Streszczenie rozprawy doktorskiej mgr inż. Agnieszki Górskiej pt

Streszczenie rozprawy doktorskiej mgr inż. Agnieszki Górskiej
pt. „Przetwarzanie metanu w wyładowaniu barierowym”
wykonanej w ZTNiC pod kierunkiem dr hab. inż. Krzysztofa Krawczyka, prof. PW
Metan jest surowcem m.in. do przemysłowego otrzymywania gazu syntezowego
(z którego wytwarza się amoniak, metanol i węglowodory) oraz chlorowcopochodnych
i cyjanowodoru. Przetwarzanie metanu w gaz syntezowy, ze względu na konieczność
znacznego zużycia energii, jest bardzo kosztowne. Przetwarzania metanu w plazmie
nierównowagowej stanowi alternatywę dla tradycyjnych metod i otwiera nowe, pod
względem ekonomicznym, możliwości otrzymywania wyższych węglowodorów, aldehydów
lub alkoholi z metanu w procesie jednoetapowym.
Celem pracy było zbadanie procesu przetwarzania metanu w wyższe węglowodory
w warunkach sprzęgania nieutleniającego w skojarzonym procesie plazmowokatalitycznym
oraz zbadanie właściwości fizykochemicznych i stabilności pracy katalizatora Cu/ZnO/Al2O3
w trakcie długotrwałych badań. Nieutleniające sprzęganie metanu prowadzono w plazmie
nierównowagowej wyładowania barierowego. Z danych literaturowych dotyczących
przetwarzania trwałych związków chemicznych, do jakich zalicza się metan, wynika,
że wysokoenergetyczne elektrony, które są głównym nośnikiem energii w plazmie
nierównowagowej inicjują reakcje chemiczne. Wzrost energii molekuł metanu i obecność
rodników w środowisku reakcyjnym zwiększają szybkość przemiany metanu. Wprowadzenie
katalizatora do procesu plazmowego wynika z niskiej selektywności plazmowego sprzęgania
metanu. Przyczyną niskiej selektywności plazmowego sprzęgania metanu jest mechanizm
rodnikowy reakcji, który prowadzi do otrzymania szerokiej gamy produktów. Specyfika
wyładowania
barierowego
pozwala
umieścić
katalizator
bezpośrednio
w szczelinie
wyładowczej reaktora czyli bezpośrednio w strefie plazmy. Dzięki takiemu układowi proces
plazmowokatalitycznego przetwarzania metanu staje się procesem jednoetapowym.
Nieutleniające sprzęganie metanu w skojarzonym procesie plazmowokatalitycznym
prowadzono pod ciśnieniem atmosferycznym. Złoże katalityczne umieszczono w strefie
generowania plazmy, tj. w szczelinie wyładowczej między elektrodą wysokoenergetyczną
a barierą dielektryczną.
Najważniejszymi zagadnieniami zbadanymi w pracy były:
— selektywność działania katalizatora Cu/ZnO/Al2O3 w skojarzonym procesie
plazmowokatalitycznego przetwarzania metanu,
— stabilność katalizatora Cu/ZnO/Al2O3 w procesie nieutleniającego sprzęgania metanu,
— aktywność katalizatora podczas długotrwałych pomiarów.
Proces przetwarzania metanu prowadzono w plazmowym, przepływowym reaktorze,
w którym szerokość szczeliny wyładowczej wynosiła 3 mm. Proces przemiany metanu
prowadzono w temperaturze 40–300 oC, pod ciśnieniem 1 lub 1,2 bar i przy natężeniu
przepływu gazu 2 Ndm3h1. Jako reagenty stosowano metan, wodór i argon. Badania
prowadzono w trzech układach:
1. w wyładowaniu barierowym bez wypełnienia,
2. w wyładowaniu barierowym ze szczeliną międzyelektrodową wypełnioną szkłem
kwarcowym,
3. w skojarzonym procesie plazmowokatalitycznym z katalizatorem Cu/ZnO/Al2O3.
W badanych układach produktami przemiany metanu były węglowodory zawierające
dwa atomy węgla w cząsteczce, wodór oraz niewielkie ilości węglowodorów do pięciu
atomów węgla w cząsteczce i sadza. W skojarzonym procesie plazmowokatalitycznym
z katalizatorem Cu/ZnO/Al2O3 uzyskano wzrost selektywności przetwarzania metanu
w węglowodory C2, w tym przede wszystkim w etan. Ilość etanu wytworzonego w obecności
katalizatora była dwukrotnie większa niż w układzie bez udziału katalizatora. W obecności
katalizatora w strefie wyładowania otrzymano bardzo dobrą stabilność procesu. W czasie
długotrwałych badań aktywność katalizatora początkowo malała. Po około 50 godzinach
prowadzenia procesu nie obserwowano zmian stopnia przemiany metanu w etan i w eten.
W temperaturze 240 oC w procesie bez udziału plazmy, katalizator Cu/ZnO/Al2O3 nie był
aktywny w procesie przemiany metanu.