

figure-results-11
Şekil 11 : Plazma deşarjının yerinde IR soğurma spektrumu
Grafik ( A ) CO 2 deşarjının ölçülen İR spektrumunu göstermektedir. Mavi çizgi en iyi uyumu verir.T = 700 K, T 12 = 1,250 K ve T 3 = 1,500 K olan veriler (yeşil noktalar). Kırmızı çizgi, kalanın kalıntısını verir. Yakınlaştırılmış bir resim, ( B ) bölümünde görülebilir. Bu rakamın daha büyük bir versiyonunu görmek için lütfen tıklayınız.

iyonlaşma ayrışma
eV eV
CO 2 13.77 5.52
CO 14,01 11.16
O 2 12.07 5.17
N2 15.58 9.8
CH 4 12.51 4.54
CH 3 9,84 4.82
CH 2 10.4 4.37
CH 10.64 3.51
H 2 15.43 4.52

Tablo 1: Ortak türlerin ve ürünlerin iyonlaşma ve ayrışma enerjileri.

Discussion

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

Hem kimya endüstrisinin elektrifikasyonu için hem de yenilenebilir enerjideki aralıkların hafifletilmesi için sürdürülebilir bir sistemde kimyayı kullanmak için sürekli akış reaktörleri gereklidir. Sürekli akış reaktörlerinin kimya endüstrisinde devrim yaratmada önemli bir rol oynayacağı kabul edilmiştir 21 . Daha spesifik olarak, plazma reaktörü basitliği, kompaktlığı ve düşük fiyatı nedeniyle CO 2 nötr yakıt üretiminde kimyasal bitkilere ticari olarak cazip bir alternatif olarak tanımlanmıştır 22 . Plazma teknolojileri geniş Corona 24, 25, 26, nanosaniye pulse deşarjları 27, mikro delikli bir katot deşarjları 28 microplasmas deşarj dahil olmak üzere, CO 2 23 ayrışması için önerilmiştir"xref"> 29, dielektrik bariyer 30, 31, 32, 33, kayma yaylar 34, 35, ve mikrodalga plazmaları 37, 38 boşaltır. Bu geniş kapsamlı teknolojilerden mikrodalga plazma ve kayma sırtı, kW aralığında en yüksek gç ile çalıştırılmış ve bir kayma yay için% 40 ve bir mikrodalga deşarj için% 60-80 olmak üzere en iyi verimi göstermiştir. Hem mikrodalga plazma hem de kayma kaynağı reaktörü, pratik bir uygulama için öngörülen 100 kW'a kadar ölçeklendirme için gerekli olan yüksek güçte çalıştırılabilir. Mikrodalgalı plazmasının işlemi 2 ayrılmasını CO bunlarla sınırlı değildir ve ayrıca yeniden metan ve azot bağlanması için kullanılabilir. Mikrodalga reaktörünün temel dezavantajı düşük presEmniyetli (100 mbar) optimum koşullarda, bu da maksimum gaz akışını sınırlar.

Anlatılan prosedür, CO2 ile gösterilmiştir, fakat CH 4, N2 ya da diğer stabil moleküllerin aktivasyonu için bir değişiklik olmadan kullanılabilir. Bu vakaların çoğunda, farklı IR bantları vb NH3, NO x, C2 H2, C2 H4 gibi beklenen ürünlerine karşılık gelir, metan plazma Çalıştırma kurum gibi külfetli olabilir ölçülmesi gerekir - bir Reaksiyon ürünlerinin - duvarlara biriktirilmesi ve mikrodalgaları emmesi, plazmayı etkili bir şekilde söndürmesi. Titreşim pompalama, yüksek VT transfer oranları nedeniyle metandan CO 2'ye göre çok daha az etkili olmasına rağmen, plazma katalizi metan için avantajlı olabilir (Fridman 5 , s.688)

Doğru Rayleigh saçılma ölçümlerine bir arada ulaşmak zordur.Kurum kurumalı plazma, kurum partikülleri üzerindeki Mie dağılımının bir sonucu olarak yüksek serseri ışık katkısı nedeniyle. Rayleigh ölçümlerini karmaşıklaştırmasına rağmen, kurum partiküllerinin yoğunluğunu belirlemek için 39 kullanılabilir . Raman saçılımı, bu ortamdaki sıcaklığı ölçmek için cazip bir alternatif oluşturabilir; çünkü far ışık ve (Raman) dağınık ışık bileşenlerini spektral olarak ayırt etmeye izin verir. Raman saçılmasının entegrasyon süresi, plazmadaki dalgalanmaların ortalaması alınmak üzere ~ 20 dakika düzeyindedir. Reaktördeki basıncı biraz artırdığı için, sistemin ısıtılması gibi uzun vadeli etkiler ölçüm üzerinde etkili olabilir.

