CN111617713B - 一种利用二氧化碳和水合成甲醇的反应装置及利用二氧化碳和水合成甲醇的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及等离子化学合成技术领域，尤其涉及了一种利用二氧化碳和水合成甲醇的反应装置及利用二氧化碳和水合成甲醇的方法。本发明提供的反应装置结构简单，可以保证合成反应在常温常压下进行。其中第一进气管1中的二氧化碳通过通孔鼓泡水并携带水分子至水面与绝缘管5之间由于通电形成的等离子区，进行介质阻挡放电反应，反应中水分子被放电击穿产生了化学性质活跃的氢自由基；所述氢自由基与二氧化碳发生反应合成甲醇。
Description
技术领域
本发明涉及等离子化学合成技术领域，尤其涉及了一种利用二氧化碳和水合成甲醇的反应装置及利用二氧化碳和水合成甲醇的方法。
背景技术
目前，人们对能源的需求量越来越大，而作为不可再生能源的煤、石油和天然气等化石燃料的储量逐渐减少以及燃烧化石燃料造成的温室效应问题日趋严重。因此，如何将二氧化碳等温室气体转换为有价值的清洁能源成为一个亟需解决的问题。目前工业上通过二氧化碳及氢气制备甲醇的流程一般需要高温高压的条件(30个大气压及200℃以上)，这种高温高压的条件不但限制了规模化生产而且造成了额外的能源浪费。因此，开发一种常温常压下通过再生能源合成甲醇等清洁能源对学术界和工业界都意义重大。
等离子体是电离化的气体，是由电子、离子、原子(基态或激发态)、分子(基态或激发态)和自由基等粒子组成的集合体。宏观上，其正负电荷相等，因而称为等离子体。当前产生等离子体最常用的方法是向气体施加外加电场，其中介质阻挡放电是产生低温等离子体的一种常见方式。介质阻挡放电具有等离子体可操作范围广、放电稳定均匀和放电区域较大的优点，在产生等离子体区域的反应物质如分子、离子、原子和自由基等的存在可以有效降低化学势垒，使得一些化学反应即使在室温和大气压下也能够有效进行。
因此，在常温常压下利用介质阻挡放电冷等离子体重整二氧化碳是一种切实可行的方式。目前，利用介质阻挡放电向反应气体加氢通常以氢气为工作气体，通过电离工作气体，使其产生氢自由基参与重整反应来获得目标产物。但是如何通过一种更为简洁有效的方式，既能避免电解水制氢所需要的额外能耗，还能减少反应流程，进一步提高制备效率的装置，一直是人们研究的内容。
发明内容
本发明的目的在于提供一种利用二氧化碳和水合成甲醇的反应装置及利用二氧化碳和水合成甲醇的方法，所述反应装置结构简单，可保证其在常温常压下进行，制备效率高。
为了实现上述发明目的，本发明提供以下技术方案：
本发明提供了一种利用二氧化碳和水合成甲醇的反应装置，包括绝缘管 5，所述绝缘管5的一端分别连接有第一进气管1和第二进气管2；所述绝缘管5的另一端设置有出气管3；
所述第一进气管1直通所述绝缘管5的另一端内壁；所述第一进气管1 在所述绝缘管5管内的部分设置有通孔6；
所述第一进气管1为高压电极管；
所述绝缘管5水平放置，所述绝缘管5中装有水；水面的高度高于在所述绝缘管5管内部的第一进气管1的顶端高度；且小于所述出气管3及第二进气管2的底端高度；
所述绝缘管5的外壁的顶端覆盖有金属丝网4；
所述第一进气管1连接电源，所述金属丝网4接地。
优选的，所述第一进气管1的材质为不锈钢；
所述第一进气管1在所述绝缘管5管外的管口的高度大于所述绝缘管外壁的高度。
优选的，所述通孔6的总面积占位于所述绝缘管5内部的第一进气管1 的面积的1％～10％。
优选的，所述金属丝网4的面积占所述绝缘管外壁面积的百分数≥15％；
所述金属丝网4的最低水平高度>所述水面的高度。
优选的，所述绝缘管5的材质为石英玻璃管。
本发明还提供了一种利用二氧化碳和水合成甲醇的方法，包括以下步骤：
所述方法在上述技术方案所述的反应装置中进行；
洗气；
将二氧化碳气体分别通过第一进气管1和第二进气管2进入所述绝缘管 5中，通电进行合成反应，得到所述甲醇。
优选的，所述洗气的过程为：将二氧化碳分别通过第一进气管1和第二进气管2通入所述绝缘管5内，连续通气5min。
优选的，所述通电的过程中电源的频率为5～10kHz，电压为5～10kV。
