פלזמה מיקרוגל לא שיווי משקל עבור כימיה יעילה טמפרטורה גבוהה

מאמר זה מתאר כרום זורם מיקרוגל המשמש להפעלת כימיה יעילה שיווי משקל ליישום של המרה / הפעלה של מולקולות יציבות כגון CO ₂ , N ₂ ו CH ₄ . מטרת ההליך המתואר כאן היא למדוד את טמפרטורת הגז באתרו המרה גז.

מתודולוגיה זורמת פלזמה מיקרוגל מבוסס על המרת אנרגיה חשמלית לתוך מצבי פנימי ו / או translational של מולקולות יציבה במטרה לנהוג ביעילות כימיה לא שיווי משקל הוא דנו. היתרון של כור פלזמה זורם הוא כי תהליכים כימיים מתמשכים יכול להיות מונע עם הגמישות של זמני האתחול של השניות timescale. הגישה פלזמה מתאימה באופן כללי להמרה / הפעלה של מולקולות יציבות כגון CO ₂ , N ₂ ו CH ₄ . כאן הפחתת CO ₂ ל- CO משמשת כמערכת מודל: האבחון המשלים ממחיש כיצד המרה שיווי משקל תרמודינמי הבסיס יכול להיות חריגה על ידי אי שיווי משקל מהותי מן עירור vibrational גבוהה. ליזר (ריילי) פיזור משמש למדידת טמפרטורת הכור ואת ספקטרוסקופיית פורה (FTIR) לאפיין ב פנימי באתרו עירור (רטט) וכן EFFהרכב luent לפקח המרה סלקטיביות.

מאמר זה מתאר פרוטוקול של פלזמה מיקרוגל זורם של עד 1 כ"ס, תוך מדידת טמפרטורת הגז פלזמה המרה CO ₂ .

דאגות לשינוי האקלים ומודעות עקבית לקיימות הובילו לצמיחה מתמדת של נתח האנרגיה הגלובלית. עם זאת, הטבע לסירוגין של אנרגיה סולארית ורוח במקומות הלחץ על מערכת האנרגיה ומעכב פריסות נוספות. אחסון (לטווח ארוך וקצר) והמרה ( למשל , לדלקים כימיים) נדרשים להקטין את הסירוגין ולהפיכת אנרגיה בת קיימא לזמינה למגזרים אחרים, כגון תחבורה. CO המיוצר בכור יכול לשמש גז חומר גלם לסינתזה של, למשל , מתאן או דלקים נוזליים. באמצעות אלה דלק תחנות כוח, חשמל יכול להיווצר גם כאשר הייצור המיידי של אנרגיה מתחדשת הוא נמוך. CO ₂ המיוצר אלה plaNts יוצר לולאה סגורה כך לא CO ₂ נטו מוצג באווירה, מה שהופך אותו מחזור נקי.

המערכת יכולה רק להקטין את הסירוגין אם זמן המעבר קטן מהתנודות באספקת האנרגיה. בתצורה הנוכחית, זמן האתחול נקבע על ידי הצורך להתחיל בתנאים התמוטטות אידיאלי ולאחר מכן לכוון את תנאי ההמרה אופטימלית. בעיקרון, זה יכול להיות להתגבר על ידי הצתה עם אמצעים אחרים כמו לייזר ממוקד או ניצוץ. מגבלות פיסיקה פלזמה הם בסדר גודל של 0.1 ms. זה הרבה יותר קצר מאשר את הזמנים של אפקטים אטמוספריים טיפוסי, כמו למשל , עננים נעים על מערך פאנל סולארי. אקסטרפולטינג מהמערכת הנוכחית ליישום אמיתי בהגדרת ייצור בר קיימא של דלק הוא עדיין ירייה ארוכה למדי. באופן אידיאלי, תהיה סדרה של כורים מיקרוגל של 100-500 כ"ס, כל אחד מחובר לשדה פאנל סולארי או טורבינת רוח, עם המעבר של הפרט reaCtors על פי אספקת האנרגיה.

מאמר זה דן בגישה פלסמה, מתאים באופן גנרי ליישום של המרה / הפעלה של מולקולות יציבות כגון CO ₂ , N ₂ ו CH ₄ . הנה, הוא הציג באמצעות הדוגמה הספציפית של הפחתת CO ₂ ל- CO כצעד ראשון סינתזה דלק כימי. כרום פלזמה מיקרוגל זורם מתאים לפתרון בעיות intermittency כפי שהוא בעל זמני הפעלה נמוכים ניתן לבנות באמצעות חומרים זולים.

במיקרוגל פלזמה, אלקטרונים פלזמה חופשית לנוע עם השדה החשמלי מתנודדת של המיקרוגל. אנרגיה מועברת לאחר מכן לחלקיקים הכבדים (מינים נייטרלים ומיוננים) באמצעות התנגשויות. בגלל ההבדל הגדול שלהם המוני, הכור הזה הוא בעיקר יעיל ב התנגשויות אלסטיות. ראשית, יש יינון. במצב יציב, שיעור יינון בעצם שווה הפסדים עקב recomBination. עם זאת, כפי שמוצג בטבלה 1 , האנרגיות של היינון גבוהות באופן משמעותי מאנרגיות הדיסוציאציה, מה שהופך את הניתוק באמצעות יינון לאי-יעילות. כמו כן, השפעת הדיסקוציאציה של האלקטרונים כרוכה בסף אנרגיה של יותר מ -10 eV ¹ , והיא גם אינה יעילה באופן מהותי. הסיבה שלב פלזמה עדיין יכול להיות מנגנון יעיל להשיג דיסוציאציה מולקולארית היא עירור יעיל של מצבי הרטט ² .

