KR102075657B1 - regeneration method of deactivated bed for anaerobic methane coupling reaction in dielectric barrier discharge plasma reactor - Google Patents

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이진원
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서강대학교 산학협력단
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Abstract

The present invention relates to a dielectric barrier discharge (DBD) plasma reactor including mesoporous dielectric particles in a discharge region, and more specifically, to a DBD plasma reactor designed to remove a coke formed on a mesoporous dielectric particle by a side reaction through plasma treatment in an oxidation atmosphere, and to a use thereof. Meanwhile, a method for producing C_2+ hydrocarbons from methane through non-oxidation coupling reaction of methane according to the present invention comprises: a first step of converting methane into C2 or more hydrocarbons including ethylene and/or ethane through non-oxidation coupling reaction of methane in a DBD plasma reactor having mesoporous dielectric particles in a discharge area; and a second step of removing coke by using low-temperature plasma under an oxidation atmosphere in the DBD plasma reactor having mesoporous dielectric particles which are deactivated by the coke formed during the reaction of the first step in the discharge area.

Description

유전체 장벽 방전 플라즈마 반응기에서 비활성화된 메탄 이량화 반응 베드의 재생방법 {regeneration method of deactivated bed for anaerobic methane coupling reaction in dielectric barrier discharge plasma reactor}Regeneration method of deactivated bed for anaerobic methane coupling reaction in dielectric barrier discharge plasma reactor

본 발명은 유전체 장벽 방전 플라즈마 반응기에서 비활성화된 메탄 이량화 반응 베드의 재생방법; 또는 유전체 장벽 방전 플라즈마 반응기에서 비활성화된 메조다공성 유전체 입자들의 재생방법에 관한 것이다.The present invention provides a method for regenerating a deactivated methane dimerization reaction bed in a dielectric barrier discharge plasma reactor; Or a method for regenerating mesoporous dielectric particles deactivated in a dielectric barrier discharge plasma reactor.

전통적으로 에틸렌은 석유화학의 납사 개질을 통하여 얻어지며, 아세틸렌은 석탄 혹은 천연가스의 고온 열분해 공정으로 얻어진다. 그러나, 석유는 천연가스, 셰일가스 등의 가스자원보다 매장량이 적고, 가격의 변동도 더 불안정한 것이 사실이다. 석탄의 매장량은 석유에 비해 매우 많고 활용도가 높지만, 전처리에 들어가는 비용과 에너지가 과도하고, 활용과정 중에 분진과 온실가스를 많이 배출하는 특징이 있어 사용량에 제한이 따른다.Traditionally, ethylene is obtained through petrochemical naphtha reforming, and acetylene is obtained by high temperature pyrolysis of coal or natural gas. However, it is true that oil has less reserves than gas resources such as natural gas and shale gas, and price fluctuations are more unstable. Coal reserves are much higher than those of petroleum and are highly available, but the cost and energy required for pretreatment are excessive, and dust and greenhouse gases are emitted during the process.

따라서, 매장량이 풍부하고, 상대적으로 환경문제를 덜 야기하는 화석연료인 천연가스 자원을 적극적으로 활용하고자 하는 연구가 지속적으로 수행되고 있다. 메탄이 천연 가스 자원의 주성분이기 때문에, 메탄을 보다 가치있는 탄화수소 및 연료로 전환하는 것은 중요하다. 특히, 가스기반 기술로 화학산업에서 필요한 기초유분을 제조할 수 있다면, 기존의 화학산업 인프라구조를 거의 그대로 사용할 수 있어 파급효과가 막대할 것으로 예상된다. Therefore, researches to actively use natural gas resources, which are rich in reserves and cause relatively less environmental problems, have been continuously conducted. Since methane is a major component of natural gas resources, it is important to convert methane into more valuable hydrocarbons and fuels. In particular, if gas-based technology can be used to produce the basic oil needed in the chemical industry, the existing chemical industry infrastructure can be used almost as it is, and the ripple effect is expected to be enormous.

석유화학산업에서 매우 중요한 고부가 화합물이면서 석유화학의 쌀이라고 불리는 에틸렌의 합성에 많은 연구자원이 투입되고 있다. 대표적인 기술은 산소를 이용한 산화이량화 방법이 있는데, 아직까지는 수율이 낮아 상용화에는 미치지 못하고 있으며, 기술적으로는 심한 발열, 순산소 제조, 생성기체 혼합물 분리 및 재순환의 어려움이 있는 것으로 알려져 있다.A lot of research resources have been invested in the synthesis of ethylene, which is a very important high value compound in the petrochemical industry and called petrochemical rice. Representative techniques include oxidative dimerization using oxygen, which is not yet commercialized due to low yields, and technically known to have severe exothermicity, pure oxygen production, separation of gas mixtures, and recycling.

상용화된 아세틸렌 제조 공정은 섭씨 1500도 이상의 고온의 열분해 기술을 사용하거나, 수 천도에 이르는 고온 플라즈마를 이용하는 Huels 공정이 알려져 있다. 높은 온도로 인하여 반응기나 공정 구성에 어려움이 많고, 에너지 소모가 크며, 부반응에 의해 제거가 힘든 결정성 탄소의 침적이 발생한다. Commercially available acetylene manufacturing processes use high temperature pyrolysis techniques of more than 1500 degrees Celsius, or Huels processes using high temperature plasma up to several thousand degrees. Due to the high temperature, it is difficult to construct a reactor or a process, energy consumption is high, and side reactions cause deposition of crystalline carbon which is difficult to remove.

한편, C2 화합물들을 생산하는 전형적인 메탄의 비산화성 커플링 반응을 기존의 열화학 반응기에서 수행하는 경우, C-H 결합을 열적으로 활성화시켜 메틸 라디칼을 생성하기 위해 통상 매우 높은 온도 (1,000 ℃ 이상)를 필요로 한다.On the other hand, when a non-oxidative coupling reaction of a typical methane producing C2 compounds is carried out in a conventional thermochemical reactor, very high temperatures (more than 1,000 ° C.) are usually required to thermally activate the CH bonds to produce methyl radicals. do.

이러한 에너지 집약적인 전환 반응 및 높은 운전 비용을 피하기 위해, 외부 열 흐름을 최소화하는 비-열 플라즈마 기술이 최근 집중적으로 연구되고 있는데, 가속된 전자 및 이온을 직접 및 효율적으로 이용하여, 상승된 온도로 베드(bed) 내 모든 반응 매개물(reaction medium)을 가열하지 않더라도, 저온에서 메탄 분자의 C-H 결합을 활성화시키기 때문이다. 비-열 플라즈마 반응 시스템에서 전자 온도는 ~ 20000 K까지 증가하며 전자들이 주로 반응에 기여한다. 그러나, 양전하 이온 및 중성 분자를 포함하는 대부분(bulk)의 온도는 실온에 가깝다. 이러한 이유로, 이러한 종류의 플라즈마는 비-열적, 비-평형 플라즈마 (즉, 전자 온도 >> 가스 온도)로 여겨진다.In order to avoid such energy-intensive conversion reactions and high operating costs, non-thermal plasma technology that minimizes external heat flow has recently been intensively studied, using elevated electrons and ions directly and efficiently, at elevated temperatures. This is because even without heating all the reaction medium in the bed, it activates the CH bonds of the methane molecules at low temperatures. In non-thermal plasma reaction systems, the electron temperature increases to ~ 20000 K and electrons mainly contribute to the reaction. However, the bulk temperature, including positively charged ions and neutral molecules, is close to room temperature. For this reason, this kind of plasma is considered a non-thermal, non-balanced plasma (ie electron temperature >> gas temperature).

본 발명은, 저온 플라즈마의 한 종류인 유전체 장벽 방전 (DBD) 플라즈마를 이용하여 반응 중 반응 베드 내에 발생한 탄소침적물, 탄화수소 등 탄소함유 부산물을 제거하는 방법을 제거하고자 한다.The present invention is to remove a method of removing carbon-containing by-products such as carbon deposits, hydrocarbons, etc. generated in the reaction bed during the reaction by using a dielectric barrier discharge (DBD) plasma, a kind of low-temperature plasma.

또한, 본 발명은, 저온 플라즈마의 한 종류인 DBD 플라즈마를 이용하여 메조다공성 구조 또는 입자 고유의 결정구조를 유지하면서 반응 중 발생한 탄소침적물, 탄화수소 등 탄소함유 부산물을 제거하고자 한다. In addition, the present invention is to remove the carbon-containing by-products such as carbon deposits, hydrocarbons generated during the reaction while maintaining the mesoporous structure or the particle-specific crystal structure using DBD plasma, which is a kind of low-temperature plasma.

본 발명의 제1양태는 방전영역에 메조다공성 유전체 입자들을 구비하는 유전체 장벽 방전 (DBD) 플라즈마 반응기로서, 부반응에 의해 메조다공성 유전체 입자 상에 형성된 코크를 산화 분위기에서 플라즈마 처리를 통해 제거하도록 설계된 것이 특징인 DBD 플라즈마 반응기를 제공한다.A first aspect of the present invention is a dielectric barrier discharge (DBD) plasma reactor having mesoporous dielectric particles in a discharge region, wherein the coke formed on the mesoporous dielectric particles by side reaction is removed by plasma treatment in an oxidizing atmosphere. It provides a DBD plasma reactor characterized.

본 발명의 제2양태는 제1양태의 유전체 장벽 방전 (DBD) 플라즈마 반응기에서, 부반응으로 형성된 코크로 인해 비활성화된 메조다공성 유전체 입자들로부터 산화 분위기 하 저온 플라즈마로 코크를 제거하는 것이 특징인 메조다공성 유전체 입자들의 재생방법을 제공한다.The second aspect of the present invention is characterized in that in the dielectric barrier discharge (DBD) plasma reactor of the first aspect, mesoporous is characterized by removing coke with a cold plasma under an oxidizing atmosphere from mesoporous dielectric particles deactivated due to coke formed by side reactions. A method of regenerating dielectric particles is provided.