本发明提供了一种利用二氧化碳和水合成甲醇的反应装置，包括绝缘管5，所述绝缘管5的一端分别连接有第一进气管1和第二进气管2；所述绝缘管5的另一端设置有出气管3；所述第一进气管1直通所述绝缘管5的另一端内壁；所述第一进气管1在所述绝缘管5管内的部分设置有通孔6；所述第一进气管1为高压电极管；所述绝缘管5水平放置，所述绝缘管5中装有水；所述水面的高度高于所述第一进气管1的顶端高度；且小于所述出气管 3或第一进气管1的底端高度；所述绝缘管5的外壁的顶端覆盖有金属丝网 4；所述第一进气管1连接电源，所述金属丝网4接地。所述装置结构简单，可以保证合成反应在常温常压下进行。其中第一进气管1中的二氧化碳通过通孔鼓泡水并携带水分子至水面与绝缘管5之间由于通电形成的等离子区，进行介质阻挡放电反应，反应中水分子被放电击穿产生了化学性质活跃的氢自由基；所述氢自由基与二氧化碳发生反应合成甲醇。
附图说明
图1为本发明提供的利用二氧化碳和水合成甲醇的反应装置，其中，1- 第一进气管，2-第二进气管，3-出气管，4-金属丝网，5-绝缘管和6-通孔。
具体实施方式
本发明提供了一种利用二氧化碳和水合成甲醇的反应装置，包括绝缘管5，所述绝缘管5的一端分别连接有第一进气管1和第二进气管2；所述绝缘管5的另一端设置有出气管3；
所述第一进气管1直通所述绝缘管5的另一端内壁；所述第一进气管1 在所述绝缘管5管内的部分设置有通孔6；
所述第一进气管1为高压电极管；
所述绝缘管5水平放置，所述绝缘管5中装有水；水面的高度高于在所述绝缘管5管内部的第一进气管1的顶端高度；且小于所述出气管3及第二进气管2的底端高度；
所述绝缘管5的外壁的顶端覆盖有金属丝网4；
所述第一进气管1连接电源，所述金属丝网4接地。
在本发明的具体实施例中，所述第一进气管1的材质优选为不锈钢；
所述第一进气管1在所述绝缘管5管外的管口的高度优选大于所述绝缘管外壁的高度。本发明对所述第一进气管1在所述绝缘管5管外的管口的高度与所述绝缘管外壁的高度差没有任何特殊的限定，保证能够正常进行介质阻挡放电即可。
在本发明的具体实施例中，所述通孔6的总面积优选占位于所述绝缘管 5内部的第一进气管1的面积的1％～10％，更优选为2％～8％，最优选为4％～6％；本发明对所述通孔6的大小和数量没有任何特殊的限定，能够保证所述通孔6的总面积优选占位于所述绝缘管5内部的第一进气管1的面积的百分比在上述范围内即可。
在本发明的具体实施例中，所述金属丝网4的面积占所述绝缘管外壁面积的百分数优选≥15％；所述金属丝网4的最低水平高度>所述水面的高度。
在本发明的具体实施例中，所述绝缘管5的材质优选为石英玻璃管。
本发明还提供了一种利用二氧化碳和水合成甲醇的方法，包括以下步骤：
所述方法在上述技术方案所述的反应装置中进行；
洗气；
将二氧化碳气体分别通过第一进气管1和第二进气管2进入所述绝缘管 5中，通电进行合成反应，得到所述甲醇。
在本发明中，所述洗气的过程优选为：将二氧化碳分别通过第一进气管 1和第二进气管2通入所述绝缘管5内，连续通气5min。
所述洗气完成后，本发明将二氧化碳气体分别通入第一进气管1和第二进气管2中，通电进行合成反应，得到所述甲醇。在本发明中，所述二氧化碳在第一进气管1和第二进气管2中的总流速优选为200～300mL/min。在本发明中，所述二氧化碳在第一进气管1和第二进气管2中的流速比优选为 (1～3)：(1～2)。
在本发明中，二氧化碳在第一进气管1中通入的主要目的是在经过通孔时可以产生鼓泡，将水分子携带至水面与绝缘管内壁的上部之间的部分，通电后水分子被电离成氢自由基并与二氧化碳发生反应生成甲醇。二氧化碳在第二进气管2中通入的主要目的是保证管路中的气流方向，并保证在通电过程中放电更均匀。同时也可以作为制备甲醇的反应原料。
在本发明中，所述通电的过程中电源的频率优选为5～10kHz，更优选为 6～8kHz；所述电压优选为5～10kV，更优选为6～8kV；放电功率优选为8～32W，更优选为20W。
在本发明中，所述合成反应优选在常温常压的条件下进行。
下面将结合本发明中的实施例，对本发明中的技术方案进行清楚、完整地描述。显然，所描述的实施例仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
实施例1
