离子液体在等离子体甲烷转化过程中作用的研究

【摘要】： 在目前世界石油资源日益减少的情况下，天然气的转化研究成为人们研究的热点。天然气主要成分甲烷具有高稳定性和其转化反应在热力学上的限制，采用常规法催化甲烷转化，反应温度往往高达700～900℃，这样高的温度不仅有助于CH_4的深度氧化，生成CO_x(X=0，1，2)，而且固体催化剂在高温下容易粉化、结焦，失去活性组分而导致催化剂失活。 离子液体是一种新型绿色环保试剂，具有液程范围大、几乎无蒸气压、不挥发、电化学窗口宽以及结构可设计性的特点。目前已广泛应用于萃取分离、电化学、有机无机材料合成各种典型化学反应中。本文在采用非平衡等离子体技术甲烷转化中，首次以离子液体做为反应催化剂，一方面提高反应效率，另一方面可以弥补等离子体甲烷转化反应中固体催化剂易结焦失活的弊端。论文主要研究内容和结论如下： 1、采用直流高压等离子体技术进行甲烷转化反应，反应的主要产物是C_2烃(C_2H_4、C_2H_6、C_2H_2)，研究气体流速、放电峰值电压和放电间距对甲烷转化率、C_2烃选择性和收率的影响规律。结果表明：降低气体流速、缩小放电间距、提高放电峰值电压可提高CH_4转化率。最佳反应条件为：气体流速15ml／min，放电峰值电压14KV，电极间距8mm。 2、合成系列离子液体[Rmim]~+X~-(其中R=C_4～C_8；X=HSO_4、PF_6、Br、CF_3COO、BF_4)，并对离子液体的电导率、电化学窗口、酸碱度和极化能力进行了表征与测定。 3、以离子液体做为催化剂，研究离子液体在等离子体余辉区、等离子体区对甲烷转化反应的影响。当离子液体在等离子体余辉区时，离子液体与下极板间距在2～5mm范围内实验效果较好。 4、在等离子体甲烷转化最佳反应条件下，当离子液体在等离子体余辉区时，研究[Rmim]~+X~-(其中R=C_4～C_8；X=HSO_4、PF_6、Br、CF_3COO、BF_4)型离子液体对反应的影响。[C_6mim]~+X~-离子液体中得到的CH_4转化率与C_2烃产率大小顺序为HSO_4~-＞PF_6~-＞Br~-＞CF_3COO~-＞BF_4~-，与离子液体酸性强弱顺序基本一致；[Rmim]Br离子液体(R=C_4～C_8)阳离子C数变化对反应无明显影响。 5、在等离子体甲烷转化最佳反应条件下，离子液体在等离子体余辉区，加入[C_8mim]~+HSO_4~-离子液体，研究了气体流速、放电间距和峰值电压对甲烷转化率、C_2烃选择性和C_2烃收率的影响，得出在气体流速10ml／min，放电峰值电压14KV，电极间距8mm条件下，实验效果较好。 6、等离子体甲烷转化过程中有积炭生成，扫描电镜分析表明积炭呈纳米级棉絮状聚集或不规则颗粒状聚集。 【关键词】：等离子体 甲烷 离子液体 催化剂 C_2烃
【学位授予单位】：大连轻工业学院
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2007
【分类号】：O621.3
【目录】：