באנרגיות אלקטרונים ממוצעים של כמה eV הנפוצים עבור מיקרוגל פלזמה ³ , עירור vibrational הוא מסלול העברת האנרגיה הדומיננטית. המתיחה הא-סימטרית חשובה במיוחד משום שהיא יכולה להפיץ במהירות אנרגיה בין רמות גבוהות יותר באמצעות התנגשויות בין מולקולריות. שער החליפין של האנרגיה עולה עם טמפרטורות וירידות עבור ΔE גדול יותר, והוא גדול עקב tO anharmonicity בסולם הויברציה ואת ההבדל אנרגיה קטנה הקשורים בשני מצבי רטט סמוכים ⁴ . שאיבת למעלה של רמות vibrational גבוה יכול ללכת עד כל הדרך עד דיסוציאציה, מה שגורם תגובה יעילה דיסוציאציה אנרגיה ⁵ .

שאיבת הרטט הגבוהה ב CO ₂ מובילה למצב שבו מצבי רטט גבוהים יותר מאוכלסים הרבה יותר מאשר הם יהיו שיווי משקל תרמי, ובסופו של דבר לייצר את מה שמכונה טריאן הפצה ⁶ . התנאי להשגת יתר אוכלוסין של רמות הרטט הגבוהות יותר הוא ששיעורי הרפיה של רטט-רטט (VV) גבוהים בהרבה משיעורי הרפיה של רטט-רטט (VT). זה המקרה של מצב מתיחה אסימטרי של CO ₂ . שיעורי הרפיה VV ירידה עם הגדלת טמפרטורת הגז, בעוד שיעורי VT להגדיל. מאז הרפיה VT להגדיל את הגזטמפרטורה, מנגנון משוב חיובי יכול לייצר הרפיה VT בורח, המוביל להרס של ריבוי יתר של רמות vibrational גבוה. במילים אחרות, טמפרטורות גז נמוכות הן חיוביות להפצה חזקה לא תרמית.

למעשה, הפלזמה תציג טמפרטורות שונות לחלוטין עבור המינים השונים ואת דרגות החופש שלהם. בטמפרטורות האלקטרון טיפוסי של כמה eV, טמפרטורות vibrational יהיה כמה אלפי מעלות צלזיוס בעוד הטמפרטורות translational (גז) עשוי להישאר מתחת 1,000 מעלות צלזיוס. מצב כזה מסומן כחוסר שיווי משקל חזק , והוא הוכר כתומך חיובי לתגובות כימיות.

טמפרטורת הגז translational, שכן הוא כל כך חשוב עבור יעילות האנרגיה שבה פלזמה עלול לנהוג תגובות כימיות, דורש אבחון מדויק ומדויק מרחבית. ספקטרוסקופית פליטה היא הבסיס גישה בפיזיקה פלזמה כדי להסיק טמפרטורות. לדוגמה, ניתן להעריך ספקטרום סיבוב באמצעות זיהומים לאבחון אופטימלי. עם זאת, זה תמיד כרוך שורה של אינטגרציה ראייה ולכן ממוצעים. כפי שנראה בעיתון הנוכחי, טמפרטורות הטמפרטורות חייבות להיות תלולות בהתחשב בטמפרטורות המרכזיות הגבוהות של עד 4,000 K ו טמפרטורות קצה שנקבעו על ידי קיר של ~ 500 K. בנסיבות כאלה, מדידות מקומיות הם יקרי ערך.

בעבודה הנוכחית, מדידות צפיפות מקומית מפריסת ריילי משולבות במדידות לחץ כדי להסיק את הטמפרטורה באמצעות חוק הגז האידיאלי. מדידות פיזור ריילי כרוכות התמקדות ליזר בהספק גבוה בנפח מדגם שממנו הפיזור אלסטי של הפוטונים על האלקטרונים הכבולים של מולקולות ₂ CO מזוהה. טמפרטורת הגז קשורה לעוצמת אות ריילי באמצעות:

על 1 "src =" / files / ftp_upload / 55066 / 55066eq1.jpg "/>

כאן T הוא טמפרטורת הגז, p הוא הלחץ הנמדד על ידי מד לחץ, אני עוצמת ריילי נמדדת, dσ / dΩ (T) הוא חתך ריילי C הוא קבוע כיול. מאז חתך dσ / dΩ (T) הוא תלוי מינים אנו רואים כי עבור טמפרטורות גבוהות, כאשר דיסוציאציה הוא משמעותי, קבוע כיול הוא פונקציה של הטמפרטורה. ההנחה היא כי במרכז החם, רק שיווי משקל המרה מתרחשת, כך ריכוז המינים לטמפרטורה נתון ניתן לחשב. בדרך זו, ניתן לחשב בצורה מספרית את חתך אפקטיבי עבור טמפרטורה נתון, המשמש לחישוב עוצמת ריילי, כי צפוי להיות נמדד לטווח של טמפרטורות ⁷ . זה חתך יעיל כפונקציה של הטמפרטורה מוצג באיור 1 Rong>.

הביצועים של המרה פלזמה הוא לכמת על ידי אמצעי FTIR. ההנחה היא במקרה הנוכחי של הפחתת CO ₂ כי התגובה נטו בפלזמה היא:

זה מאפשר את השימוש של גורם המרה יחיד α, אשר קשורה חלק נפח CO על ידי

,

אשר בעקבות הריכוזים כי הם להסיק מן חתימות ספקטרלי של CO ו CO ₂ ב FTIR- ספקטרה. אנו מציינים כי חתך ריילי יעיל אינו ניתן להסיק בקלות ממקטור ההמרה הכולל כפי שנקבע על ידי FTIR. ההמרה הכוללת אינה נקבעת רק על ידי טמפרטורת הכור המרכזית אלא גם על ידי הדקויות בפרופיל הרדיאלי של טמפרטורת הגז.