Düzensiz ışık ve Rayleigh dağınık ışığı arasındaki büyük spektral örtüşme nedeniyle, başıboş ışık bastırmasının önemi (kurumun yokluğunda bile) aşırı abartılamaz. Bozuk ışık düzgün bir şekilde azaltılabilirBölmelerin yerleştirilmesi, lazerin odak uzaklığının arttırılması ve kurulum uzunluğu ve tüp çapının arttırılması. Vakum ışın dökümünün kullanımı, çıkış penceresini ortadan kaldırdığı için uzaktaki ışık seviyelerini daha da düşürür. Alternatif olarak, Brewster pencereleri de kullanılabilir. Daha önce anlatıldığı gibi, farklı Rayleigh kesitlerini doğru bir şekilde hesaba katmak için kompozisyon hakkında bazı bilgiler (ölçülmüş veya simüle edilmiş) gereklidir.

Akan mikrodalga plazma,% 50'ye kadar bir enerji verimi, hızlı anahtarlama esnekliği ve sadece ucuz malzemeler kullanarak kimyayı sürmek için uygun bir yöntem olduğu kanıtlanmıştır. Bununla birlikte, merkezdeki kaydedilmiş sıcaklıklar, yüksek titreşim aşırı nüfus için uygun olanlardan daha yüksektir. Sıcaklığı düşürerek, daha yüksek enerji verimliliğine ulaşılabilir. Gücün düşürülmesine ( örneğin 200 W'a kadar) rağmen reaktörün ek optimizasyonu yapılmadan gaz sıcaklığı düşer,Ayrıca verimliliği düşürür.

Sıcaklığı düşürmenin diğer iki yolu burada önerilir. Birinci yol, mikrodalga gücünü darbe altına almaktır. Normal VT gevşeme zamanından ziyade kısa süren darbelerde gücü uygulayarak, gaz atımlar arasında soğutulabilir ve sonuç olarak VT gevşemesinde daha az güç kaybedilir. Bu da, verimli ayrışmayı teşvik eden titreşim pompasına daha fazla güç yatırıldığı anlamına gelir. VT-gevşeme süresi, oda sıcaklığında 70 μs ve atım AÇIK zamanı için üst sınır olarak işlev gören 100 mbar 40'dır . Döndürme, ana dönüştürme yolunun denge dışı dönüşüme tabi olduğu bir plazma rejiminde verimliliği ancak artırabilir. Verimliliği artırmanın ikinci yolu, EEDF 8'i ayarlamak için alkali yabancı maddeler eklemektir. EEDF'yi ve özellikle elektron sıcaklığını kontrol ederek, elektronlar enerjilerini moleküler titreşimlere daha verimli bir şekilde aktarabilirler.Yüksek verimli tepkimeler için gerekli olan daha yüksek titreşim seviyelerinin yükselmesine neden olur.

Disclosures

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

Yazarlar, rekabet eden mali çıkarlarının olmadığını beyan ettiler.

Acknowledgements

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

Bu çalışma Shell, Konu Üzerine Temel Araştırma Vakfı (FOM) ve Hollanda Bilimsel Araştırma Örgütü (NWO) tarafından desteklenen çağrısının 'CO 2 Tarafsızım yakıtlar' tarafından finanse edildi. Yazarlar, genel olarak laboratuvar alanlarını ve cömert desteğini kullanmamıza izin verdikleri için Eddie van Veldhuizen, Ana Sobota ve Sander Nijdam'a teşekkür etmek istiyorlar.