• 摘要4-6
• Abstract6-11
• 第一章 绪论11-33
• 1.1 前言11-12
• 1.2 甲烷转化的研究进展12-17
• 1.2.1 甲烷直接转化法13-17
• 1.2.1.1 甲烷氧化偶联制乙烯13-14
• 1.2.1.2 甲烷直接氧化制甲醇和甲醛14-16
• 1.2.1.3 甲烷直接合成芳烃16-17
• 1.2.2 甲烷间接转化法17
• 1.2.2.1 甲烷水蒸气重整17
• 1.2.2.2 甲烷部分氧化制合成气17
• 1.2.2.3 二氧化碳重整工艺17
• 1.2.2.4 联合重整17
• 1.3 等离子体活化甲烷转化的研究现状17-24
• 1.3.1 等离子体的概念17-18
• 1.3.2 等离子体的分类18
• 1.3.3 等离子体的性质及产生18-19
• 1.3.4 甲烷在等离子体条件下的转化19-24
• 1.3.4.1 单纯等离子体催化甲烷转化20-21
• 1.3.4.2 金属催化剂催化甲烷转化21-23
• 1.3.4.3 金属氧化物催化剂催化甲烷转化23-24
• 1.3.4.4 金属-金属氧化物催化剂催化甲烷转化24
• 1.4 离子液体的研究现状24-31
• 1.4.1 离子液体的概念24-25
• 1.4.2 离子液体的制备25-26
• 1.4.2.1 直接合成法25
• 1.4.2.2 两步合成法25-26
• 1.4.3 离子液体的性质26-29
• 1.4.3.1 熔点26
• 1.4.3.2 密度26-27
• 1.4.3.3 粘度27
• 1.4.3.4 溶解性27-28
• 1.4.3.5 电导率28
• 1.4.3.6 电化学窗口28
• 1.4.3.7 热稳定性28-29
• 1.4.3.8 酸碱性29
• 1.4.4 离子液体的应用29-31
• 1.4.4.1 离子液体在萃取分离中的应用29
• 1.4.4.2 离子液体在化学反应中的应用29-30
• 1.4.4.3 离子液体在电化学中的应用30-31
• 1.5 本论文的选题31-33
• 第二章 实验部分33-40
• 2.1 实验流程33-37
• 2.1.1 实验过程34
• 2.1.2 等离子体反应器34-36
• 2.1.2.1 反应器的设计35-36
• 2.1.2.2 电极的选择36
• 2.1.3 实验方法36-37
• 2.2 离子液体的合成与物性测定37-40
• 2.2.1 离子液体的合成37-38
• 2.2.2 离子液体物性测定38-40
• 第三章 等离子体活化甲烷转化的研究40-47
• 3.1 峰值电压对反应的影响40-41
• 3.2 放电电极间距对反应的影响41-42
• 3.3 甲烷气体流速对反应的影响42-43
• 3.4 等离子体活化甲烷的反应机理43-46
• 3.4.1 等离子体化学中的基元反应43-44
• 3.4.2 等离子体活化甲烷的反应机理44-46
• 3.5 小结46-47
• 第四章 离子液体的合成与物性测定47-56
• 4.1 离子液体的合成47-49
• 4.1.1 1-己基-3-甲基咪唑四氟硼酸盐离子液体的合成47-48
• 4.1.2 1-辛基-3-甲基咪唑硫酸氢根离子液体的合成48-49
• 4.1.3 其他离子液体的合成49
• 4.2 离子液体物性测定49-55
• 4.2.1 电导率的测定49-50
• 4.2.2 电化学窗口的测定50-51
• 4.2.3 酸性的测定51-54
• 4.2.4 极化能力的测定54-55
• 4.3 小结55-56
• 第五章 离子液体与等离子体共同作用甲烷转化的反应56-66
• 5.1 离子液体与等离子体放电区相对位置对反应的影响56-60
• 5.1.1 离子液体位于等离子体余辉区56-59
• 5.1.1.1 不同阴离子的离子液体对反应结果的影响56-57
• 5.1.1.2 不同阳离子的离子液体对反应结果的影响57-59
• 5.1.2 离子液体在位于等离子体区59-60
• 5.2 离子液体与下极板间距离对反应的影响60-61
• 5.3 [C_8mim]HSO_4离子液体与等离子体共同作用甲烷转化反应61-63
• 5.3.1 气体流速对反应的影响61-62
• 5.3.2 放电间距对反应的影响62
• 5.3.3 放电峰值电压对反应的影响62-63
• 5.4 反应积炭形成与形态分析63-64
• 5.5 小结64-66
• 第六章 结论与展望66-69
• 6.1 本论文主要研究成果与结论66-67
• 6.2 研究展望67-69
• 参考文献69-73
• 致谢73

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