הערה: לקבלת גרסה סכמטית של ההתקנה, ראה איור 2 .

1. מיקרוגל פלזמה ניסוי פריסה

1. חבר את מגנטרון 1 כ"ס כדי סירקולטור עם עומס מים המצורפת.
2. חבר את המבודד למקלע בעל שלוש הקצות המשמש להתאמת עכבה של מוליך הגל לפלסמה.
3. צרף את המוליך אל המקלט של שלוש הדלייפים והוסף קצה הזזה בקצה גל ההדרכה.
4. מניחים 17 מ"מ או 27 מ"מ קוטר פנימי צינור קוורץ בחור של המוליך.
   הערה: המיקרוגלים נספגים בתוך גז זורם CO ₂ כלול צינור זה.
5. השלם את הגדרת ואקום על ידי חיבור צינור קוורץ כדי KF- אוגנים כניסת גז.
6. השתמש KF-16 עבור צינור קוורץ 17 מ"מ ו KF-40 עבור צינור קוורץ 27 מ"מ. השתמש כניסת גז משיק כדי לגרום זרימת מערבולת, אשר מונע את פלזמה חם נוגע הקירות.
7. Connecשסתום מצערת בסדרה עם משאבת ואקום; זה מאפשר וריאציה של הלחץ מ 5 mbar ללחץ אטמוספירי על ידי ויסות ביעילות את מהירות שאיבה.
8. במקביל לשסתום המצערת, חבר שסתום קיצור כדי לעבור בין לחץ נמוך (נדרש כדי לאפשר הצתה של הפלסמה) ולחץ גבוה מבלי לאבד את לחץ הלחץ של שסתום המצערת.
9. חבר את בקר הזרימה ההמונית אל כניסת הגז כך שניתן יהיה להסדיר את זרימת הגז בין 0.5 ל -10.0 SLM.
10. הפעל את קירור המים של המגנטרון לפני תחילת הפלזמה.
11. הקפד להפעיל מערכות בטיחות, כגון מד קרינה לניטור קרינת מיקרוגל תועה וגלאי גז לניטור ריכוזי CO, H ₂ או NO _x . מערכות בטיחות אלו חיוניות במהלך הניסויים.
12. הפעל את הכוח על ידי הידוק ידני של רמת הכוח של המקור ולהגדיל את כוח מקסימלי.
13. התאם את הלוחUnger על ידי העברת אותו קדימה ואחורה מעט, תוך ניטור מתמיד אם כוח משתקף הוא ירד. המטרה היא למזער את הכוח לידי ביטוי. כוונן את המקלטים של שלושה הדקים על - ידי סיבובם עד שהכוח המצויר ממוזער. אם מנתח רשת זמין, בצע את ההליך המדווח על ידי Leinz ¹⁰ .
    הערה: מערכת ואקום ומיקרוגל ניתן לראות בתרשים 3 א .

2. פריסה אופטית של אבחון ריילי פיזור

1. ליישר את 532 ננומטר Nd: YAG קרן לייזר עם השימוש של מראות כגון זה נכנס ההתקנה axially. הלייזר יש שיעור חזרות 10 הרץ ואת כוח מקסימלי של 600 mJ לכל הדופק.
2. חלונות להרים משני הכיוונים (כניסה ויציאה) של הכור. השתמש בחלונות שהיו אנטי רפלקציה (AR) מצופה עבור 532 ננומטר כדי למנוע אור תועה מוגזמת. לחלופין, להשתמש בחלונות Brewster בשילוב עם מזבלה קרן חיצוני.
3. הַתחָלָההלייזר על ידי ביצוע הוראות שימוש (ראה טבלה של חומרים ).
4. יישר את הלייזר באמצעות תוכנית צריכת חשמל נמוכה. התחל עם עיכוב Q-Switch של 0 μs כך לא פלט האור נוצר. ואז להגדיל את העיכוב בשלבים של 5 μs עד פלט האור גלוי.
5. אם קרן בהיר מדי לרדת במדרגות של 1 μs כדי להשיג בהירות "נאותה", כלומר , את הכוח הנמוך ביותר שבו את קרן מקום עדיין גלוי.
6. הר השני AR מצופה חלון בצד היציאה קרן לייזר של מערכת ואקום, לזרוק את קרן על קרן חיצונית dump. לחלופין, במקום החלון, הר המזבלה קרן ואקום. גרף סכמטי של ההתקנה ניתן לראות באיור 2 .
   הערה: חיסול החלון מפחית את האור תועה באזורים פריקה פלזמה, אשר חיוני כדי להשיג את רמות רילי פיזור האות לזיהוי.
7. מניחים עדשה עם מרחק מוקד של 2.4מ במסלול הקורה, ממש לפני חלון הכניסה, כדי למקד את הלייזר למרכז של מוליך הגל. מרחק המוקד הארוך מפחית אור תועה באזור אוסף פיזור ריילי. מניחים את העדשה קרוב ככל האפשר אל החלון כדי לצמצם את האירוע צפיפות הספק כך שהוא נשאר מתחת לסף הנזק של החלונות.
   הערה: מניעת התמוטטות לייזר בגז, במיוחד במיקוד הלייזר. לאחר התמקדות הלייזר, זרימת CO ₂ בכור בלחץ מעל הלחצים להיות נמדדים. אם לא ניתן להבחין בלידה בלייזר, אז זה לא יתרחש בלחצים נמוכים בטמפרטורות גבוהות יותר שבו המדידות מתרחשות, כי צפיפות המינים יהיה הרבה יותר נמוך. אם נשמע קול פיצוח קולני מלווה בהבזקים כחולים גלויים, הנמך את עוצמת הלייזר.
8. התקן בקביעות מתח בין צינורות ואקום כדי לצמצם עוד יותר את רמות האור תועה באזור פריקה פלזמה עקב פיזור ליד חלון הכניסה ^11.
9. הכן בוכנה עם צמצם 24 מ"מ קוטר עבור גישה אופטית בניצב קרן הלייזר. גודל הצמצם המוגבל מונע הפסדי קרינה משמעותיים.