Materials

List of materials used in this article
NameCompanyCatalog NumberComments
1kW magnetronMueggeMW-GIRYJ1540-1K2-08
Su yükü ile sirkülatörPhilips2722 163 02101
3 saplama tunerIBF-elektronikWR340PTUN3AC174A
Aplikatörü, kayar kısaev yapımı
17mm ID / 20 mm OD Kuvars tüpSaillartözel
27mm ID / 30 mm OD Kuvars tüpSaillartözel
18mm ID / 20 mm OD Safir tüpHassas Safir Teknolojileriözel
KF-vakum flanşlarıHositrad
Kütle akış kontrolörüTylan / BrooksFC-2901V-4V
MFC kontrol ünitesiMKSPR-3000
Basınç ölçerEdwardsASG-2000
Vakum pompasıEdwardsE2M18
Nd:YAG lazerContinuumPowerlite DLS 8000
AR kaplı pencereEksma Optics210-1202E + 3025-i0 (kaplama)
Kırınım ızgarasıJobin Yvon520-25-120
Görüntü YoğunlaştırıcıKatodEPM102G-04-22S
Yoğunlaştırıcı güç kaynakev yapımı
Spektrometre lensi 1Nikon135mm f/2 DC
Spektrometre lensi 2NikonAF-S 85 mm f/1.8g
CCD kameraMüttefik Optik MantaG-145B
FTIR spektrometresi (egzoz)Varian/AgilentCary 670
FTIR spektrometresi (yerinde)BrukerVertex 80v
CaF2 pencereleriCrystranCAFP25-2U