본 발명의 제3양태는 메탄의 비-산화 커플링 반응을 통해 메탄으로부터 C2+ 탄화수소를 제조하는 방법에 있어서, 방전영역에 메조다공성 유전체 입자들을 구비한 유전체 장벽 방전 (DBD) 플라즈마 반응기에서 메탄의 비-산화 커플링 반응을 통해 메탄으로부터 에틸렌 및/또는 에탄을 포함한 C2 이상의 탄화수소로 전환시키는 제1단계; 및 방전영역에 제1단계의 반응 중 형성된 코크로 인해 비활성화된 메조다공성 유전체 입자들을 구비한 유전체 장벽 방전 (DBD) 플라즈마 반응기에서 산화 분위기 하 저온 플라즈마로 상기 코크를 제거하는 제2단계;를 포함하되, 제1단계와 제2단계를 1회 이상 반복하는 것이 특징인 C2+ 탄화수소 제조 방법을 제공한다.A third aspect of the invention provides a method for producing C 2+ hydrocarbons from methane through non-oxidative coupling reaction of methane, the methane in a dielectric barrier discharge (DBD) plasma reactor having mesoporous dielectric particles in the discharge region. Converting methane to C2 or more hydrocarbons including ethylene and / or ethane via a non-oxidative coupling reaction of; And a second step of removing the coke with a low temperature plasma under an oxidizing atmosphere in a dielectric barrier discharge (DBD) plasma reactor having mesoporous dielectric particles deactivated due to coke formed during the reaction of the first step in the discharge region. It provides a method for producing a C 2+ hydrocarbon, characterized in that the first and second steps are repeated one or more times.

본 발명의 제4양태는 메탄의 비-산화 커플링 반응을 통해 메탄으로부터 수소를 제조하는 방법에 있어서, 방전영역에 메조다공성 유전체 입자들을 구비한 유전체 장벽 방전 (DBD) 플라즈마 반응기에서 메탄의 비-산화 커플링 반응을 통해 메탄으로부터 수소를 생성시키는 제1단계; 및 방전영역에 제1단계의 반응 중 형성된 코크로 인해 비활성화된 메조다공성 유전체 입자들을 구비한 유전체 장벽 방전 (DBD) 플라즈마 반응기에서 산화 분위기 하 저온 플라즈마로 상기 코크를 제거하는 제2단계;를 포함하되, 제1단계와 제2단계를 1회 이상 반복하는 것이 특징인 수소 제조 방법을 제공한다.A fourth aspect of the present invention provides a method for producing hydrogen from methane through a non-oxidative coupling reaction of methane, the method of producing methane in a dielectric barrier discharge (DBD) plasma reactor having mesoporous dielectric particles in the discharge region. Generating a hydrogen from methane through an oxidative coupling reaction; And a second step of removing the coke with a low temperature plasma under an oxidizing atmosphere in a dielectric barrier discharge (DBD) plasma reactor having mesoporous dielectric particles deactivated due to coke formed during the reaction of the first step in the discharge region. It provides a method for producing hydrogen, characterized in that the first and second steps are repeated one or more times.

이하, 본 발명을 자세히 설명한다.Hereinafter, the present invention will be described in detail.

본 발명자들은 규칙적인 메조 기공의 실리카(KIT-6)와 같은 유전체 물질을 베드에 구비한 유전체 장벽 방전 (DBD) 플라즈마 반응기에서 상압 및 상온 하 DBD 플라즈마 베드(bed)에서 메탄의 비산화적 커플링 반응을 수행하면, 추가적인 열 에너지 및 산화제 분자 없이 성공적으로 C-H 결합을 활성화시켜 메틸 라디칼 및 경질 탄화수소를 생성할 수 있다는 것을 확인하였다. We describe the non-oxidative coupling reaction of methane in a DBD plasma bed at atmospheric and ambient temperature in a dielectric barrier discharge (DBD) plasma reactor with a bed of dielectric material such as regular mesoporous silica (KIT-6). It has been found that, in the following, it is possible to successfully activate CH bonds without additional thermal energy and oxidant molecules to produce methyl radicals and light hydrocarbons.

그러나, 고다공성 유전체 입자의 경우, 탄소 침적량이 상당하였다. 탄소 종은 기공 안에도 침적되었다. 또한, 유전체 입자의 크기가 증가함에 따라, 증가된 강도의 마이크로 방전으로 인해, 탄소 침적량이 증가되었다. TG / DTA 분석을 통해, 두 개의 서로 다른 탄소 종이 침적되었음을 확인하고, XRD 분석을 통해, 대부분의 탄소 종이 무정형으로 확인되었다. 또한, FT-IR 스펙트럼을 통해 상기 탄소 종은 장쇄 탄화수소를 갖는 탄소 침적으로 분류되었다. However, in the case of highly porous dielectric particles, the amount of carbon deposition was significant. Carbon species were also deposited in the pores. In addition, as the size of the dielectric particles increased, the amount of carbon deposition increased due to the increased intensity micro discharge. TG / DTA analysis confirmed that two different carbon species were deposited, and through XRD analysis, most carbon species were identified as amorphous. In addition, the FT-IR spectra indicated that the carbon species were classified as carbon deposits with long chain hydrocarbons.

상기 문제를 해결하기 위해, 본 발명은 메탄으로부터 이량화 및 탈수소화를 통해 에탄, 에틸렌, 아세틸렌 등 주로 C2 화합물과 수소를 제조하는 저온 유전체 장벽 방전 플라즈마 반응기 시스템을 대상으로 실험한 결과, 반응 중 부반응으로 필연적으로 수반되는 탄소 침적 혼합물을 반응에 사용된 종류와 같은 플라즈마를 활용하여 제거할 수 있음을 발견하였다. 따라서, 본 발명은 반응으로 비활성화가 상당히 진행된 베드를 재생함에 있어, 베드내 충전물을 들어내지 않고 in situ 로 재생하는 방법을 고안하여 본 발명을 완성하였다.In order to solve the above problem, the present invention has been experimented with a low-temperature dielectric barrier discharge plasma reactor system for producing hydrogen and mainly C2 compounds such as ethane, ethylene, acetylene through dimerization and dehydrogenation from methane, side reaction during the reaction It was found that the inevitable carbon deposition mixture can be removed using the same plasma as the type used in the reaction. Accordingly, the present invention has been completed by devising a method of regenerating in situ without lifting the filling in the bed in regenerating a bed that has undergone significant deactivation as a reaction.

또한, 상기 문제를 해결하기 위해, 머플가마를 이용한 재생 반응의 경우 충전물의 구조적 안정성에 영향을 끼치는 반면, DBD 플라즈마를 이용한 무산소 메탄 커플링 반응과 충전물 재생 반응은 충전물의 구조적 안정성에는 영향을 끼치지 않는다는 것을 발견하였다 (실시예 6, 실시예 7, 표 3). 본 발명은 이를 기초한 것이다.In addition, in order to solve the above problem, in the case of the regeneration reaction using the muffle kiln affect the structural stability of the packing, while the oxygen-free methane coupling reaction and the charge regeneration reaction using the DBD plasma does not affect the structural stability of the packing. (Example 6, Example 7, Table 3). The present invention is based on this.

따라서, 본 발명의 일양태에 따라 방전영역에 메조다공성 유전체 입자들을 구비하는 유전체 장벽 방전 (DBD) 플라즈마 반응기는, 부반응에 의해 메조다공성 유전체 입자 상에 형성된 코크를 산화 분위기에서 플라즈마 처리를 통해 제거하도록 설계된 것이 특징이다. Thus, a dielectric barrier discharge (DBD) plasma reactor having mesoporous dielectric particles in the discharge region in accordance with one aspect of the present invention is adapted to remove coke formed on the mesoporous dielectric particles by side reaction through plasma treatment in an oxidizing atmosphere. It is designed.

예컨대, 본 발명의 일양태에 따른 DBD 플라즈마 반응기는, DBD 플라즈마 반응기 내 반응 중 부반응으로 필연적으로 수반되는 코크를 반응에 사용된 종류와 같은 플라즈마를 활용하여 제거하되, 코크 제거하는 재생과정 중 반응 혼합물 대신 산소 함유 혼합물을 공급하도록 설계된 것일 수 있다.For example, in the DBD plasma reactor according to one aspect of the present invention, the coke that is inevitably accompanied by side reactions during the reaction in the DBD plasma reactor is removed by utilizing the same plasma as the kind used in the reaction, but the reaction mixture during the regeneration process to remove the coke It may instead be designed to supply an oxygen containing mixture.

또한, 본 발명의 일양태에 따른 메조다공성 유전체 입자들의 재생방법은 전술한 유전체 장벽 방전 (DBD) 플라즈마 반응기에서, 부반응으로 형성된 코크로 인해 비활성화된 메조다공성 유전체 입자들로부터 산화 분위기 하 저온 플라즈마로 코크를 제거하는 것이 특징이다. 본 발명의 재생방법에서 저온 플라즈마 처리를 통해 재생된 메조다공성 유전체 입자들은 사용전 규칙성 메조다공성 구조 또는 유전체 입자 고유의 결정구조를 유지할 수 있다. 따라서, 규칙성 메조다공성 유전체 입자들을 재생하는데 본 발명의 DBD 플라즈마 반응 및/또는 재생방법이 특히 유용하다.In addition, the method for regenerating mesoporous dielectric particles according to an aspect of the present invention is to coke a low temperature plasma under an oxidizing atmosphere from mesoporous dielectric particles deactivated due to coke formed by side reaction in the above-described dielectric barrier discharge (DBD) plasma reactor. It is characterized by removing it. In the regeneration method of the present invention, the mesoporous dielectric particles regenerated through low temperature plasma treatment may maintain a regular mesoporous structure or a crystal structure inherent in the dielectric particles before use. Thus, the DBD plasma reaction and / or regeneration method of the present invention is particularly useful for regenerating regular mesoporous dielectric particles.

이때, 저온 플라즈마 처리에 의해 제거되는 코크는 무정형 탄소질 및/또는 그라파이트성 탄소질(graphitic carbonaceous materials)일 수 있다. At this time, the coke removed by the low temperature plasma treatment may be amorphous carbonaceous and / or graphite carbonaceous materials (graphitic carbonaceous materials).