3. הגדרה אופטית - ענף איתור

1. מניחים עדשה (F = 100 מ"מ, 51 מ"מ קוטר) בניצב לכור ולאסוף את האור מפוזרים דרך חור הבוכנה כפי שמוצג באיור 3 א . פוקוס האור על סיבים אופטיים 400 מיקרומטר קוטר אופטי למקם אותו בתמונה העדשה.
   הערה: הסיבים ממוקמים במערך ליניארי של 59 סיבי סיליקה מותכים עם גובה קלט של 26.7 מ"מ ואורך של 40 מטר.
2. השתמש בסיבים כדי להדריך את האור ספקטרומטר.
   הערה: כאן הוא צילם את האור על סדק הכניסה עם רוחב כי הוא מתכוונן עד 10 מיקרומטר. ההגדלה של אופטיקה אוסף תוצאות בטווח זיהוי צירית של כ 20 מ"מ. ספקטרומטר משמש לסנן את הפליטה C ₂ ברבור. אם הנסיין מעוניין רק ריילי פיזור, מסנן bandpass מתאים יכול לשמש גם למטרה זו. במקרה זה, ניתן לדלג על צעדים 3.3 עד 3.6. המסנן הספקטרום יכול להיות מוחל לחלוטין על ידי השוואת עוצמת האור נמדדת עם וללא דופק לייזר, מאוד לפשט את ההתקנה האופטית. אם מונוכרומטור הוא חיסל, לא ניתן להרחיב את המדידות לתומסון או רמאן פיזור, עבור איזו רזולוציה ספקטרלית יש צורך.
3. השתמש ספקטרומטר (בתוך הבית שנבנה) כדי לפתור באופן רוחני את האור מפוזרים.
   הערה: כפי שניתן לראות בתרשים 2 , ספקטרומטר מורכב סדק הכניסה, מראת היגוי, העדשה littrow, סורגים מפזר, תמונה מגביר, עדשות מיקוד, ו- CCD מצלמה.
4. בתוך ספקטרומטר, מקום המראה כדי לשקף את האור הנכנס עדשה littrow עם afמרחק ocal של 0.3 מ 'וקוטר של 80 מ"מ.
   הערה: ספקטרומטר הוא בתצורה 'littrow', כלומר האירוע ואת האור diffracted יש זווית זהה נורמלי הסורג. כתוצאה מכך, אותה העדשה משמשת collimating אור נכנס הדמיה diffracted האור על הגלאי.
5. סובב את עקיפה גרירה על סיבוב שלב כדי לכוונן את אורך הגל המתאים. עבור Nd: YAG לייזר, זה בדרך כלל בין 524 ו 540 ננומטר. הסורג הוא 11 x 11 ס"מ ² ויש לו צפיפות חריץ של 1,200 מ"מ ^-1 כי הוא מותאם עבור עקיפה הסדר הראשון. התוצאה היא רזולוציה של 0.027 nm / px. איור 3 ב 'מציג תמונה של העדשה הסורגת Littrow.
   הערה: את grating יהיה תמונה מספר כתמים כתוצאה של סדר גבוה יותר; וודא כי רק 1 ^סט מקסימום סדר בסופו של דבר על התמונה מגדיל.
6. מקום שתי עדשות התמונה L מוגברIght על מצלמת CCD ( איור 3 ג ).
7. לכמת את תרומות האור תועה. משאבה עד ללחץ של 60 mbar למדוד את עוצמת מפוזרים. להקטין את הלחץ ולמדוד את עוצמת שוב. חזור על זה עד הלחץ לא ניתן להוריד עוד יותר.
8. כאשר מתכננים את העוצמה לעומת הלחץ, להבטיח שיש קשר ליניארי. אקסטרפולציה של הפונקציה ליניארית לאפס לחץ.
   הערה: מכיוון שאין פיזור ריילי יכול להתרחש בלחץ אפס, עוצמת הירוט היא רמת האור התועה. התוצאה של הליך זה מוצגת באיור 4 .
9. התאם את הפרמטרים gating של מגדיל את התמונה כדי לייעל את העוצמה שנרשמה על ידי CCD. התחל עם דופק השער שמתחיל הרבה לפני ומסתיים היטב לאחר הדופק לייזר כך הדופק לייזר כולו נתפס.
10. קח בחשבון את זמן הטיסה של העיכוב של האור כי האור יש tO נסיעה דרך כל תוכנית אופטית. הפחת את העיכוב תוך הקפדה על כך שהאינטנסיביות לא תפחת.
    הערה: חלון זמן של 30 ns נמצא מספיק עבור דופק 9 ns. כדי להגדיל את הרווח, להגביר את מתח צלחת רב ערוצי למתח המרבי (כאן, 850 V). אם מצלמת CCD נחשפת יתר על המידה, ניתן לבחור במתח נמוך יותר של צלחת רב-ערוצית.

