低温等离子体与离子液体共同作用于甲烷转化的研究

论文摘要

以甲烷为原料生产化工原料，尤其是乙烯，有利于缓解世界石油资源紧张，具有重大的经济和社会意义。由于甲烷分子的高稳定性，使得常规催化法在直接转化甲烷的反应中，存在着高温（700900℃）和高压等不利条件，且催化剂在高温下容易结焦失活。冷等离子体技术能在低温常压下直接转化甲烷制取C2烃。在等离子体区内，甲烷被分解生成各种自由基等活性物种，各物种之间的化合生成C2烃，为提高C2烃的选择性和收率，可在反应体系中引入催化剂，以期对各自由基生成C2烃的过程产生“导向”作用。离子液体具有“零”蒸气压、电化学窗口宽、强酸性、良好的溶解能力及结构可设计性等特点，使其成为一种新型绿色试剂，前期的初步研究表明，离子液体能够强化等离子体转化甲烷生成C2烃的过程。本论文首次探讨了固载化离子液体强化冷等离子体技术转化甲烷制C2烃（C2H2、C2H4、C2H6）反应的影响，论文的主要内容如下：考察了三种不同性质的添加气（H2、CO2、Ar）在直流等离子体转化甲烷反应中对甲烷转化率、C2烃选择性、收率及C2烃分布的影响；合成系列离子液体[Rmim]+X-（其中R＝C2、C4、 C6、C8； X=HSO4、PF6、Br、CF3COO、BF4），并测定了其酸性；制备了系列固载化离子液体[Rmim]+X-/γ-Al2O3（α-Al2O3和20目活性炭），表征了其孔结构；以固载离子液体做为催化剂，分别从离子液体类型、反应条件、离子液体的负载量及载体的性质等方面考察了固载化离子液体位于等离子体余辉区，对直流等离子体转化甲烷制C2烃反应的影响。发现：离子液体[Hmim]X（X=HSO4、PF6、Br、TFA、BF4）能够有效促进甲烷的转化，提高C2烃的选择性和收率。离子液体的酸性是影响C2烃的选择性和收率的主要原因；离子液体负载量15%时，[Emim]HSO4/γ-Al2O3对反应的促进作用最为明显，其最佳的反应条件为：甲烷浓度80%、混合气流速为20ml·min-1、等离子体输入功率47W。载体γ-Al2O3比α-Al2O3和20目活性C更明显地促进了甲烷转化和C2烃的生成。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第一章 绪论
• 1.1 前言
• 1.2 甲烷
• 1.2.1 甲烷转化的意义和研究现状
• 1.2.2 甲烷的直接转化
• 1.2.2.1 甲烷氧化偶联制乙烯
• 1.2.2.2 甲烷直接转化制甲醇和甲醛
• 1.2.2.3 甲烷无氧芳构化的研究进展
• 1.2.3 甲烷的间接转化
• 1.2.3.1 甲烷-蒸汽重整转化工艺研究进展
• 1.2.3.2 甲烷-二氧化碳重整技术（MCR）研究进展
• 1.3 等离子体活化甲烷的研究进展
• 1.3.1 等离子体概述
• 1.3.2 等离子体催化转化甲烷的研究进展
• 1.3.2.1 等离子体条件下纯甲烷转化反应的进展
• 1.3.2.2 添加气促进的等离子体转化甲烷反应的进展
• 1.3.2.3 催化剂和等离子体协同作用下甲烷的转化
• 1.3.3 反应机理
• 1.4 离子液体的研究现状
• 1.4.1 离子液体概述
• 1.4.2 离子液体的合成
• 1.4.3 离子液体的纯化
• 1.4.4 固载化离子液体
• 1.4.4.1 固载化离子液体概述
• 1.4.4.2 固载化离子液体在烯烃加氢反应中的研究进展
• 1.4.4.3 固载化离子液体在芳烃加氢反应中的研究进展
• 1.4.4.4 固载化离子液体在α-β不饱和醛加氢反应中的研究进展
• 1.4.4.5 固载化离子液体催化机理的探讨
• 1.5 本论文的提出
• 1.6 本论文的创新之处
• 第二章 实验方法
• 2.1 实验流程
• 2.1.1 实验流程
• 2.1.2 反应产物的检测和分析
• 2.1.2.1 气相色谱（GC7890 F）的操作
• 2.1.2.2 反应产物的定性分析
• 2.1.2.3 反应产物的定量分析
• 2.2 离子液体的制备及表征
• 2.2.1 离子液体的合成
• 2.2.2 固载化离子液体的制备
• 2.2.3 固载化离子液体的红外表征
• 2.2.5 固载化离子液体的结构表征
• 2.2.6 SEM 分析
• 第三章 产物检测及催化剂分析结果
• 3.1 反应产物的定性分析
• 3.2 固载化离子液体的表征
• 3.2.1 固载化离子液体的红外表征
• 3.2.2 固载化离子液体的结构表征
• 3.2.3 SEM 分析
• 2烃的影响'>第四章 添加气对直流等离子体转化甲烷制 C₂烃的影响
• 4.1 添加气的添加量对甲烷转化反应的影响
• 2添加量对甲烷转化反应的影响'>4.1.1 H₂添加量对甲烷转化反应的影响
• 2添加量对甲烷转化反应的影响'>4.1.2 CO₂添加量对甲烷转化反应的影响
• 4.1.3 Ar 添加量对甲烷转化反应的影响
• 2烃分布的影响'>4.2 添加气对产物 C₂烃分布的影响
• 4.3 等离子体的能量密度对甲烷转化反应的影响
• 4.4 反应机理的探讨
• 4.4.1 光谱分析及结果
• 4偶联反应机理'>4.4.2 冷等离子体作用下纯 CH₄偶联反应机理
• 4+H₂的反应机理'>4.4.3 CH₄+H₂的反应机理
• 4.5 小结
• 第五章 离子液体与等离子体共同作用下甲烷转化的研究
• 5.1 离子液体与等离子体共同作用甲烷转化
• 5.1.1 [Omim]X 型离子液体对反应的影响
• 5.2 固载化离子液体与等离子体共同作用甲烷转化
• 5.2.1 不同类型离子液体的作用
• 5.2.1.1 [Hmim]X 离子液体的影响
• 4型离子液体对反应的影响'>5.2.1.2 [Rmim]HSO₄型离子液体对反应的影响
• 4/γ-Al₂O₃对 C₂烃分布的影响'>5.2.1.3 [Emim]HSO₄/γ-Al₂O₃对 C₂烃分布的影响
• 5.2.2 反应工艺参数的考察
• 5.2.2.1 原料气配比对反应的影响
• 5.2.2.2 气体流速的影响
• 5.2.2.3 放电功率的影响
• 5.2.2.4 离子液体负载量的影响
• 5.2.3 不同性质载体的影响
• 5.3 反应后固载化离子液体表面 SEM 分析
• 5.4 小结
• 第六章 结论与展望
• 6.1 本论文主要研究结论
• 6.2 研究展望
• 参考文献
• 致谢