한편, 본 발명의 일양태에 따른 DBD 플라즈마 반응기는 도 6에 도시된 바와 같이 마이크로-전극 개념들을 사용하여 설명될 수 있다.On the other hand, a DBD plasma reactor according to one aspect of the present invention can be described using micro-electrode concepts as shown in FIG.

외부 전기장에 의해 충전된 유전체 입자들 사이에 마이크로 전극들이 유도된다. 고전압과 유전체 장벽으로 인해 스트리머와 마이크로 방전이 발생한다. 이러한 스트리머 및 마이크로 방전은 하나의 입자의 상부 표면에 도달하고, 상기 입자는 분극화 때문에 양전하를 띤다. 이 순간 하부 표면은 음전하를 띤다. 상부 표면과 하부 표면은 각각 애노드 형(anode-like) 표면과 캐소드 형(cathode-like) 표면이 된다. 이 현상은 외부 캐소드 근처의 입자에서 시작하여 입자에서 입자로 연속적으로 발생하여 반대 전극의 방향으로 이어진다. 스트리머가 유전체 입자들을 감싸고 있을 때 광 이온화로 인해 국소 전기장의 강도가 강화되기 때문에 전자들이 입자의 하부 표면으로부터 종자처럼 뿌려진다. 종자처럼 뿌려진 전자들은 또 다른 사태(avalanche)를 일으키고 새로운 스트리머들을 시작시킨다. 이 순간에, 반응분자들이 가속된 전자와 충돌하고 결과적으로 양으로 하전된 이온이 생성된다. 강화된 전기장 하에 생성된 양이온들은 캐소드 형 표면으로 가속되어 이동하고, 표면과 충돌한다. 이 충돌은 2차 전자(secondary electrons)를 생성하여 스트리머를 지속시킨다. 따라서, 유도된 국소 전기장 및 유도된 입자의 대전된 표면은 각각 마이크로 전기장 및 마이크로 전극들로 볼 수 있다. Micro electrodes are induced between the dielectric particles charged by an external electric field. High voltages and dielectric barriers cause streamers and micro discharges. These streamers and micro discharges reach the top surface of one particle, which is positively charged due to polarization. At this moment, the lower surface is negatively charged. The top and bottom surfaces become anode-like and cathode-like surfaces, respectively. This phenomenon starts with particles near the outer cathode and continues from particle to particle and in the direction of the opposite electrode. As the streamer wraps the dielectric particles, electrons are scattered like seeds from the bottom surface of the particles because the photo-ionization enhances the strength of the local electric field. Electrons sown like seeds cause another avalanche and start new streamers. At this moment, the reaction molecules collide with the accelerated electrons, resulting in positively charged ions. The cations generated under the enhanced electric field accelerate and move to the cathode surface and collide with the surface. This collision creates secondary electrons to sustain the streamer. Thus, the induced local electric field and the charged surface of the induced particles can be seen as micro electric field and micro electrodes, respectively.

따라서, DBD 플라즈마 반응기에서 낮은 항복 전압을 갖도록, 방전영역에 구비된 유전체 입자들 간의 갭 거리를 조절할 수 있으며, 유전체 입자의 평균 갭 거리는 1 ~ 20 μm인 것일 수 있다. 실험을 통해 유전체 입자들 사이의 갭 거리는 이의 크기(sizes)에 의해 결정될 수 있으며, 유전체 입자 평균입경은 10 ~ 200㎛의 마이크로 스케일 범위일 수 있다. Therefore, the gap distance between the dielectric particles provided in the discharge region may be adjusted to have a low breakdown voltage in the DBD plasma reactor, and the average gap distance of the dielectric particles may be 1 to 20 μm. Through experiments, the gap distance between the dielectric particles may be determined by their sizes, and the average particle diameter of the dielectric particles may be in the microscale range of 10 to 200 μm.

또한, 본 발명의 일양태에 따른 DBD 플라즈마 반응기 및/또는 메조다공성 유전체 입자들의 재생방법은, 하기 기재된 마이크로-전극 개념들을 사용하여 설명될 수 있다. In addition, the DBD plasma reactor and / or method for regenerating mesoporous dielectric particles according to one aspect of the present invention can be described using the micro-electrode concepts described below.

(1) 외부 전기장에 의해 충전된 유전체 입자들 사이에 마이크로 전극들이 유도되고, 유전체 입자들 사이의 국소 마이크로 전기장이 유도됨;(1) micro electrodes are induced between dielectric particles charged by an external electric field, and a local micro electric field is induced between the dielectric particles;

(2) 외부에서 인가된 고전압과 유전체 장벽으로 인해 분극된 마이크로 전극들 사이의 스트리머와 마이크로-방전이 전파(propagation)됨;(2) from outside Streamer and micro-discharge propagated between polarized micro electrodes due to high voltage and dielectric barrier;

(3) 상기 스트리머 및 마이크로 방전은 하나의 입자의 상부 표면에 도달하고, 상기 입자는 분극화 때문에 양전하를 띠고, 이 순간 하부 표면은 음전하를 띠므로 상부 표면과 하부 표면은 각각 애노드 형(anode-like) 표면과 캐소드 형(cathode-like) 표면이 되며, 이 현상은 외부 캐소드 근처의 입자에서 시작하여 입자에서 입자로 연속적으로 발생하여 반대 전극의 방향으로 이어짐; (3) The streamer and micro discharge reach the top surface of one particle, the particles are positively charged due to polarization, and at this moment the bottom surface is negatively charged, so the top surface and the bottom surface are each anode type. like and cathode-like surfaces, starting from particles near the outer cathode and continuing from particle to particle in the direction of the opposite electrode;

(4) 스트리머가 유전체 입자들을 감싸고 있을 때 광 이온화로 인해 국소 전기장의 강도가 강화되기 때문에 전자들이 입자의 하부 표면으로부터 종자처럼 뿌려지고, 종자처럼 뿌려진 전자들은 또 다른 사태(avalanche)를 일으키고 새로운 스트리머들을 시작시키며, 이 순간에, 질소와 메탄 분자들이 가속된 전자와 충돌하고 양으로 하전된 이온이 생성되고, 강화된 전기장 하에 생성된 양이온들은 캐소드형 표면으로 가속되어 이동하고, 표면과 충돌하며, 이 충돌은 2차 전자(secondary electrons)를 생성하여 스트리머를 지속시킴;(4) As the streamer surrounds the dielectric particles, the electrons are scattered like seeds from the lower surface of the particles because the photoelectric ionization enhances the local electric field's intensity, and the electrons scattered like seeds cause another avalanche At the moment, nitrogen and methane molecules collide with the accelerated electrons, positively charged ions are generated, and cations generated under an enhanced electric field accelerate and move to the cathode surface, and collide with the surface. This collision creates secondary electrons to sustain the streamer;

(5) 유도된 국소 전기장 및 유도된 입자의 대전된 표면은 각각 마이크로 전기장 및 마이크로 전극들로 보고, 마치 유도된 전하를 띠는 표면이 마이크로-캐소드 및 마이크로-애노드인 것처럼, 인접한 입자들 사이의 유도된 국소 마이크로 전기장에 하기 수학식 1의 수정된 Paschen의 방정식을 적용함.(5) The induced local electric field and the charged surface of the induced particles are viewed as micro electric fields and micro electrodes, respectively, as if the surface with induced charges are micro-cathode and micro-anode, between adjacent particles. Apply the modified Paschen's equation of Equation 1 to the induced local micro electric field.

[수학식 1][Equation 1]

Figure 112018105777000-pat00001
Figure 112018105777000-pat00001

여기서,here,

ΔVB,micro : 플라즈마 방전을 개시하기 위한 마이크로-전극들 사이의 문턱전위차(threshold electric potential difference between micro-electrodes to initiate plasma discharges).ΔV B, micro : threshold electric potential difference between micro-electrodes to initiate plasma discharges.

dmicro : 두 개의 마이크로-전극들 사이의 갭 거리(gap distance between two micro-electrodes)d micro : gap distance between two micro-electrodes

dmin,micro : 두 개의 마이크로-전극들 사이의 최소 갭 거리 (minimum gap distance between two micro-electrodes )d min, micro : minimum gap distance between two micro-electrodes

γ: 두번째 Townsend 이온화 계수; 마이크로 음극의 2차 전자 방출 계수 (second Townsend ionization coefficient; secondary electron emission coefficient of micro-cathode)γ: second Townsend ionization coefficient; Second Townsend Ionization Coefficient (secondary electron emission coefficient of micro-cathode)

σ: 가스 분자의 충돌 단면적(collision cross-sectional area of the gas molecule)σ: collision cross-sectional area of the gas molecule

Emicro : 두 개의 마이크로 전극 사이의 전기장 강도 (electric field strength between two micro-electrodes)E micro : electric field strength between two micro-electrodes

Ui : 가스 분자의 이온화 전위(ionization potential of the gas molecule)U i : ionization potential of the gas molecule

kB : 볼츠만 상수(Boltzmann constant)k B : Boltzmann constant

T : 가스 온도(gas temperature)T: gas temperature

p : 가스 압력(gas pressure)p: gas pressure

A : 가스 분자의 이온화 특성 상수(ionization characteristic constant of the gas molecule) (Equivalent to σ/kBT)A: ionization characteristic constant of the gas molecule (Equivalent to σ / k B T)

B : 가스 분자의 이온화 상수 (ionization characteristic constant of the gas molecule). (Equivalent to Ui σ/kBT)B: ionization characteristic constant of the gas molecule. (Equivalent to U i σ / k B T)

DBD 플라즈마 반응기에서 메탄의 비-산화 커플링 반응은 상온에서 메탄을 이량화하면서, 에탄, 에틸렌, 아세틸렌, 수소 등을 합성하는 반응으로, 소량의 C3, C4 기체 혼합물이 얻어지며, 부반응으로 인하여 상기 탄소 침적물, 타르 형태의 탄화수소 혼합물이 베드에 생성되어 플라즈마 전환반응의 성능을 떨어뜨린다. The non-oxidative coupling reaction of methane in a DBD plasma reactor is a reaction for synthesizing ethane, ethylene, acetylene, hydrogen, etc. while dimerizing methane at room temperature, whereby a small amount of C3, C4 gas mixture is obtained, Carbon deposits, tar-like mixtures of hydrocarbons are formed in the bed, reducing the performance of the plasma conversion reaction.