4. FTIR ספקטרומטר

1. מניחים ספקטרומטר FTIR במיצוץ של הגז, במורד הזרם של הפלזמה, כדי למדוד את קצב הייצור CO. מניחים את ספקטרומטר רחוק מספיק מן הכור כדי להבטיח את הגז הוא שיווי משקל כימי. בתצורה המתוארת, המרחק מהפלזמה היה 2 מ '.
2. שים תא בתא המדגם של ספקטרומטר FTIR עם מפוחים in-outlet מחובר בסדרה עם מערכת ואקום. זה מוצג סכמטי באיור 5 .
3. הרכבה של חלון ₂ בכל צד של התאכדי לאפשר ל IR- קרן לחקור את הגז.
4. שנה את רווח האות עד עוצמת האות הוא קרוב ככל האפשר למקסימום, אבל לא יעלה על זה. עוצמת המרבי המותר עשוי להיות שונה ממכשיר למכשיר.
5. לחץ על תצוגה מקדימה "interferogram". אינטרפרוגרמה נראית כעת, עם שיא גבוה במרכז ועוצמה נמוכה על הכתפיים.
6. לפני תחילת המדידות, למדוד רקע בחלל ריק (<0.1 mbar). כדי לעשות זאת ודא כי הכור הוא באקום ואין זרימת גז; ולאחר מכן להקליט רקע על ידי לחיצה על 'רקע' בחלון 'רמת צג האות'.
7. הפעל את המיקרוגל על ​​ידי הגדלת הכוח עד למקסימום, עד שהפלסמה תידלק. הלחץ המשמש עבור הצתה פלזמה הוא ~ 1 mbar.
8. שיא ספקטרום בטווח בין 2,400 ל -2,000 ס"מ ^-1 ; זה כולל את CO ואת הלהקה CO ₂ הראשי.
9. ממוצע הספקטרום כדי להפחית את הרעש; ערך של 100; ממוצעים שימשו בניסוי זה. התאם את קווי CO הנמדדים באמצעות מסד הנתונים HITRAN ¹² .
   הערה: פעולה זו גורמת לשבריר של CO. הלחץ נמדד ומשמש כפרמטר קלט כדי למצוא את צפיפות המספרים הכוללת. הטמפרטורה מניחה טמפרטורת החדר, אשר מוצדק על ידי התפלגות של פסגות rovibrational בספקטרום.
10. למדידת הספקטרום באתרו , במקום הכור בתוך תא המדגם כפי שמוצג באיורים 6 ו - 7 .
11. עבור אל ספיר במקום צינור קוורץ כדי לאפשר מדידות רדיאלי. ספיר מעביר אור IR עד 1,800 ס"מ ^-1 .
12. עם מדידות באתרו , השתמש במספר גבוה של ממוצעים של לפחות 100 עד ממוצע תנודות פלזמה.
13. לקשט את קירות התא עם חומר סופג מיקרוגל כדי להפחית את קרינת מיקרוגל תועה ( Eccosorb OCF שימש כאן).
14. יש לדאוג כי interferogram אינו רווי כתוצאה של פליטת IR נוספת על ידי פלזמה. במקרה זה, שנה את היסט DC של הקיבה. לתקן את הספקטרום שהתקבל עבור הטמפרטורה תלויה הספיגה של ספיר ¹³ .
15. אם המצלמה IR משמש למדידת הטמפרטורה, להשתמש במצלמה רגישה בטווח שבו ספיר אינו שקוף, כלומר גבוה מ -6 מיקרומטר, כך טמפרטורת הצינור ולא פלזמה נמדדת.
    הערה: ערכים מומלצים לספיגת הספיר כפונקציה של טמפרטורה ניתן למצוא ב ¹⁴ .

בסעיף זה מוצגים תוצאות מייצגות עבור הכור הזורם בפלסמה. נמצא כי CO- המרה מוצג להגדיל באופן ליניארי עם אנרגיה מסוימת, עד כ 2.2 eV / מולקולה. יעילות האנרגיה η מחושבת כדלקמן :

הנה α היא ההמרות שנמדד, q את קצב זרימת הגז המולקולרי, ΔE = 2.7 eV מהאנרגיה ניתוק נטו, ו P _בכוחה קלט. באמצעות המרה הנמדד (כמוסבר בפסקה הבאה), אנחנו יכולים למצוא את יעילות האנרגיה של הכור פלזמה, אשר זממו עבור מגוון רחב של לחצים וכוחות ספיקה קבועה של 13 SLM באיור 8 A ו- 8B. פלזמה פלזמהOved מסוגל להמיר CO ₂ ל CO עם יעילות אנרגיה של עד 49%, אשר דומה יעילות תרמודינמית מקסימלית ⁵ . למרות היעילות המדווחים כאן קרוב לזה של ניתוק תרמי, זה מוכיח כי פלזמה לא שיווי משקל יכול לייצר נפח CO נפח גבוה יותר מאשר שיווי משקל על טמפרטורה translational נמדד.יתרון גדול על דיסוציאציה תרמית היא כי התגובה יכולה להיות מופעלת או לבטל את זה בתוך כמה שניות, אשר נדרש כדי להקל על ייצור כוח תנודה. בנוסף, יש פוטנציאל להגביר את היעילות עוד יותר על ידי התאמת הפונקציה אנרגיה הפצה אלקטרונים (EEDF).