所述利用二氧化碳和水合成甲醇的反应装置结构如图1所示，包括绝缘管5，所述绝缘管5的一端分别连接有第一进气管1和第二进气管2；所述绝缘管5的另一端设置有出气管3；所述第一进气管1直通所述绝缘管5的另一端内壁；所述第一进气管1在所述绝缘管5管内的部分设置有通孔6；所述第一进气管1为高压电极管；所述绝缘管5水平放置，所述绝缘管5中装有水；所述水面的高度高于所述第一进气管1的顶端高度；且小于所述出气管3或第一进气管1的底端高度；所述绝缘管5的外壁的顶端覆盖有金属丝网4；所述第一进气管1连接电源，所述金属丝网4接地；所述第一进气管1的材质为不锈钢；所述第一进气管1在所述绝缘管5管外的管口的高度大于所述绝缘管外壁的高度；所述通孔6的总面积占位于所述绝缘管5内部的第一进气管1的总面积的5％；所述金属丝网4的面积占所述绝缘管外壁面积的百分数为10％；所述金属丝网4的最低水平高度>所述水面的高度；所述绝缘管5的材质为石英玻璃管；
所述利用二氧化碳和水合成甲醇的方法：
将二氧化碳分别通过第一进气管1和第二进气管2通入所述绝缘管5内，连续通气5min，排除管路中的空气；
将二氧化碳气体分别通入第一进气管1(流速为100sccm)和第二进气管2(100sccm)中，通电(电源的频率为6000Hz，电压为7kV，放电功率 20W)进行合成反应(30min)，将得到的所述甲醇通过出气管3排出导入盛有水的容器中。
反应完成后，通过气相色谱-质谱联用仪(GC-MS)对反应装置及容器水溶液中的甲醇含量进行测定，最终得到甲醇质量为0.177g，计算得出反应速率为0.184mmol/min，能量产量为17.7g/kWh。
计算过程：
反应速率＝0.177g÷32÷30min＝0.184mmol/min；
能量产量＝0.177g÷(20W÷1000×0.5h)＝17.7g/kW·h，放电功率20W。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。
Claims (8)
1.一种利用二氧化碳和水合成甲醇的反应装置，其特征在于，包括绝缘管(5)，所述绝缘管(5)的一端分别连接有第一进气管(1)和第二进气管(2)；所述绝缘管(5)的另一端设置有出气管(3)；
所述第一进气管(1)直通所述绝缘管(5)的另一端内壁；所述第一进气管(1)在所述绝缘管(5)管内的部分设置有通孔(6)；
所述第一进气管(1)为高压电极管；
所述绝缘管(5)水平放置，所述绝缘管(5)中装有水；水面的高度高于在所述绝缘管(5)管内部的第一进气管(1)的顶端高度；且小于所述出气管(3)及第二进气管(2)的底端高度；
所述绝缘管(5)的外壁的顶端覆盖有金属丝网(4)；
所述第一进气管(1)连接电源，所述金属丝网(4)接地。
2.如权利要求1所述的反应装置，其特征在于，所述第一进气管(1)的材质为不锈钢；
所述第一进气管(1)在所述绝缘管(5)管外的管口的高度大于所述绝缘管外壁的高度。
3.如权利要求1所述的反应装置，其特征在于，所述通孔(6)的总面积占位于所述绝缘管(5)内部的第一进气管(1)的面积的1％～10％。
4.如权利要求1所述的反应装置，其特征在于，所述金属丝网(4)的面积占所述绝缘管外壁面积的百分数≥15％；
所述金属丝网(4)的最低水平高度>所述水面的高度。
5.如权利要求1所述的反应装置，其特征在于，所述绝缘管(5)的材质为石英玻璃管。
6.一种利用二氧化碳和水合成甲醇的方法，其特征在于，包括以下步骤：
所述方法在权利要求1～5任一项所述的反应装置中进行；
洗气；
将二氧化碳气体分别通过第一进气管(1)和第二进气管(2)进入所述绝缘管(5)中，通电进行合成反应，得到所述甲醇。
7.如权利要求6所述的方法，其特征在于，所述洗气的过程为：将二氧化碳分别通过第一进气管(1)和第二进气管(2)通入所述绝缘管(5)内，连续通气5min。
8.如权利要求6所述的方法，其特征在于，所述通电的过程中电源的频率为5～10kHz，电压为5～10kV。
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- 2020-05-15 CN CN202010410642.4A patent/CN111617713B/zh active Active
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| CN111617713A (zh) | 2020-09-04 |
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