메탄의 비-산화 커플링 반응용 유전체 배리어 방전 플라즈마 반응기는, 충전 베드(packed-bed) 내 유전체 입자들의 재료의 종류와 기공도에 관계없이, 크기 또는 갭 거리를 조절함으로써 탄화수소의 선택도를 조절할 수 있다. 예컨대, 충전 베드(packed-bed) 내 유전체 입자들의 크기 또는 갭 거리를 조절함으로써 에탄, 에틸렌 및 아세틸렌의 조성을 제어할 수 있다.Dielectric barrier discharge plasma reactors for non-oxidative coupling reactions of methane control hydrocarbon selectivity by controlling size or gap distance, regardless of the type and porosity of the dielectric particles in the packed-bed. Can be. For example, the composition of ethane, ethylene and acetylene can be controlled by adjusting the size or gap distance of the dielectric particles in a packed-bed.

유전체 입자의 평균 갭 거리는 1 ~ 20 μm인 것일 수 있다. 실험을 통해 유전체 입자들 사이의 갭 거리는 이의 크기(sizes)에 의해 결정될 수 있으므로, 유전체 입자 평균입경은 10 ~ 200㎛의 마이크로 스케일 범위일 수 있다. The average gap distance of the dielectric particles may be 1 to 20 μm. Since the gap distance between the dielectric particles through the experiment can be determined by their sizes, the average particle diameter of the dielectric particles may be in the micro-scale range of 10 to 200 μm.

한편, DBD 플라즈마 반응기에서 메탄의 비-산화 커플링 반응 실험에 따르면, 작은 크기의 유전체 입자의 경우 CH2 및 CH와 같은 탈수소화된 종은 서로 충돌할 확률이 더 높고, 연속적으로 커플링되어 불포화된 C2 화합물이 된 것처럼 보였다. 대조적으로, 입자의 크기가 크고 입자들 사이의 공간도 크면, 탈수소화 반응은 커플링 반응보다 더 자주 발생하는 것처럼 보였으며, 이는 추가적인 탄소 침적을 초래했다. 탈수소화 반응으로 인해 탄소 침적량이 증가된 것은 큰 입자의 증가된 정전 용량의 결과인 것으로 보였다. 큰 입자들 사이의 방전 강도는 증가하고 입자들의 정전 용량에 따라 증가하며, 비표면적이 감소하여 방전 횟수가 감소했음에도 불구하고 개별 마이크로 방전에 의해 전달된 전하량을 증가시키기 때문이었다. On the other hand, experiments on non-oxidative coupling of methane in a DBD plasma reactor show that for small dielectric particles, dehydrogenated species such as CH 2 and CH are more likely to collide with each other, and are continuously coupled and unsaturated. Seemed to be a C2 compound. In contrast, when the particle size was large and the space between the particles was large, the dehydrogenation reaction appeared to occur more frequently than the coupling reaction, which resulted in additional carbon deposition. The increased carbon deposit due to the dehydrogenation reaction appeared to be the result of the increased capacitance of the large particles. This is because the discharge intensity between the large particles increases and increases with the capacitance of the particles, and the specific surface area decreases to increase the amount of charge transferred by the individual micro discharges, although the number of discharges decreases.

본 발명의 일구체예에 따른 DBD 플라즈마 반응기는 메조다공성 유전체 입자들을 구비한 플라즈마 베드에서 메탄의 비-산화 커플링 반응이 일어나도록 설계된 것일 수 있다. 이때, 메탄의 비-산화 커플링 반응 동안, 추가적인 열 에너지 및 산화제 분자 없이 C-H 결합을 활성화시켜 메틸 라디칼 및 직접 C2-C4 경질 탄화수소를 생성할 수 있다. 메조다공성 유전체 입자는 메탄의 비-산화 커플링 반응용 촉매 역할을 수행할 수 있다. 예컨대, 메조다공성 유전체 입자는 메탄의 비-산화 커플링 반응용 촉매 활성 성분을 추가로 담지한 것일 수 있다.The DBD plasma reactor according to one embodiment of the present invention may be designed such that a non-oxidative coupling reaction of methane occurs in a plasma bed with mesoporous dielectric particles. At this time, during the non-oxidative coupling reaction of methane, C-H bonds can be activated without additional thermal energy and oxidant molecules to produce methyl radicals and direct C2-C4 light hydrocarbons. Mesoporous dielectric particles can serve as catalysts for the non-oxidative coupling reaction of methane. For example, the mesoporous dielectric particles may further carry a catalytically active component for the non-oxidative coupling reaction of methane.

또한, 본 발명의 일구체예에 따른 메탄의 비-산화 커플링 반응을 통해 메탄으로부터 C2+ 탄화수소를 제조하는 방법은In addition, a method for producing a C 2+ hydrocarbon from methane through a non-oxidative coupling reaction of methane according to one embodiment of the present invention

방전영역에 메조다공성 유전체 입자들을 구비한 유전체 장벽 방전 (DBD) 플라즈마 반응기에서 메탄의 비-산화 커플링 반응을 통해 메탄으로부터 에틸렌 및/또는 에탄을 포함한 C2 이상의 탄화수소로 전환시키는 제1단계; 및Converting methane to C2 or more hydrocarbons, including ethylene and / or ethane, through a non-oxidative coupling reaction of methane in a dielectric barrier discharge (DBD) plasma reactor having mesoporous dielectric particles in the discharge region; And

방전영역에 제1단계의 반응 중 형성된 코크로 인해 비활성화된 메조다공성 유전체 입자들을 구비한 유전체 장벽 방전 (DBD) 플라즈마 반응기에서 산화 분위기 하 저온 플라즈마로 상기 코크를 제거하는 제2단계;를 포함한다. And a second step of removing the coke with a low temperature plasma in an oxidizing atmosphere in a dielectric barrier discharge (DBD) plasma reactor having mesoporous dielectric particles deactivated due to coke formed during the reaction of the first step in the discharge region.

상기 C2+ 탄화수소는 고부가가치의 화학제품 및 고열량 연료로 전환하기 위한 원료로 사용될 수 있다.The C 2+ hydrocarbon may be used as a raw material for conversion into high value added chemicals and high calorie fuels.

상기 제1단계와 제2단계를 1회 이상 반복할 수 있다. DBD 플라즈마 반응기는 저온 플라즈마를 에너지원으로 형성하므로, 제1단계 및/또는 제2단계 수행시 추가의 열 공급이 필요없다.The first and second steps may be repeated one or more times. The DBD plasma reactor forms a low temperature plasma as an energy source, so no additional heat supply is required when performing the first and / or second steps.

제1단계와 제2단계는 서로 다른 DBD 플라즈마 반응기에서도 수행될 수도 있으나, 동일한 유전체 장벽 방전 (DBD) 플라즈마 반응기에서 수행되는 것이 바람직하다. 반응 중 부반응으로 필연적으로 수반되는 탄소 침적 혼합물을 반응에 사용된 종류와 같은 플라즈마를 활용하여 제거할 수 있으며, 재생과정 중에는 메탄 함유 반응혼합물 대신 산소 함유 혼합물이 사용되기 때문이다. 즉, 본 발명은 재생을 위하여 메탄 혼합물을 공급하는 대신 산소함유 혼합물 (예를 들면 공기)를 주입하면서, DBD 플라즈마를 사용하여 탄소함유 침적물들을 활성화시킴으로써 분해하여 제거할 수 있다. The first and second steps may be performed in different DBD plasma reactors, but are preferably performed in the same dielectric barrier discharge (DBD) plasma reactor. This is because the carbon deposition mixture, which is inevitably accompanied by side reactions, can be removed by using the same plasma as the kind used in the reaction, and an oxygen-containing mixture is used instead of a methane-containing reaction mixture during the regeneration process. That is, the present invention can be decomposed and removed by activating carbon-containing deposits using a DBD plasma while injecting an oxygen-containing mixture (eg air) instead of supplying a methane mixture for regeneration.

한편, 메탄의 비-산화 커플링 반응은 탈수소화 반응을 동반하므로, 본 발명에 따른 메탄의 비-산화 커플링 반응용 유전체 배리어 방전 플라즈마 반응기 및/또는 재생방법은 메탄으로부터 수소를 생성시키는데에도 적용될 수 있다. On the other hand, since the non-oxidative coupling reaction of methane is accompanied by a dehydrogenation reaction, the dielectric barrier discharge plasma reactor and / or regeneration method for the non-oxidative coupling reaction of methane according to the present invention can also be applied to generate hydrogen from methane. Can be.

따라서, 본 발명의 일구체예에 따른 메탄의 비-산화 커플링 반응을 통해 메탄으로부터 수소를 제조하는 방법은Thus, a method for producing hydrogen from methane through a non-oxidative coupling reaction of methane according to one embodiment of the present invention

방전영역에 메조다공성 유전체 입자들을 구비한 유전체 장벽 방전 (DBD) 플라즈마 반응기에서 메탄의 비-산화 커플링 반응을 통해 메탄으로부터 수소를 생성시키는 제1단계; 및Generating hydrogen from methane through a non-oxidative coupling reaction of methane in a dielectric barrier discharge (DBD) plasma reactor having mesoporous dielectric particles in the discharge region; And

방전영역에 제1단계의 반응 중 형성된 코크로 인해 비활성화된 메조다공성 유전체 입자들을 구비한 유전체 장벽 방전 (DBD) 플라즈마 반응기에서 산화 분위기 하 저온 플라즈마로 상기 코크를 제거하는 제2단계;를 포함한다.And a second step of removing the coke with a low temperature plasma in an oxidizing atmosphere in a dielectric barrier discharge (DBD) plasma reactor having mesoporous dielectric particles deactivated due to coke formed during the reaction of the first step in the discharge region.

