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。