כעת אנו מתמקדים בתוצאות המתקבלות למיצוי. ריכוז CO נמדדת על ידי ספקטרוסקופית ספיגה IR. בתרשים 9 A ו- 9B מוצג ספקטרום ייצוגי. תוצאות התאמה של teשל 299.36 K והמרה של 14.7%. הנתונים הנמדדים (כחול) נמצאים בהשוואה טובה לנתוני ההתאמה (ירוק). מאז הטמפרטורה במצות קרוב לטמפרטורת החדר, זה אפשרי להשאיר את הטמפרטורה כפרמטר קבוע בהליך הולם. לאחר מכן, את המדידות באתרו נדונים. כאשר לפרש את עוצמת האור ריילי, זה חייב להילקח בחשבון כי חתכי רוחב ריילי של מוצרי התגובה - CO, O ו- O ₂ - שונים באופן משמעותי מזה של CO ₂ ^{15 , 16} . בעיה זו יכולה להיפתר רק אם מידע על הרכב נפח המדגם זמין. אם ספקטרום ראמאן יכול להיות מוקלט, הוא הציע לפקח על ספקטרום ראמאן של מולקולה CO כדי להעריך את מספר הצפיפות המקומית של המוצרים. מקטב יכול לשמש במקרה זה כדי לחסל אור תועה, תומסון, ריילי פיזור, תוך הפחתת עוצמת סיבובIonal ראמאן פוזר אור רק גורם 3/7 ¹⁷ . אם הספקטרום ראמאן לא ניתן למדוד כי שיא ריילי לא מופחת מספיק, ההמרה ניתן להעריך על סמך שיווי המשקל (ראה הפניות ^{7 , 20} ). למרות זאת מתעלם הייצור משופר בשל תנאי שיווי משקל, טמפרטורות הגז גבוהות מספיק כדי להצדיק את זה פישוט. באיור 10 , נתוני הטמפרטורה מוצגים עם חתכים שונים ריילי חתכים כלל. נמצא כי ללא כל אופטימיזציה לפלזמה, הגז במרכז הפלזמה יכול להגיע לטמפרטורות של עד 5,000 ק '. זה הוכח פלסמות Ar כי התומס פיזור ופיזור ממין נרגש הופך משמעותי אם הטמפרטורה מגיעה לסדר של 10,000 K ^{18 , 19 , 20} , מה שהופך אתמדידת טמפרטורה אמינה. בהתחשב בערכים של חתכים חתך ההפרש עבור ריילי ו Thomson פיזור של 0.148 · 10 ^-30 m ² ו 7.94 · 10 ^-30 m ² , בהתאמה, תואר יינון של 1.9 · 10 ^-4 יהיה צורך תרומת תומסון של 1 %. זה הרבה יותר גבוה מאשר תואר יינון צפוי להיות נוכח בפלסמה (פרידמן ⁵ , p294) של 1 · 10 ^-6 ל 8 · 10 ^-5 .

מדידות FTIR באתרו היו בזרימה של 2.0 slm ולחץ נמוך משמעותית של 5 mbar כדי ליצור פלזמה הומוגנית, אשר מבטיח מדידה משולבת נתיב אמין. זה גם אומר כי פלזמה עצמה נוגע ומחמם את הקיר. כדי למנוע את הקיר מלהיות חם מדי, הכוח מופחת רק W 30. למרות CO- הייצור הוא זניח על הכוח הזה נמוך לחץ, באתרםFTIR עדיין מספק תובנות רלוונטיות לתוך הדינמיקה של פלזמה ₂ CO. ספקטרה נרשמו עם רזולוציה של 0.125 ס"מ ^-1 . הספקטרום היה מצויד במודל המבוסס על HAPI, ממשק תכנות יישומים של HITRAN ¹² . הקוד שונה כדי לכלול טמפרטורות נפרדות עבור מצבי הרטט השונים. טמפרטורה אחת T ₁₂ שימשה הן למתוח הסימטרי והן למצב כיפוף, מכיוון שתהודה של פרמי מבטיחה רגיעה מהירה בין שני המצבים הרגילים.

התוצאה של ההתאמה היא T = 700 K, T ₁₂ = 1,250 K, ו- T ₃ = 1,500 K, כפי שמוצג באיור 11 . הלחץ המותאם היה 10 mbar. הערכת יתר זו עלולה לפצות על מקדם טמפרטורה מוערך עבור הלחץ המתרחב. טמפרטורת הגז שנמצאה עם פיזור ריילי יכולה להיות שונה מ oNe נמצא עם FTIR, מאז ריילי מפזר אמצעים טמפרטורות מקומיות בעוד ספקטרה FTIR הם משולבים קו.

איור 1 : תלות טמפרטורה של חתך ריילי
חתך ריילי המוביל כאשר מתוך חתכים שונים עבור מוצרי התגובה. ההמרה של שיווי משקל תרמי היא להניח לחשב את שברים שומה המין היחסי. אנא לחץ כאן כדי להציג גרסה גדולה יותר של דמות זו.

איור 2 : הגדרת אופטי עבור מדידות ריילי
עדשה focuSes אור הלייזר למרכז צינור קוורץ. מוליך הגל משיקה מיקרוגלים לתוך הפלזמה, ממוקמת במוקד הלייזר. חור הבוכנה מספק גישה אופטית עבור אקורד לייזר. הספקטרומטר מורכב מ -) 1 (חריץ הכניסה,) 2 (מראת היגוי,) 3 (עדשת ה Littrow,) 4 (סורג מפזר,) 5 (מגבר תמונה,) 6 (ו -) 7 (עדשות מיקוד, ) CCD מצלמה. אנא לחץ כאן כדי להציג גרסה גדולה יותר של דמות זו.