상기 제1단계와 제2단계를 1회 이상 반복할 수 있다. DBD 플라즈마 반응기는 저온 플라즈마를 에너지원으로 형성하므로, 제1단계 및/또는 제2단계 수행시 추가의 열 공급이 필요없다.The first and second steps may be repeated one or more times. The DBD plasma reactor forms a low temperature plasma as an energy source, so no additional heat supply is required when performing the first and / or second steps.

본 발명은 저온 플라즈마의 한 종류인 유전체 장벽 방전 (DBD) 플라즈마를 이용하여 반응 중 반응 베드 내에 발생한 탄소침적물, 탄화수소 등 탄소함유 부산물을 제거할 수 있다. 특히, 고온 커플링 공정에서 부생하는 결정성 코크를 억제하거나 회피하고, 저온 플라즈마를 통해 저온 메탄 커플링 공정 및/또는 저온 재생 공정을 실현함으로써 에너지 효율을 제고할 수 있다.The present invention can remove carbon-containing by-products such as carbon deposits and hydrocarbons generated in the reaction bed during the reaction by using a dielectric barrier discharge (DBD) plasma, which is a kind of low-temperature plasma. In particular, energy efficiency can be improved by suppressing or avoiding crystalline coke produced by the high temperature coupling process and realizing a low temperature methane coupling process and / or a low temperature regeneration process through a low temperature plasma.

도 1은 유전체 장벽 방전 플라즈마의 실험 장치의 일 구체예를 도시한 것이다.
도 2는 실시예 1, 실시예 2, 비교예 1 이후 수거한 충전물에 대해서 TGA를 진행한 후 그 결과를 도시한 것이다.
도 3은 제조예 2, 실시예 1, 실시예 2, 비교예 1 이후 수거한 충전물에 대해서 FT-IR 분석을 진행한 후 그 결과를 도시한 것이다.
도 4는 실시예 1, 실시예 2, 비교예 1 이후 수거한 충전물에 대해서 TEM 분석을 진행한 후 그 결과를 도시한 것이다.
도 5는 제조예 2, 실시예 1, 실시예 2, 비교예 1 이후 수거한 충전물에 대해서 small angle X-ray scattering (SAXS) 분석 진행 후 그 결과를 도시한 것이다.
도 6은 유도된 마이크로 전기장으로 인한 유전체 입자들 사이의 스트리머 및 반응성 중간체들을 보여주는 개념도이다.
1 illustrates one embodiment of an experimental apparatus for dielectric barrier discharge plasma.
Figure 2 shows the results after the TGA is performed on the charges collected after Example 1, Example 2, Comparative Example 1.
Figure 3 shows the results after the FT-IR analysis for the collected material collected after Preparation Example 2, Example 1, Example 2, Comparative Example 1.
Figure 4 shows the results after the TEM analysis for the collected material collected after Example 1, Example 2, Comparative Example 1.
Figure 5 shows the results after the small angle X-ray scattering (SAXS) analysis for the packing collected after Preparation Example 2, Example 1, Example 2, Comparative Example 1.
6 is a conceptual diagram showing streamers and reactive intermediates between dielectric particles due to induced micro electric fields.

이하, 실시예를 통하여 본 발명을 보다 상세히 설명하고자 한다. 이들 실시예는 본 발명을 보다 구체적으로 설명하기 위한 것으로, 본 발명의 범위가 이들 실시예에 의해 한정되는 것은 아니다.Hereinafter, the present invention will be described in more detail with reference to Examples. These examples are intended to illustrate the present invention more specifically, but the scope of the present invention is not limited by these examples.

제조예Production Example 1:  One:

유전체 장벽 방전 플라즈마의 실험 장치를 도 1에 나타내었다. 플라즈마 반응기는 길이 700 mm, 외경 10 mm, 내경 6 mm의 알루미나 튜브를 사용하였으며, 이 알루미나 관이 유전체 장벽의 역할을 하였다. 지름이 3 mm인 stainless steel 막대를 고전압 전극으로 사용하였으며, 두께 0.5 mm의 철사를 알루미나 튜브 바깥에 스프링 모양으로 150 mm만큼 감아 접지 전극으로 사용하였다. 교류 전력 공급 장치 (0 ~ 220 V, 60 ~ 1000 Hz)에 변압기 (0 ~ 20 kV, 1000 Hz)를 연결하여 사용하였고, 전압을 측정하기 위하여 오실로스코프, 고전압 프로브를 사용하였다. 또한 반응기에 1 uF 축전기를 직렬로 연결하여 축전기 양단의 전위차 측정을 통해 플라즈마 반응기의 전하량을 측정하였다.The experimental apparatus of the dielectric barrier discharge plasma is shown in FIG. The plasma reactor used an alumina tube having a length of 700 mm, an outer diameter of 10 mm, and an inner diameter of 6 mm, which served as a dielectric barrier. A stainless steel rod with a diameter of 3 mm was used as a high voltage electrode, and a wire of 0.5 mm thickness was wound around the alumina tube by a spring shape of 150 mm and used as a ground electrode. A transformer (0 to 20 kV, 1000 Hz) was connected to the AC power supply (0 to 220 V, 60 to 1000 Hz), and an oscilloscope and high voltage probe were used to measure the voltage. In addition, by connecting a 1 uF capacitor in series to the reactor was measured the amount of charge in the plasma reactor by measuring the potential difference across the capacitor.

온라인 Gas Chromatography (6500GC Young Lin Instrument Co., Korea)를 이용하여 반응물에 대한 정량적인 분석을 하였다. 검출기는 FID, TCD 검출기를 사용하였으며 thermal conductivity detector (TCD)로는 Porapak-N, Molecular Sieve 13x를 컬럼으로 사용하였고 flame ionization detector (FID)로는 메타나이저를 사용하였다. TCD로 H2, N2, CH4를 검출하였고 FID로는 CH4, C2H2, C2H4, C2H6, C3, C4 hydrocarbon을 검출하였다. Quantitative analysis of the reactants was carried out using on-line Gas Chromatography (6500GC Young Lin Instrument Co., Korea). The detectors used FID and TCD detectors, and Porapak-N and Molecular Sieve 13x were used as columns for the thermal conductivity detector (TCD), and a metasizer was used as the flame ionization detector (FID). TCD detected H 2 , N 2 and CH 4 , and FID detected CH 4 , C 2 H 2 , C 2 H 4 , C 2 H 6 , C3 and C4 hydrocarbons.

제조예Production Example 2:  2: 충전층Packed bed 사용 물질 다공성 실리카 KIT-6 Material Used Porous Silica KIT-6

메조다공성 실리카 KIT-6를 다음과 같은 절차에 따라 제조하였다. 메조다공성 실리카 KIT-6의 3차원 구조를 형성시키기 위하여 구조 유도제로 공중합체인 pluronic p-123를 사용하였다. 이 공중합체는 수용액 내부에서 마이셀 (micelle)을 형성하며 실리콘 이온과의 상호작용 및 자기조립 (self-assembly)을 통해 메조다공성 실리카 구조체를 형성시키는 역할을 하였다. 217.64 ml의 증류수와 37 중량% 염산 수용액 11.16 g을 섞은 수용액에 pluronic p-123 6g을 넣고 약 35 ℃의 온도로 pluronic p-123이 완전히 용해될 때까지 빠르게 교반하였다. 이후, KIT-6의 고유 구조인 Ia3d 구조를 형성하기 위하여 6 g의 n-부탄올을 위의 혼합 용액에 추가하여 온도를 유지하면서 2시간 동안 추가로 교반하였다. 이후, 12.77 g의 테트라에톡시실란 (TEOS)를 교반 중인 혼합 용액에 한 방울씩 천천히 투입하였고, 약 35 ℃의 온도에서 24시간 동안 빠르게 교반하였다. 이러한 과정을 마친 후, 백색의 실리카 침전물이 형성된 용액을 폴리프로필렌 (polypropylene) 용기에 옮겨 담아 수열 합성 장치로 옮기고, 교반 없이 약 100 ℃에서 하루 동안 수열 합성 반응을 진행하였다. 이후, 반응용액 내부에 남아 있는 용매들을 제거하기 위하여 세척 과정을 수행하였다. 증류수 세척 30분 후 여과, 에탄올 세척 30분 후 여과를 각각 3번씩 진행하여 pluronic p-123과 잔여 불순물들을 제거하였다. 이후, 110 ℃ 오븐에서 하루 동안 건조하였다. 건조를 마친 백색의 실리카 분말을 2 ℃/분의 승온 속도로 400 ℃까지 승온시킨 후 3시간 유지한 뒤 다시 1 ℃/분의 승온 속도로 550 ℃까지 승온시킨 후 5시간 동안 유지하여 소성 과정을 진행하였다. 소성 과정이 완료된 백색의 실리카 분말을 체를 이용하여 100-150 um으로 소분하여 사용하였다.Mesoporous silica KIT-6 was prepared according to the following procedure. In order to form a three-dimensional structure of mesoporous silica KIT-6, a copolymer pluronic p-123 was used as a structure inducing agent. The copolymer forms micelles inside the aqueous solution and forms mesoporous silica structures through self-assembly and interaction with silicon ions. 6g of pluronic p-123 was added to an aqueous solution mixed with 217.64 ml of distilled water and 11.16 g of 37% by weight hydrochloric acid, and stirred rapidly at a temperature of about 35 ° C. until pluronic p-123 was completely dissolved. Thereafter, 6 g of n-butanol was added to the above mixed solution to form an Ia3d structure, which is an intrinsic structure of KIT-6, and further stirred for 2 hours while maintaining the temperature. Thereafter, 12.77 g of tetraethoxysilane (TEOS) was slowly added dropwise to the stirring solution, and stirred rapidly at a temperature of about 35 ° C. for 24 hours. After this process, the white silica precipitate formed solution was transferred to a polypropylene container and transferred to a hydrothermal synthesis apparatus, and the hydrothermal synthesis reaction was performed at about 100 ° C. for one day without stirring. Thereafter, a washing process was performed to remove the solvent remaining in the reaction solution. After 30 minutes of distilled water washing, filtration and 30 minutes of ethanol washing were performed three times to remove pluronic p-123 and residual impurities. Then, it was dried in an oven at 110 ℃ for one day. After drying, the white silica powder was heated up to 400 ° C. at a heating rate of 2 ° C./min, maintained for 3 hours, and then heated to 550 ° C. at a heating rate of 1 ° C./min, and maintained for 5 hours. Proceeded. The white silica powder, which had been calcined, was subdivided into 100-150 um using a sieve.

