低温等离子体与半导体催化剂协同分解硫化氢
发布时间：2020-08-12 16:46
【摘要】：硫化氢(H2S)是一种具有毒性、恶臭的气体,主要产生于天然气加工和石油炼制等生产过程。据不完全统计,我国H2S产量已超过700万吨/年。目前H2S处理常采用克劳斯法,但只回收了硫磺,却将宝贵的氢转化为水。本论文采用低温等离子体和半导体催化剂协同的方法将H2S直接分解制取氢气和硫磺,实现了H2S在低温、低能耗下的完全分解,并对该协同体系下H2S分解影响因素进行了系统研究,研制了一系列具有高H2S分解活性的催化剂。所取得研究结果如下： 对低温等离子体与半导体催化剂协同分解H2S的研究发现,分布在放电间隙的强电场和光子可以有效激发半导体催化剂产生电子空穴对,电子空穴对参与H2S分解反应并提高了分解反应速率,降低了分解能耗。 系统研究了注入能量、反应器尺寸、稀释气种类、H2S浓度,反应气流量,产物氢,活性相负载量等因素对H2S分解反应的影响。结果表明：H2S转化率随着注入能量的增加不断提高；反应器内径的增大会导致放电区域出现弱放电从而无法有效激发反应物分子；单原子气体Ar作为稀释气有效提高了H2S分解性能；低H2S浓度利于H2S分解；H2S在等离子体下的气相分解速率极快,表现出停留时间未明显影响分解反应：产物氢有利于H2S分解但其促进作用未涉及催化剂表面反应；担载量为10%时CdS/Al2O3和ZnS/Al2O3表现出最高活性；长周期实验显示催化剂具有良好的稳定性。 制备出一系列具有不同Zn/Cd比的ZnxCd1-xS/Al2O3固溶体催化剂。对该固溶体催化剂进行了多种表征并考察了其H2S分解性能。结果表明Zn0.6Cd0.4S/Al2O3和Zn0.4Cd0.6S/Al2O3两种固溶体催化剂表现出更高的催化活性。这主要归因于两种固溶体催化剂适宜的禁带宽度、导带电位和价带电位。 制备出具有不同Cr含量的Cr-ZnS/Al2O3催化剂。通过多种表征手段研究了催化剂的物化性质并考察了其H2S分解性能,其中Cr/Zn比为0.20时具有最高的H2S分解活性。研究表明Cr的引入导致活性相晶粒尺寸减小、拓宽了催化剂光响应谱带并产生更多利于电子空穴分离的Zn空位,这些均有利于提高半导体催化剂活性。 以低温等离子体制备了多种高分散负载型金属硫化物催化剂,包括负载型CdS、ZnS、CoS、FeS2、Ag2S、MnS、NiS、MoS2、CuS以及WS2等。研究表明等离子体法不需焙烧、反应温度低、时间短,金属硫化物颗粒小、分散度高。利用该法制备的CdS/Al2O3和ZnS/Al2O3比传统热硫化法所制备催化剂在协同等离子体分解H2S反应中表现出更高的催化活性。
【学位授予单位】：大连理工大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2014
【分类号】：O643.36;X74
【图文】：
(2)辉光放电（Glow discharge)等离子体图1.3为辉光放电等离子体示意图。因具有稳定、自持放电的优点，在等离子体化学领域中辉光放电是广泛采用的一种放电形式。辉光放电具有比电晕放电更高的放电电流，所产生辉光可以扩展到两电极间的整个放电区域，发光明亮。/等离子体区阴极 NB ：/ ： . ： NB阳极图1.3辉光放电示意图Fig. 1.3 Schematic diagram of glow dischargeTraus等采用辉光放电形式研究了常压下H2S分解反应。以不锈钢作为电极材料，内外两电极在电场作用下发生同轴旋转，并采用油浴'加热外电极以使反应温度控制在120 °C以上，从而确保分解得到的硫d粑禾揖哂薪系蜑薅取Ｔ贖2S初始浓度10%-100% (以氢气或氩气作为稀释气），气体流量为lOOmL/min，外电极温度170。C ’电功率45-75 W
如图1.4所示，和常规的低温等离子体不同，滑动弧光等离子体是一种非稳态的放电等离子体，它产生于气体流经两分^u电极的最小间距处。由于其具有高电子温度和密度，因此在化工应用中具有独特的优势。I电极电极进气口图1.4滑动弧光放电示意图Fig. 1.4 Schematic diagram of gliding arc dischargeDalaine等利用滑动弧光放电等离子体研究了 HzS分解反应，反应气中H2S含量为 150mg/m3，H2S 分解能耗高达 500 eV/molecule-H2S。Nunnally 等利用旋风滑动弧光放电等离子体反应器进行纯H2S气体分解的研究，发现该反应器延长了 FhS气体的停留时间，且在等离子体中心区域内进行对流传热传质，使反应区与器壁几乎完全隔热
(4)微波等离子体（Microwave plasma)如图1.5所示，微波等离子体是以微波放电发生器使气体电离而产生，一般其放电频率较高，并可在较宽的频率和压力范围下操作，具有放电均匀的优点并可产生较大体积的等离子体。-19 -
本文编号：2790778
【学位授予单位】：大连理工大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2014
【分类号】：O643.36;X74
【图文】：
(2)辉光放电（Glow discharge)等离子体图1.3为辉光放电等离子体示意图。因具有稳定、自持放电的优点，在等离子体化学领域中辉光放电是广泛采用的一种放电形式。辉光放电具有比电晕放电更高的放电电流，所产生辉光可以扩展到两电极间的整个放电区域，发光明亮。/等离子体区阴极 NB ：/ ： . ： NB阳极图1.3辉光放电示意图Fig. 1.3 Schematic diagram of glow dischargeTraus等采用辉光放电形式研究了常压下H2S分解反应。以不锈钢作为电极材料，内外两电极在电场作用下发生同轴旋转，并采用油浴'加热外电极以使反应温度控制在120 °C以上，从而确保分解得到的硫d粑禾揖哂薪系蜑薅取Ｔ贖2S初始浓度10%-100% (以氢气或氩气作为稀释气），气体流量为lOOmL/min，外电极温度170。C ’电功率45-75 W
如图1.4所示，和常规的低温等离子体不同，滑动弧光等离子体是一种非稳态的放电等离子体，它产生于气体流经两分^u电极的最小间距处。由于其具有高电子温度和密度，因此在化工应用中具有独特的优势。I电极电极进气口图1.4滑动弧光放电示意图Fig. 1.4 Schematic diagram of gliding arc dischargeDalaine等利用滑动弧光放电等离子体研究了 HzS分解反应，反应气中H2S含量为 150mg/m3，H2S 分解能耗高达 500 eV/molecule-H2S。Nunnally 等利用旋风滑动弧光放电等离子体反应器进行纯H2S气体分解的研究，发现该反应器延长了 FhS气体的停留时间，且在等离子体中心区域内进行对流传热传质，使反应区与器壁几乎完全隔热
(4)微波等离子体（Microwave plasma)如图1.5所示，微波等离子体是以微波放电发生器使气体电离而产生，一般其放电频率较高，并可在较宽的频率和压力范围下操作，具有放电均匀的优点并可产生较大体积的等离子体。-19 -
【参考文献】
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本文编号：2790778
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