איור 3 : תמונות של תוכנית ההתקנה
( א ) תמונה של הגדרת ואקום, כולל המוליך מיקרוגל וסיבים אופטיים. ( ב ) תמונה של החלק הפנימי של ספקטרומטר, עם העדשה littrow ואת עקיפה צרוב visibl ה. ( C ) תמונה של מערכת העדשה המשמשת לתמונה את האור המוגבר למצלמת ה- CCD. אנא לחץ כאן כדי להציג גרסה גדולה יותר של דמות זו.

איור 4 : אינטנסיביות מדידת כפונקציה של לחץ
ריילי הנמדד מתפזר כפונקציה של לחץ, בנקודות זמן שונות. קו מוצק כחול מייצג התאמה ליניארית של הנתונים. סרגלי השגיאה מציינים את השגיאה המוחלטת של מד הלחץ. אנא לחץ כאן כדי להציג גרסה גדולה יותר של דמות זו.

066 / 55066fig5.jpg "/>
איור 5 : ציור סכמטי של FTIR הגדרת גז פליטה ניתוח
תא גז מונח בתא המדגם של ספקטרומטר FTIR. התא מחובר בסדרה עם פליטה כך גז זורם דרכו. אנא לחץ כאן כדי להציג גרסה גדולה יותר של דמות זו.

איור 6 : הגדרת FTIR באתר
תמונות סכמטיות של הגדרת FTIR באתרה . צינור הזרימה הוא זקוף וגז זורם מלמטה למעלה. הצינור הוא במוקד של קרן FTIR. אנא לחץ כאן כדי לראות גדול יותרעל נתון זה.

איור 7 : תמונות של הגדרת FTIR באתרה
צד ( A ) ו העליון ( B ) להציג את גל המדף בתא המדגם של ספקטרומטר FTIR. המפוח על ראש גל ההידוק מחובר למשאבה ואקום ולפעול כמפלט עבור הכור. אנא לחץ כאן כדי להציג גרסה גדולה יותר של דמות זו.

איור 8 : יעילות אנרגיה מייצגת ויעילות המרה
בגרף ( A ), יעילות האנרגיה עבורRa אופייני פלזמה מתואר כפונקציה של כוח מיקרוגל מוחל, בלחצים הנעים בין 127 ל 279 mbar. בתרשים ( B ), יעילות ההמרה מתוארת. אנא לחץ כאן כדי להציג גרסה גדולה יותר של דמות זו.

איור 9 : ספקטרום הקליטה אינפרא אדום (IR) נציג של CO
גרף ( A ) מציג את ספקטרום הקליטה IR נמדד של פליטת גז (נקודות כחולות). הקו הירוק הירוק מראה את הריבועים הכי פחות מתאימים לנתונים. תוצאות ההתאמה הן T = 299.36 K ו- α = 14.7%. תמונה מוגדלת מוצגת ב ( B ). אנא לחץ כאן כדי להציג גדולR גרסה זו דמות.

איור 10 : טמפרטורת הגז הנמדדת
בגרף זה, טמפרטורת הגז של מרכז הפלזמה, כפי שהיא נמדדת על ידי פיזור ריילי, מוצגת כפונקציה של כניסת אנרגיה ללחצים שונים. אנא לחץ כאן כדי להציג גרסה גדולה יותר של דמות זו.

איור 11 : ספקטרום הקליטה באתרה באתרו של פריקת הפלזמה
גרף ( A ) מציג את ספקטרום הקליטה IR נמדד של פריקה CO ₂ . הקו הכחול נותן את ההתאמה הטובה ביותרE (נקודות ירוקות) עם T = 700 K, T ₁₂ = 1,250 K ו- T ₃ = 1,500 K. הקו האדום נותן את שאריות ההתאמה. תמונה מוגדלת ניתן לראות ב ( B ). אנא לחץ כאן כדי להציג גרסה גדולה יותר של דמות זו.

טבלה 1: אנרגיות יינון ודיסוציאציה של מינים ומוצרים נפוצים.

הן עבור electrification של התעשייה הכימית ואת מקטין את intermittency באנרגיה מתחדשת, כורים זרימה רציפה נדרשים נהיגה כימיה במערכת קיימא. זה כבר מוכר כי זרימה רציפה כורים יהיה תפקיד חשוב מהפכה בתעשייה הכימית ²¹ . ליתר דיוק, הכור פלזמה זוהה כחלופה אטרקטיבית מסחרית למפעלים כימיים בייצור של CO ₂ דלקים ניטרליים בשל הפשטות שלהם, קומפקטיות ומחיר נמוך ²² . מגוון רחב של טכנולוגיות פלזמה הוצעו עבור ניתוק של CO ₂ ²³ , כולל קורונה משחרר ^{24 , 25 , 26} , פריטי פעמונים nanosecond ²⁷ , הפרשות קטודה חלול מיקרו ²⁸ , microplasmas"Xref"> 29, מחסום דיאלקטרי פורק ^{30 , 31 , 32 , 33} _, קשתות גלישה ^{34 , 35} _, ומיקרובות פלזמה ^{37 , 38} . מתוך אלה טכנולוגיות משתנות מאוד, פלזמה מיקרוגל arc גלישה כבר פעלו עם הכוח הגבוה ביותר, בטווח ק"ו, הראו את היעילות הטובה ביותר, 40% עבור arc דואה 60-80% עבור פריקה במיקרוגל. הן פלזמה מיקרוגל הכור arc דואה ניתן להפעיל בעוצמה גבוהה, תנאי הכרחי עבור קנה המידה עד 100 ~ כ"ס, אשר מוקרן ליישום מעשי. המבצע של פלזמת המיקרוגל אינו מוגבל ל- CO ניתוק ₂ ועשוי לשמש גם מתאן ו קיבוע חנקן רפורמה. החיסרון העיקרי של הכור במיקרוגל הוא נמוך presבטוח (100 mbar) בתנאים אופטימליים, אשר מגביל את התפוקה הגז המרבי.