실시예Example 1: 충전물을 이용한 무산소 메탄 커플링 반응  1: Oxygen-free methane coupling reaction with a charge

제조예 1에서 제작한 유전체 장벽 방전 플라즈마 반응기(도 1)를 사용하였다. 알루미나 튜브에서 고전압 전극과 접지 전극이 감긴 150 mm만큼의 길이에 플라즈마를 발생시켰으며, 알루미나 튜브 내부의 고전압 전극이 차지하는 부피를 제외한 3.181 cm3 제조예 2를 통해 만든 충전물을 가득 채웠다. 무산소 메탄 커플링 반응은 상온, 상압 조건에서 진행하였으며, CH4, N2 용 MFC가 DBD 플라즈마 베드(plasma bed)로 연결되어 CH4 : N2 = 1 : 1의 비율로 주입되며, GHSV (Gas Hourly Space Velocity)는 2,500 mL·g-1·h-1로 반응을 진행하였다. 전압 15 kV, 주파수 1000 Hz를 유지하며 실험하였다. 무산소 메탄 커플링 반응은 1000분 동안 진행하였다.A dielectric barrier discharge plasma reactor (FIG. 1) prepared in Preparation Example 1 was used. It stylized generate a plasma in the length of 150 mm by a high-voltage electrode and the ground electrode is wound in an alumina tube, a 3.181 cm 3 are high-voltage electrodes within the alumina tube other than the occupied volume The filling made through Preparation Example 2 was filled. The oxygen-free methane coupling reaction was carried out at room temperature and atmospheric pressure. MFCs for CH 4 and N 2 were connected to a DBD plasma bed and injected at a ratio of CH 4 : N 2 = 1: 1, and GHSV (Gas Hourly Space Velocity) was reacted with 2,500 mL · g −1 · h −1 . The experiment was carried out while maintaining a voltage of 15 kV and a frequency of 1000 Hz. The oxygen free methane coupling reaction was run for 1000 minutes.

생성물은 반응시작 20분 후에 온라인 Gas Chromatography로 분석하였으며, 반복 분석 간격은 40분으로 수행하였다.The product was analyzed by on-line Gas Chromatography 20 minutes after the start of the reaction, the repeat analysis interval was performed for 40 minutes.

실시예Example 2: 저온  2: low temperature 플라즈마를Plasma 사용한 재생법 실시  Use regeneration method

상기 실시예 1 이후 비활성화된 충전물을 DBD 플라즈마를 이용하여 재생 반응을 진행하였다. 플라즈마 반응기 구성은 도 1에 나타낸 것과 동일하게 구성하였으며, 실시예 1과 동일한 부피만큼 충전물을 채워 실험을 진행하였다. 또한 재생 반응은 상온, 상압 조건에서 진행하였으며 MFC가 DBD 플라즈마 베드(plasma bed)로 연결되어 Air을 주입하였으며, GHSV (Gas Hourly Space Velocity)는 1,250 mL·g-1·h-1로 재생 반응을 진행하였다. 전압 15 kV, 주파수 1000 Hz를 유지하며 실험하였다. 재생 반응은 720분 동안 진행하였다.After Example 1, the deactivated charge was regenerated using DBD plasma. Plasma reactor configuration was configured in the same manner as shown in Figure 1, the experiment was carried out by filling the filling with the same volume as in Example 1. In addition, regeneration is the MFC were conducted under normal conditions is connected to a DBD plasma bed (bed plasma) was injected into the Air, GHSV (Gas Hourly Space Velocity) is the regeneration reaction to the 1,250 mL · g -1 · h -1 Proceeded. The experiment was carried out while maintaining a voltage of 15 kV and a frequency of 1000 Hz. The regeneration reaction was run for 720 minutes.

비교예Comparative example 1: 열처리를 통한 재생법 실시 1: Regeneration by heat treatment

상기 실시예 1 이후 비활성화된 충전물을 머플가마 (muffle furnace)를 이용하여 Air 50 sccm의 조건 하에서 5 ℃/min 속도로 700 ℃까지 승온시킨 후 5시간 동안 유지하였다.After Example 1, the deactivated packing was heated to 700 ° C. at a rate of 5 ° C./min using a muffle furnace, and maintained for 5 hours under a condition of 50 sccm of Air.

실시예Example 3: 비활성화된 충전물, 재생된 충전물에 대한  3: deactivated filling, for regenerated filling TGATGA 실시 practice

실시예 1, 실시예 2, 비교예 1 이후 수거한 충전물에 대해서 TGA를 진행한 후 그 결과를 도식화하여 도 2에 나타내었으며, 질량감소분과 총 코크의 양 및 제거 비율을 표 1에 요약하였다. 실시예 2와 비교예 1의 총 코크의 양을 비교해보면 실시예 2의 효과가 명확해 보이지 않을 수 있지만 제거 비율을 살펴보면 실시예 2과 비교예 1의 차이가 3.23 %p 밖에 나지 않는 것을 확인할 수 있었다. 이는 비교예 1이 대부분의 코크를 제거하였지만 실시예 2 또한 비슷한 수준으로 코크를 제거한다는 것을 보여준다.Example 1, Example 2, Comparative Example 1 after the TGA proceeded to the collected and the results are shown in Figure 2, the mass loss and total coke amount and removal rate is summarized in Table 1. When comparing the total amount of coke of Example 2 and Comparative Example 1, the effect of Example 2 may not seem obvious, but looking at the removal ratio, it can be seen that the difference between Example 2 and Comparative Example 1 is only 3.23% p. there was. This shows that Comparative Example 1 removed most of the coke, but Example 2 also removed the coke to a similar level.

질량감소분
(%)
Mass loss
(%)
총 코크
(충전물 무게당 코크량 (g-coke/g-SiO2))
Total cork
(Coke per weight of filling (g-coke / g-SiO 2 ))
제거 비율a
(%)
Removal rate a
(%)
비고Remarks
실시예 1Example 1 37.3237.32 0.600.60 -- 반응으로 생성된
코크의 양 확인
Generated by reaction
Check the amount of coke
실시예 2Example 2 2.302.30 0.020.02 96.6796.67 플라즈마로 제거한
코크 양
Removed with plasma
Coke sheep
비교예 1Comparative Example 1 0.060.06 0.00060.0006 99.9099.90 열처리로 제거된 코크 양Coke removed by heat treatment

a 제거된 코크의 양 / 실시예 1의 총 코크의 양 a amount of coke removed / total amount of coke of Example 1

실시예Example 4: FT-IR을 통한 coke 제거 확인 4: Confirm coke removal by FT-IR

제조예 2, 실시예 1, 실시예 2, 비교예 1 이후 수거한 충전물에 대해서 FT-IR 분석을 진행한 후 그 결과를 도식화 하여 도 3에 나타내었다. 실시예 1의 경우 3가지의 진동모드가 발견되는 것을 확인하였다. ▲는 CH3 stretch vibration mode이며 ■는 asymmetrical C=C stretching mode, ●는 asymmetrical C-H bending mode of methylene groups in a long aliphatic chain이다. 반면 실시예 2와 비교예 1에서는 위와 같은 진동모드가 발견되지 않았다. 제조예 2, 실시예 2, 비교예 1의 경우에도 비슷한 1630 cm-1에서 peak 발견되지만 이는 충분히 건조를 진행하였지만 흡착이 되어 떨어지지 않았던 O-H bending mode이다.FT-IR analysis was performed on the packings collected after Preparation Example 2, Example 1, Example 2, and Comparative Example 1, and the results are shown in FIG. 3. In the case of Example 1, it was confirmed that three vibration modes were found. ▲ is CH 3 stretch vibration mode, ■ is asymmetrical C = C stretching mode, and ● is asymmetrical CH bending mode of methylene groups in a long aliphatic chain. On the other hand, in Example 2 and Comparative Example 1, the above vibration modes were not found. In the case of Preparation Example 2, Example 2, and Comparative Example 1, a similar peak was found at 1630 cm −1 , but this was an OH bending mode in which drying was sufficiently performed but adsorbed.

또한, 제조예 2, 실시예 1, 실시예 2의 경우 Si-O-Si bonding이 806 cm-1에서 발견되는 반면 비교예 1의 경우에는 816 cm-1에서 발견되었다.In addition, in Preparation Example 2, Example 1, and Example 2, Si-O-Si bonding was found at 806 cm −1 , while in Comparative Example 1, it was found at 816 cm −1 .

실시예Example 5:  5: TEMTEM 이미지를 통한 coke 위치 분석  Coke position analysis through images

실시예 1, 실시예 2, 비교예 1 이후 수거한 충전물에 대해서 TEM 분석을 진행한 후 그 결과를 도식화하여 도 4에 나타내었다. 실시예 1 이후 충전물의 TEM 이미지를 도 4-A, 실시예 2 이후 충전물의 TEM 이미지를 도 4-B, 비교예 1 이후 충전물의 TEM 이미지를 4-C로 나타내었다. 도 4-A를 통하여 coke가 충전물의 표면에 적층형태로 쌓이는 것을 확인할 수 있지만 도 4-B와 도 4-C의 경우에는 적층구조의 coke들이 많이 사라진 것을 확인할 수 있었다. Example 1, Example 2, Comparative Example 1 After the TEM analysis of the collected material was collected and the results are shown in Figure 4 the diagram. The TEM image of the filler after Example 1 is shown in FIG. 4-A, the TEM image of the filler after Example 2 is shown in FIG. 4-B, and the TEM image of the filler after Comparative Example 1 is represented by 4-C. It can be seen from Figure 4-A that the coke is stacked in a stacked form on the surface of the filler, but in the case of Figures 4-B and 4-C, the coke of the stacked structure was found to disappear a lot.