References

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,
  1. Itikawa, Y. Nonresonant Vibrational Excitation of CO2 by Electron Collision. Phys Rev A. 3 (2), 831-832 (1971).
  2. The physics of a chemically active plasma with nonequilibrium vibrational excitation of molecules. Phys Usp. 24 (6), 447-474 (1981).">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. Plasma Physics and Engineering. , Cambridge University Press. ISBN 1-56032-848-7 (2004).">Fridman, A. A., Kennedy, L. A. Plasma Physics and Engineering. , Cambridge University Press. ISBN 1-56032-848-7 (2004).
  4. The CO2-laser. , Springer-Verlag. (1987).">Witteman, W. J. The CO2-laser. , Springer-Verlag. (1987).
  5. A Plasma Chemistry. , Taylor & Francis Routledge. ISBN-13 978-0-521-84735-3 (2008).">Fridman, A. A. A Plasma Chemistry. , Taylor & Francis Routledge. ISBN-13 978-0-521-84735-3 (2008).
  6. Vibrational Relaxation of Anharmonic Oscillators with Exchange-Dominated Collisions. J Chem Phys. 48 (4), 1798-1806 (1968).">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. Homogeneous CO2 conversion by microwave plasma: Wave propagation and diagnostics. Plasma Process Polym. , (Early View) (2016).">den Harder, N., et al. Homogeneous CO2 conversion by microwave plasma: Wave propagation and diagnostics. Plasma Process Polym. , (Early View) (2016).
  8. Taming microwave plasma to beat thermodynamics in CO2 dissociation. Farad Discuss. 183, 233-248 (2015).">van Rooij, G. J., et al. Taming microwave plasma to beat thermodynamics in CO2 dissociation. Farad Discuss. 183, 233-248 (2015).
  9. Plasma-driven dissociation of CO2 for fuel synthesis. Plasma Process. Polym. , (Early View) (2016).">Bongers, W. A., et al. Plasma-driven dissociation of CO2 for fuel synthesis. Plasma Process. Polym. , (Early View) (2016).
  10. How to Ignite an Atmospheric Pressure Microwave Plasma Torch without Any Additional Igniters. J Vis Exp. (98), e52816(2015).">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. High sensitivity imaging Thomson scattering for low temperature plasma. Rev Sc. Instrum. 79 (1), 13505-13700 (2008).">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. The HITRAN 2012 Molecular Spectroscopic Database. J Quant Spectrosc. Radiat Transfer. 130, 4-50 (2013).">Rothman, L. S., et al. The HITRAN 2012 Molecular Spectroscopic Database. J Quant Spectrosc. Radiat Transfer. 130, 4-50 (2013).
  13. Infrared emission spectroscopy of CO2 at high temperature. Part I: Experimental setup and source characterization. J Quant Spectrosc Radiat Transfer. 113, 1-13 (2011).">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. Sapphire: Material, Manufacturing, Applications. , Springer science + business media. 170(2009).">Dobrovinskaya, E. R., et al. Sapphire: Material, Manufacturing, Applications. , Springer science + business media. 170(2009).
  15. Direct measurement of the Rayleigh scattering cross section in various gases. J Quant Spectrosc Radiat Transfer. 92 (3), 293-310 (2005).">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. Rayleigh scattering cross sections of combustion species at 266, 355, and 532 nm for thermometry applications. Optics Letters. 29 (22), 2620-2622 (2004).">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. Temperature measurement in thermal plasmas by Rayleigh scattering. J Phys D: Appl Phys. 25 (4), 634(1992).">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. 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).">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. Laser Light Scattering from Equilibrium, High Temperature Gases: Limitations on Rayleigh Scattering Thermometry. 47th AIAA Plasmadynamics and Lasers Conference. , (2016).">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. Continuous flow reactors: a perspective. Green Chem. 14, 38-54 (2012).">Wiles, C., Watts, P. Continuous flow reactors: a perspective. Green Chem. 14, 38-54 (2012).
  22. Syngas production via methane steam reforming with oxygen: plasma reactors versus chemical reactors. J Phys D: Appl Phys. 34, 2798-2803 (2001).">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. Non-thermal plasma approaches in CO2 utilization. Fuel Process Technol. 58 (2-3), 119-134 (1999).">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. Decomposition of CO2 using pulsed corona discharges combined with catalyst. Plasma Chem Plasma Process. 21 (4), 665-678 (2001).">Wen, Y., Jiang, X. Decomposition of CO2 using pulsed corona discharges combined with catalyst. Plasma Chem Plasma Process. 21 (4), 665-678 (2001).
  25. Experimental study of negative corona discharge in pure carbon dioxide and its mixtures with oxygen. J Phys D: Appl Phys. 37 (1), 64(2004).">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. FTIR study of decomposition of carbon dioxide in dc corona discharges. J Phys D: Appl Phys. 41 (22), 225207(2008).">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. 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).">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. Scale-up or numbering-up of a micro plasma reactor for the carbon dioxide decomposition. Thin solid films. 515 (9), 4296-4300 (2007).">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. Conversion of carbon dioxide to value-added chemicals in atmospheric pressure dielectric barrier discharges. Plasma Sources Sci Technol. 19 (3), 034015(2010).">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. CO and byproduct formation during CO2 reduction in dielectric barrier discharges. J Appl Phys. 116 (12), 123303(2014).">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. Characteristics of the decomposition of CO2 in a dielectric packed-bed plasma reactor. Plasma Chem Plasma Process. 32 (1), 153-163 (2012).">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. Carbon Dioxide splitting in a dielectric barrier discharge plasma: A combined experimental and computational study. Chem Sus Chem. 8 (4), 702-716 (2015).">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. Gliding arc plasma processing of CO2 conversion. J Hazard Mater. 146 (1), 309-315 (2007).">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. Dissociation of CO2 in a low current gliding arc plasmatron. J Phys D: Appl Phys. 44 (27), 274009(2011).">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. Conversion of CO2 by gliding arc plasma. Environ Eng Sci. 23 (6), 1033-1043 (2006).">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. The physics of a chemically active plasma with non-equilibrium vibrational excitation of molecules. Sov Phys Usp. 24 (6), 447(1981).">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. Two-dimensional soot-particle sizing by time-resolved laser-induced incandescence. Opt Lett. 20, 2342-2344 (1995).">Will, S., Schraml, S., Leipertz, A. Two-dimensional soot-particle sizing by time-resolved laser-induced incandescence. Opt Lett. 20, 2342-2344 (1995).
  40. Collisional relaxation in CO2 between 180 K and 400 K measured by the spectrophone method. Chem Phys Lett. 48, 509-514 (1977).">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).

Reprints and Permissions

Request permission to reuse the text or figures of this JoVE article

Request Permission

Tags

Microwave Plasma ReactorCO2 ConversionNon equilibrium ChemistryFTIR SpectroscopyRayleigh ScatteringPlasma IgnitionGas Exhaust AnalysisVibrational ExcitationEnergy Efficiency MeasurementPlasma Startup Times

Related Articles