ההליך המתואר הודגם עם CO ₂ , אבל זה יכול לשמש ללא שינוי עבור ההפעלה של CH ₄ , N ₂ או מולקולות יציבות אחרות. ברוב המקרים האלה, להקות IR שונות צריך להיות נמדד המתאימים למוצרים הצפוי כמו NH ₃ , NO _x , C ₂ H ₂ , C ₂ H ₄ , וכו ' הפעלת פלזמה מתאן יכול להיות מסורבל כמו פיח - אחד של מוצרי התגובה - מופקד על הקירות ו יספוג מיקרוגלים, ביעילות כיבוי הפלזמה. למרות שאיבת הרטט היא הרבה פחות יעילה במתאן מאשר ב- CO ₂ בגלל השיעורים הגבוהים של ה- VT, פלזמה-קטליזה יכולה בכל זאת להיות מועילה למתאן (פרידמן ⁵ , p.688)

מדויק מדידות ריילי פיזור קשה להשיג בפלזמה פיח, בגלל התרומה הגבוהה של אור תועה כתוצאה ממי התפזרו על חלקיקי הפיח. למרות שזה מסבך את המדידות ריילי, זה יכול לשמש כדי לכמת את צפיפות של חלקיקים פיח במקום ³⁹ . רמאן פיזור יכול לספק חלופה אטרקטיבית למדידת הטמפרטורה בסביבה זו, כפי שהוא מאפשר להבחין מבחינה ספקטראלית אור תועה (ראמאן) מפוזרים רכיבי האור. זמן האינטגרציה של פיזור ראמאן הוא בסדר גודל של 20 דקות, כך שהתנודות בפלזמה ממוצעות. רק לטווח ארוך ההשפעות כמו חימום של המערכת יכולה להשפיע על המדידה, כמו זה מגביר מעט את הלחץ הכור.

דווקא בגלל החפיפה בין הספקטרום הגדול בין אור תועה לבין ריילי מפוזרים באור, לא ניתן להפריז בחשיבות של דיכוי אור תועה (אפילו בהיעדר פיח). אור תועה יכול להיות מופחת על ידי כראויהצבת הבלבל, הגדלת המרחק המוקד של הלייזר אורך ההתקנה, ולהגדיל את קוטר הצינור. השימוש בקרן ואקום מקטין עוד יותר את רמות האור התועה, שכן הוא מבטל את חלון היציאה. לחלופין, ניתן להשתמש בחלונות Brewster גם כן. כפי שתואר לעיל, ידע מסוים של הרכב נדרש (או נמדד או מדומה) כדי להסביר כראוי עבור חתכים שונים ריילי חתכים.

פלזמה מיקרוגל הזרימה הוכיחה עצמה להיות שיטה קיימא של כימיה נהיגה עם יעילות אנרגיה של עד 50%, את הגמישות של מיתוג מהיר, ושימוש רק חומרים זולים. הטמפרטורות שנרשמו במרכז עם זאת, הם הרבה יותר גבוה מאשר מה חיובי עבור overbopulation הרטט גבוה. על ידי הפחתת הטמפרטורה, אפילו יעילות אנרגיה גבוהה יותר ניתן להגיע. למרות הורדת הכוח ( למשל , ל 200 W) היה להקטין את טמפרטורת הגז, ללא אופטימיזציה נוספת של הכור, זהגם מפחית את היעילות.

שתי דרכים אחרות להקטנת הטמפרטורה מוצעות כאן. הדרך הראשונה היא הדופק את כוח המיקרוגל. על ידי הפעלת כוח פולסים קצר יותר מאשר זמן טיפוסי VT- הרפיה, הגז יכול להתקרר בין הפולסים וכתוצאה מכך, פחות כוח הולך לאיבוד הרפיה VT. זה בתורו אומר יותר כוח מושקע השאיבה vibrational כי מקדם דיסוציאציה יעילה. זמן הרפיה VT הוא 70 μs בטמפרטורת החדר ו 100 mbar ⁴⁰ , אשר משמש גבול עליון עבור הדופק בזמן. פעימה יכול רק להגביר את היעילות במשטר פלזמה שבו מסלול ההמרה העיקרי הוא על ידי המרה לא שיווי משקל. הדרך השנייה להגביר את היעילות היא להוסיף זיהומים אלקלי כדי להתאים את EEDF ⁸ . על ידי שליטה על EEDF, ובמיוחד טמפרטורת האלקטרון, האלקטרונים יכולים להעביר את האנרגיה שלהם ביעילות רבה יותר לרטטים מולקולריים,H שוב תוצאות קידום של רמות vibrational גבוהה כי הם חיוניים לתגובות יעילות.

המחברים מצהירים כי אין להם אינטרסים פיננסיים מתחרים.

עבודה זו מומנה על ידי שיחת "CO ₂ דלקים נייטרלי" נתמך על ידי Shell, הקרן לחקר היסוד על החומר (FOM), ואת הארגון ההולנדי למחקר מדעי (NWO). המחברים מבקשים להודות לאדי ואן ולדהויזן, אנה סובוטה וסנדר ניג'דאם על שאיפשרו לנו להשתמש בחלל המעבדה שלהם ובתמיכתם הנדיבה בכלל.