도 4에 대하여 EDX mapping 분석 결과를 표 2에 나타내었다. 표 2를 보면 도 4-B의 경우에는 carbon의 mass percent가 19.12 %p 감소하였으며 도 4-C의 경우에는 carbon의 mass percent가 31.01 %p 감소하였다. 이는 저온 DBD 플라즈마와 머플가마를 이용하여 비활성화된 충전물의 coke를 효과적으로 제거할 수 있다는 것을 보여준다. 4 shows the results of EDX mapping analysis. In Table 2, the mass percent of carbon is reduced by 19.12% p in FIG. 4-B and the mass percent of carbon is reduced by 31.01% p in FIG. This shows that the low temperature DBD plasma and muffle kiln can effectively remove the coke of the inactivated charge.

Mass percent (%)Mass percent (%) CC OO SiSi 도 4-A (실시예 1)4-A (Example 1) 60.6060.60 12.9812.98 26.4226.42 도 4-B (실시예 2)4-B (Example 2) 41.4841.48 25.7325.73 32.7932.79 도 4-C (비교예 1)4-C (Comparative Example 1) 29.5929.59 30.2330.23 40.1840.18

실시예Example 6:  6: XRDXRD 특성분석을 통한 구조적 안정성  Structural Stability through Characterization

제조예 2, 실시예 1, 실시예 2, 비교예 1 이후 수거한 충전물에 대해서 small angle X-ray scattering (SAXS) 분석 진행 후 그 결과를 도식화하여 도 5에 나타내었다. 실시예 1, 실시예 2 이후 수거한 충전물의 SAXS 그래프가 기존의 Fresh 충전물의 SAXS 그래프와 동일한 것을 확인하였다. DBD 플라즈마를 이용한 무산소 메탄 커플링 반응과 충전물 재생 반응은 충전물의 구조적 안정성에는 영향을 끼치지 않는다는 것을 확인하였다. 반면, 비교예 1 이후 수거한 충전물의 SAXS 그래프는 Fresh 충전물의 SAXS 그래프와 다른 것을 확인하였다. 이를 통해 머플가마를 이용한 재생 반응의 경우 충전물의 구조적 안정성에 영향을 끼친다는 것을 확인하였다.After the preparation of Example 2, Example 1, Example 2, Comparative Example 1 and the small angle X-ray scattering (SAXS) analysis of the collected material is shown in Figure 5 the results. It was confirmed that the SAXS graph of the fillers collected after Example 1 and Example 2 was the same as the SAXS graph of the existing fresh filler. It was confirmed that the oxygen free methane coupling reaction and the charge regeneration reaction using the DBD plasma did not affect the structural stability of the charge. On the other hand, it was confirmed that the SAXS graph of the filler collected after Comparative Example 1 is different from the SAXS graph of the fresh filler. This confirms that the regeneration reaction using muffle kiln affects the structural stability of the packing.

실시예Example 7: BET 특성분석을 통한 구조적 안정성 7: Structural Stability through BET Characterization

표 3에는 제조예 2, 실시예 2, 비교예 1 각각의 BET surface area, pore volume, pore size를 나타내었다. 표 3를 보면 머플가마를 이용한 재생 반응의 경우에 플라즈마를 이용한 재생보다 구조적으로 안정성을 유지하기 어렵다는 것을 나타낸다.Table 3 shows BET surface areas, pore volumes, and pore sizes of Preparation Example 2, Example 2, and Comparative Example 1, respectively. Table 3 shows that in the case of the regeneration reaction using a muffle kiln, it is more difficult to maintain structural stability than the regeneration using a plasma.

BET Surface Area
(m2/g)
BET Surface Area
(m 2 / g)
Pore Volume
(cm3/g)
Pore volume
(cm 3 / g)
Pore Size
(nm)
Pore size
(nm)
제조예 2Preparation Example 2 774.92774.92 1.121.12 6.406.40 실시예 2Example 2 749.04749.04 0.910.91 6.056.05 비교예 1Comparative Example 1 546.68546.68 0.760.76 6.016.01

실시예Example 8:  8: 플라즈마plasma 재생 충전물의 반응성능 검토 Review of reactivity of regenerated charge

Fresh KIT-6, 실시예 2 이후 수거한 충전물에 대하여 반응성능 실험을 진행한 후 TOS 60분일 때의 결과를 표 4에 나타내었다. 반응조건은 실시예 1과 같다. 반응 전 충전물인 Fresh KIT-6와 실시예 2의 반응성능을 비교하였을 때 메탄의 전환율은 다소 증가하였지만, C2 hydrocarbon의 선택도는 조금 감소하였다. 이는 완전히 제거되지 않은 미량의 코크가 KIT-6의 표면의 코팅되듯이 남아있어 다소 성능에 영향을 주었다고 사료된다. 하지만, 전반적인 경질탄화수소 수율은 Fresh KIT-6와 비슷한 수준을 유지하였으며 메탄 커플링용 플라즈마 베드로 사용하기에 충분하다고 판단된다.Table 4 shows the results when the TOS was 60 minutes after the reactivity test was performed on the collected fresh KIT-6 and Example 2. The reaction conditions are the same as in Example 1. When comparing the reactivity of Fresh KIT-6 and Example 2 with the pre-reaction filler, the conversion of methane was slightly increased, but the selectivity of C2 hydrocarbon was slightly decreased. It is believed that traces of coke that were not completely removed remain as if coated on the surface of KIT-6, thus affecting the performance somewhat. However, the overall light hydrocarbon yield was similar to that of Fresh KIT-6 and was considered to be sufficient as a plasma bed for methane coupling.

CH4
Conversion(%)
CH 4
Conversion (%)
Selectivity (%)Selectivity (%)
acetyleneacetylene ethyleneethylene ethaneethane C3
hydrocarbon
C3
hydrocarbon
C4
hydrocarbon
C4
hydrocarbon
Fresh KIT-6Fresh KIT-6 41.8041.80 15.5315.53 6.396.39 21.6421.64 10.7410.74 11.5411.54 Plasma-treated KIT-6Plasma-treated KIT-6 48.8548.85 10.1510.15 3.813.81 16.1316.13 10.5710.57 9.089.08

Claims (15)

방전영역에 메조다공성 유전체 입자들을 구비하는 유전체 장벽 방전 (DBD) 플라즈마 반응기로서, 부반응에 의해 메조다공성 유전체 입자 상에 형성된 코크를 산화 분위기에서 플라즈마 처리를 통해 제거하도록 설계된 것이 특징인 DBD 플라즈마 반응기.A dielectric barrier discharge (DBD) plasma reactor having mesoporous dielectric particles in a discharge region, said DBD plasma reactor being designed to remove coke formed on the mesoporous dielectric particles by side reaction by plasma treatment in an oxidizing atmosphere. 제1항에 있어서, DBD 플라즈마 반응기 내 반응 중 부반응으로 필연적으로 수반되는 코크를 반응에 사용된 종류와 같은 플라즈마를 활용하여 제거하되, 코크 제거하는 재생과정 중 반응 혼합물 대신 산소 함유 혼합물을 공급하도록 설계된 것이 특징인 DBD 플라즈마 반응기.The method of claim 1, wherein the coke that is inevitably accompanied by side reactions during the reaction in the DBD plasma reactor is removed by utilizing the same plasma as the type used in the reaction, and the oxygen-containing mixture is supplied instead of the reaction mixture during the coke removal process. DBD plasma reactor characterized in that. 제1항에 있어서, 메조다공성 유전체 입자는 규칙성 메조다공성 유전체 입자인 것이 특징인 DBD 플라즈마 반응기.The DBD plasma reactor of claim 1, wherein the mesoporous dielectric particles are regular mesoporous dielectric particles. 제1항에 있어서, DBD 플라즈마 반응기는 메조다공성 유전체 입자들을 구비한 플라즈마 베드에서 메탄의 비-산화 커플링 반응이 일어나도록 설계된 것이 특징인 DBD 플라즈마 반응기.The DBD plasma reactor of claim 1, wherein the DBD plasma reactor is designed to allow a non-oxidative coupling reaction of methane to occur in a plasma bed with mesoporous dielectric particles. 제4항에 있어서, 메탄의 비-산화 커플링 반응 동안, 추가적인 열 에너지 및 산화제 분자 없이 C-H 결합을 활성화시켜 메틸 라디칼 및 직접 C2-C4 경질 탄화수소를 생성하는 것이 특징인 DBD 플라즈마 반응기.5. The DBD plasma reactor of claim 4, wherein during the non-oxidative coupling reaction of methane, C-H bonds are activated to produce methyl radicals and direct C 2 -C 4 light hydrocarbons without additional thermal energy and oxidant molecules. 제4항에 있어서, 메조다공성 유전체 입자는 메탄의 비-산화 커플링 반응용 촉매 역할을 수행하는 것이 특징인 DBD 플라즈마 반응기.5. The DBD plasma reactor according to claim 4, wherein the mesoporous dielectric particles serve as a catalyst for the non-oxidative coupling reaction of methane. 제4항에 있어서, 메조다공성 유전체 입자는 메탄의 비-산화 커플링 반응용 촉매 활성 성분을 추가로 담지하는 것이 특징인 DBD 플라즈마 반응기.5. The DBD plasma reactor according to claim 4, wherein the mesoporous dielectric particles further carry a catalytically active component for the non-oxidative coupling reaction of methane. 제1항 내지 제7항 중 어느 한 항에 있어서, 하기 기재된 마이크로-전극 개념들을 적어도 하나 이상 사용하여 설명되는 것이 특징인 DBD 플라즈마 반응기.
(1) 외부 전기장에 의해 충전된 유전체 입자들 사이에 마이크로 전극들이 유도되고, 유전체 입자들 사이의 국소 마이크로 전기장이 유도됨;
(2) 외부에서 인가된 고전압과 유전체 장벽으로 인해 분극된 마이크로 전극들 사이의 스트리머와 마이크로-방전이 전파(propagation)됨;
(3) 상기 스트리머 및 마이크로 방전은 하나의 입자의 상부 표면에 도달하고, 상기 입자는 분극화 때문에 양전하를 띠고, 이 순간 하부 표면은 음전하를 띠므로 상부 표면과 하부 표면은 각각 애노드 형(anode-like) 표면과 캐소드 형(cathode-like) 표면이 되며, 이 현상은 외부 캐소드 근처의 입자에서 시작하여 입자에서 입자로 연속적으로 발생하여 반대 전극의 방향으로 이어짐;
(4) 스트리머가 유전체 입자들을 감싸고 있을 때 광 이온화로 인해 국소 전기장의 강도가 강화되기 때문에 전자들이 입자의 하부 표면으로부터 종자처럼 뿌려지고, 종자처럼 뿌려진 전자들은 또 다른 사태(avalanche)를 일으키고 새로운 스트리머들을 시작시키며, 이 순간에, 질소와 메탄 분자들이 가속된 전자와 충돌하고 양으로 하전된 이온이 생성되고, 강화된 전기장 하에 생성된 양이온들은 캐소드형 표면으로 가속되어 이동하고, 표면과 충돌하며, 이 충돌은 2차 전자(secondary electrons)를 생성하여 스트리머를 지속시킴;
(5) 유도된 국소 전기장 및 유도된 입자의 대전된 표면은 각각 마이크로 전기장 및 마이크로 전극들로 보고, 마치 유도된 전하를 띠는 표면이 마이크로-캐소드 및 마이크로-애노드인 것처럼, 인접한 입자들 사이의 유도된 국소 마이크로 전기장에 하기 수학식 1의 수정된 Paschen의 방정식을 적용함.
[수학식 1]
Figure 112018105777000-pat00002

