常压介质阻挡放电等离子体协同催化合成氨应用基础研究

发布时间：2018-02-25 21:16

本文关键词： 合成氨常压介质阻挡放电填充式等离子体反应器钌基催化剂　出处：《浙江工业大学》2015年硕士论文　论文类型：学位论文

【摘要】：合成氨工业是基础化学工业的重要组成部分,在国民经济中占有重要地位。氨除了用于氮肥和化工产品外,还在能源领域有着非常重要的应用,2009年9月在美国堪萨斯州举行的氨燃料会议上指出“液氨将是未来重要的可持续能源之一”。工业上合成氨常采用Haber-Bosch法,需在高温、高压和催化剂的共同作用下进行,反应条件苛刻,尤其需在高压条件下进行,能耗巨大。因而,如何降低合成氨操作压力一直是该领域学者的研究热点和目标。放电等离子体作为一种直接向反应体系施加能量的电工电能新技术,可在常压或负压条件将反应气体分子电离、分解,产生N、H、NHx等高活性自由基并合成氨,与催化剂耦合,可进一步提高合成氨反应速率和转化率。放电等离子体合成氨技术可在温和条件下实现氨的合成,彻底改变了传统意义上氨合成“游戏规则”,避免了原料气在压缩过程所产生的高能耗。填充式介质阻挡放电(DBD)反应器被认为是一种新型的、能强化反应器内电场、有利于反应气体均匀分布的等离子体反应器,填充式DBD反应器在合成氨反应的应用尚未见报道。本文拟采用该新型等离子体反应器在常压下开展合成氨研究工作,包括填充催化剂筛选、工艺参数优化和等离子体催化合成氨机理研究,主要内容及取得的成果和结论如下:(1)以Ru(NO)(NO3)3为前驱体,选取Al2O3、MgO(包括轻质氧化镁L-MgO和重质氧化镁H-MgO)为载体制备钌基合成氨催化剂,在dbd反应器中对催化剂(al2o3,l-mgo,h-mgo,ru/al2o3,ru/l-mgo)进行活性评价,并对催化剂放电前后结构性能进行表征。结果表明:催化剂活性顺序为:ru/l-mgoru/al2o3l-mgoal2o3h-mgo。由sem-eds、比表面积及孔结构表征可知,等离子体放电环境对比表面积较大、孔径较小和孔道密集的载体al2o3结构性能影响不大,但对结构比较疏松、孔径较大且比表面积较小的载体l-mgo会造成其负载的ru发生部分团聚现象;(2)在dbd反应器中,以不同催化剂为填充介质,引入一定比例的n2和h2为原料气,进行了合成氨工艺参数的优化研究(一步法合成氨),工艺参数包括n2/h2体积比、气体总流量、放电功率、放电温度。结果表明:在不同填充介质下最佳n2/h2体积比均为2:1;增加气体总流量,可减少催化剂外扩散影响,提高氨质量产率;氨质量产率随放电功率增大而增加;氨质量产率随放电温度增高而显著增加,当放电温度小于300℃时,吸附在具有较多酸性基团的al2o3和ru/al2o3催化剂上的nh3会经过反复放电分解,降低氨质量产率;(3)为探究等离子体催化合成氨机理,将dbd反应器中合成氨过程分解为n2放电、h2放电和nh3脱附三个过程(三步法合成氨),考察了催化剂上等离子体活化态n(a)在不同催化剂和工艺参数条件的加氢特性。结果表明:提高n2放电功率,有利于在al2o3上形成更多活化态n(a),当放电功率超过26w时,al2o3上活化态n(a)达到饱和,在al2o3表面产生的nh3总量基本不变;增加h2放电温度,有利于吸附在al2o3的nh3(a)脱附;在第二步h2放电过程中,不同催化剂上的等离子体活化态n(a)加氢合成氨含量顺序也为ru/l-mgoru/al2o3l-mgoal2o3h-mgo,说明吸附在催化剂上的等离子体活化态n(a)加氢合成氨反应起着关键性作用,是dbd等离子体协同催化合成氨的主反应过程。
[Abstract]:Ammonia industry is an important part of basic chemical industry and plays an important role in the national economy . In addition to being used for nitrogenous fertilizer and chemical products , ammonia will be one of the important sustainable energy sources in the future . The results and conclusions are as follows : ( 1 ) The catalyst activity sequence is : ru / l - mgoru / alfate 3l - mgo - 3h - mgo . The results and conclusions are as follows : ( 1 ) The optimum ratio of the catalyst activity is : ru / l - mgoru / alfate 3l - mgo - 3h - mgo . The results and conclusions are as follows : ( 1 ) The optimum n2 / h2 volume ratio is 2 : 1 under normal pressure . ( 3 ) In order to investigate the mechanism of plasma - catalyzed synthesis of ammonia , three processes ( three - step method synthetic ammonia ) for the decomposition of ammonia in the reactor were investigated . The hydrogenation characteristics of the activated state n ( a ) on the catalyst were investigated .

【学位授予单位】：浙江工业大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：TQ113.2

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