新型双胞反应器光催化还原二氧化碳性能分析及优化

发布时间：2020-02-04 13:21

【摘要】：目前世界能源现状,化石燃料仍然占能源消耗的主导地位。化石能源占全世界能源消85%以上,其持续增长的消耗引起了人们对于能源危机和温室效应的忧虑,这促使国内外研究人员探索减少碳排放和利用二氧化碳的技术。在过去的几十年中,已经有很多将二氧化碳转化成化学物质和可再生燃料的方法,例如热转换,等离子体转换,光还原作用等。在节能减排的各种技术中,光催化二氧化碳还原成烃燃料是一种很有前途而且环保的方法,这种方法可以来阻止温室气体的增加和化石资源的枯竭。对于传统的光催化反应器,反应体系中的还原剂通常是水,在催化剂TiO_2、WO_3等光催化剂的作用下,CO_2被H_2O还原成甲烷、甲酸、甲醛和甲醇等有机物。但是,由于H_2O是一种弱还原剂,CO_2很难被还原,而且生成的有机物容易被二次氧化,造成了传统光催化反应器产率低。近年,光催化水分解制氢技术取得了飞速发展,这为双胞反应器的化学反应体系提供了理论依据。双胞反应器将光催化CO_2还原技术与光催化水分解制氢技术相结合,利用水分解产生的氢离子作为CO_2还原的还原剂。由于H+的还原性远优于H_2O,因此,双胞反应体系有可能比传统反应器具有更高的效率本文建立了描述双胞反应器内水的光解和CO_2光还原过程的计算模型,该模型包含了化学反应动力学模型、物质扩散和传递模型以及光照强度分布模型。通过与已有实验结果的对比,验证了本文采用模型的可行性。进而本文分析了温度、压强、气体混合比对于CO_2转化效率的影响。结果表明,一氧化碳中的碳元素虽然可以间接被用于形成甲醇,但是过量的一氧化碳会与中间产物甲酸甲酯反应,进而抑制甲醇产量。在合理的温度和压强范围内,提高反应温度和压强可以提升甲醇产量。本文还模拟了自然光下的双胞反应器的反应过程,对于今后的实验研究给出了合理的建议。基于传统的双反应器的参数,本文提出了鼓泡式双胞反应器的设想,并建立了计算模型对其进行模拟实验,该模型在包含上述模型基础上还引入了两相流动模型。结果表明,鼓泡式双胞反应器的二氧化碳转换效率高于传统双胞反应器。在合理的进气速度范围内,提高进气速度可以增加反应器甲醇产量,在单位时间内进气总流量相同的情况下,增加气孔数量可以提高反应器甲醇产量。
【图文】：

示意图,反应器,示意图,吉布斯自由能

图 2-1 新型双胞反应器示意图还原反应的热力学分析器内的 CO2光催化还原产生甲醇的过程，可以简化为1 所示。该系列反应的化学反应焓均为负值，说明这些反应（1）、（4）、（5）的吉布斯自由能为负值，说明这进行。尽管反应（2）和（3）的吉布斯自由能为正值布斯自由能（ H0= 285.8 kJ/mol; G0= 237.1 kJ/mol）子能量转化为化学能，伴随着微小的吉布斯自由能的度说明了该反应体系是可进行的，且双胞反应器利用催化反应器用水更具有优势。

曲线,氢气,反应气体,氧气

反应器内气体为纯 CO2时，模拟结果如图 2-侧反应器内氢气的浓度快速增加，，这是由于光解制膜进入还原反应器，短时间内形成了 H2气浓度稳定增加，其增速约为氢气生成速率的续增加，氢气浓度保持稳定不再增加，明氢离子的产生与消耗达到了平衡，间接的说O2反应合成有机物甲醇。因此，在反应的前五降，但是甲醇的量逐渐增加，其平均生成速率到六小时后，甲醇浓度基本达到最大值并所示。图 2-2 和图 2-3 中的实心点为参考文得到的结果，可以看到，模拟结果和实验结果
【学位授予单位】：华北电力大学(北京)
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2017
【分类号】：O643.3;O644.1

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