여기서,
ΔVB,micro : 플라즈마 방전을 개시하기 위한 마이크로-전극들 사이의 문턱전위차(threshold electric potential difference between micro-electrodes to initiate plasma discharges).
dmicro : 두 개의 마이크로-전극들 사이의 갭 거리(gap distance between two micro-electrodes)
dmin,micro : 두 개의 마이크로-전극들 사이의 최소 갭 거리 (minimum gap distance between two micro-electrodes )
γ: 두번째 Townsend 이온화 계수; 마이크로 음극의 2차 전자 방출 계수 (second Townsend ionization coefficient; secondary electron emission coefficient of micro-cathode)
σ: 가스 분자의 충돌 단면적(collision cross-sectional area of the gas molecule)
Emicro : 두 개의 마이크로 전극 사이의 전기장 강도 (electric field strength between two micro-electrodes)
Ui : 가스 분자의 이온화 전위(ionization potential of the gas molecule)
kB : 볼츠만 상수(Boltzmann constant)
T : 가스 온도(gas temperature)
p : 가스 압력(gas pressure)
A : 가스 분자의 이온화 특성 상수(ionization characteristic constant of the gas molecule) (Equivalent to σ/kBT)
B : 가스 분자의 이온화 상수 (ionization characteristic constant of the gas molecule). (Equivalent to Ui σ/kBT)
8. The DBD plasma reactor of claim 1, wherein the DBD plasma reactor is characterized using at least one of the micro-electrode concepts described below. 9.
(1) micro electrodes are induced between dielectric particles charged by an external electric field, and a local micro electric field is induced between the dielectric particles;
(2) from outside Streamer and micro-discharge propagated between polarized micro electrodes due to high voltage and dielectric barrier;
(3) The streamer and micro discharge reach the top surface of one particle, the particles are positively charged due to polarization, and at this moment the bottom surface is negatively charged, so the top surface and the bottom surface are each anode type. like and cathode-like surfaces, starting from particles near the outer cathode and continuing from particle to particle in the direction of the opposite electrode;
(4) As the streamer surrounds the dielectric particles, the electrons are scattered like seeds from the lower surface of the particles because the photoelectric ionization enhances the local electric field's intensity, and the electrons scattered like seeds cause another avalanche At the moment, nitrogen and methane molecules collide with the accelerated electrons, positively charged ions are generated, and cations generated under an enhanced electric field accelerate and move to the cathode surface, and collide with the surface. This collision creates secondary electrons to sustain the streamer;
(5) The induced local electric field and the charged surface of the induced particles are viewed as micro electric fields and micro electrodes, respectively, as if the surface with induced charges are micro-cathode and micro-anode, between adjacent particles. Apply the modified Paschen's equation of Equation 1 to the induced local micro electric field.
[Equation 1]
Figure 112018105777000-pat00002

here,
ΔV B, micro : threshold electric potential difference between micro-electrodes to initiate plasma discharges.
d micro : gap distance between two micro-electrodes
d min, micro : minimum gap distance between two micro-electrodes
γ: second Townsend ionization coefficient; Second Townsend Ionization Coefficient (secondary electron emission coefficient of micro-cathode)
σ: collision cross-sectional area of the gas molecule
E micro : electric field strength between two micro-electrodes
U i : ionization potential of the gas molecule
k B : Boltzmann constant
T: gas temperature
p: gas pressure
A: ionization characteristic constant of the gas molecule (Equivalent to σ / k B T)
B: ionization characteristic constant of the gas molecule. (Equivalent to U i σ / k B T)
제1항 내지 제7항 중 어느 한 항에 기재된 유전체 장벽 방전 (DBD) 플라즈마 반응기에서, 부반응으로 형성된 코크로 인해 비활성화된 메조다공성 유전체 입자들로부터 산화 분위기 하 저온 플라즈마로 코크를 제거하는 것이 특징인 메조다공성 유전체 입자들의 재생방법.In the dielectric barrier discharge (DBD) plasma reactor according to any one of claims 1 to 7, characterized in that the coke is removed from the mesoporous dielectric particles deactivated due to the coke formed by the side reaction with a low temperature plasma under an oxidizing atmosphere. Regeneration method of mesoporous dielectric particles. 제9항에 있어서, 저온 플라즈마 처리에 의해 제거되는 코크는 무정형 탄소질, 그라파이트성 탄소질(graphitic carbonaceous materials) 또는 둘다인 것이 특징인 메조다공성 유전체 입자들의 재생방법.10. The method of claim 9, wherein the coke removed by cold plasma treatment is amorphous carbonaceous, graphite carbonaceous materials, or both. 제9항에 있어서, 재생된 메조다공성 유전체 입자들은 사용전 규칙성 메조다공성 구조 또는 유전체 입자 고유의 결정구조를 유지하는 것이 특징인 메조다공성 유전체 입자들의 재생방법.10. The method of claim 9, wherein the regenerated mesoporous dielectric particles maintain a regular mesoporous structure or a crystal structure inherent to the dielectric particle prior to use. 메탄의 비-산화 커플링 반응을 통해 메탄으로부터 C2+ 탄화수소를 제조하는 방법에 있어서,
방전영역에 메조다공성 유전체 입자들을 구비한 유전체 장벽 방전 (DBD) 플라즈마 반응기에서 메탄의 비-산화 커플링 반응을 통해 메탄으로부터 에틸렌 및/또는 에탄을 포함한 C2 이상의 탄화수소로 전환시키는 제1단계; 및
방전영역에 제1단계의 반응 중 형성된 코크로 인해 비활성화된 메조다공성 유전체 입자들을 구비한 유전체 장벽 방전 (DBD) 플라즈마 반응기에서 산화 분위기 하 저온 플라즈마로 상기 코크를 제거하는 제2단계;를 포함하되,
제1단계와 제2단계를 1회 이상 반복하는 것이 특징인 C2+ 탄화수소 제조 방법.
In a process for producing C 2+ hydrocarbons from methane through a non-oxidative coupling reaction of methane,
Converting methane to C2 or more hydrocarbons, including ethylene and / or ethane, through a non-oxidative coupling reaction of methane in a dielectric barrier discharge (DBD) plasma reactor having mesoporous dielectric particles in the discharge region; And
A second step of removing the coke with a low temperature plasma under an oxidizing atmosphere in a dielectric barrier discharge (DBD) plasma reactor having mesoporous dielectric particles deactivated due to coke formed during the reaction of the first step in the discharge region;
C 2+ hydrocarbon production process characterized in that the first step and the second step is repeated one or more times.
제12항에 있어서, 제1단계와 제2단계는 동일한 유전체 장벽 방전 (DBD) 플라즈마 반응기에서 수행되는 것이 특징인 C2+ 탄화수소 제조 방법.13. The method of claim 12, wherein the first step and the second step is characterized by a method for producing C 2+ hydrocarbon is carried out in the same dielectric barrier discharge (DBD) plasma reactor. 메탄의 비-산화 커플링 반응을 통해 메탄으로부터 수소를 제조하는 방법에 있어서,
방전영역에 메조다공성 유전체 입자들을 구비한 유전체 장벽 방전 (DBD) 플라즈마 반응기에서 메탄의 비-산화 커플링 반응을 통해 메탄으로부터 수소를 생성시키는 제1단계; 및
방전영역에 제1단계의 반응 중 형성된 코크로 인해 비활성화된 메조다공성 유전체 입자들을 구비한 유전체 장벽 방전 (DBD) 플라즈마 반응기에서 산화 분위기 하 저온 플라즈마로 상기 코크를 제거하는 제2단계;를 포함하되,
제1단계와 제2단계를 1회 이상 반복하는 것이 특징인 수소 제조 방법.
In a process for producing hydrogen from methane through a non-oxidative coupling reaction of methane,
Generating hydrogen from methane through a non-oxidative coupling reaction of methane in a dielectric barrier discharge (DBD) plasma reactor having mesoporous dielectric particles in the discharge region; And
A second step of removing the coke with a low temperature plasma under an oxidizing atmosphere in a dielectric barrier discharge (DBD) plasma reactor having mesoporous dielectric particles deactivated due to coke formed during the reaction of the first step in the discharge region;
Hydrogen production method characterized in that the first step and the second step is repeated one or more times.
제14항에 있어서, 제1단계와 제2단계는 동일한 유전체 장벽 방전 (DBD) 플라즈마 반응기에서 수행되는 것이 특징인 수소 제조 방법.15. The method of claim 14, wherein the first and second steps are performed in the same dielectric barrier discharge (DBD) plasma reactor.
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