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辉光放电电解(glow discharge electrolysis,GDE)具有非法拉第特性,能够得到常规电解不能得到的产物,获得超出法拉第定律推算值的产量。本论文针对低碳醇水溶液为原料的辉光放电等离子体电解过程,研究低碳醇分子的等离子体化学反应过程机理、水分子对低碳醇GDE的影响以及低碳醇溶液GDE在制氢方面的应用。
低碳醇溶液GDE过程能产生大体积的稳定的辉光放电等离子体。低碳醇溶液GDE过程I-V曲线特性与水溶液GDE过程相似,醇的种类和浓度影响气体鞘层厚度和放电电极温度。电导率为5.0 mS.cm<-1>的甲醇溶液800V阴极GDE时dc为4.19 mm,辉光放电等离子体体积为1.33cm<3>。无水甲醇溶液阴极GDE放电中点电压下,电极温度为714K,比相同条件下水溶液阴极GDE电极温度低733K。
实验表明,低碳醇溶液GDE过程电子是引发低碳醇分子等离子体化学反应的主要高能粒子,低碳醇分子在等离子体层内及等离子体/溶液界面上与高能电子碰撞激发,分子中各种化学键断裂产生大量活性粒子,各种活性粒子进一步反应生成各种产物。甲醇GDE过程分解主要产物是HCHO、H<,2>和三聚甲醛:乙醇GDE过程产物主要有甲醛、乙醛、氢气、一氧化碳、甲烷、乙烷、丙烷;丙醇GDE过程气相主要产物是氢气、甲烷、丙烷和一氧化碳。
根据甲醇初始反应途径,结合放电极性、辅助电解质、放电电压和甲醇浓度等因素对产物的影响,提出了甲醇溶液GDE过程的简化反应模型,依据简化反应模型,可以较好地进行物料衡算,符合程度为90%左右。
低碳醇溶液GDE能产生大量氢气,放电极性、放电电压、辅助电解质、电导率和低碳醇浓度是低碳醇溶液GDE过程气体产量、产气能耗和氢气浓度的主要影响因素。在相同的放电电压下,无水甲醇阴极GDE产量是纯水溶液阴极GDE产量的3377倍,阴极GDE过程G(H<,2>)是阳极GDE过程G(H<,2>)的8倍以上。甲醇溶液阳极GDE生成气体中H2摩尔浓度高于80%,阴极GDE生成气体中H<,2>摩尔浓度高于85%。NaOH甲醇溶液阴极GDE过程,在电压为1150 V时,G(H<,2>)为2255.80 mol.mol<-1>,W<,r>为4.36 kJ/L,能量效率为99.4%,Y<,HCHO>为84.9%,Y<,H<,2>>为46.6%。乙醇溶液阴极GDE过程,放电电压为1000 V时,氢气摩尔浓度为82.7%,G(H<,2>)为1104.33 mol.mol<-1>,Wr为5.12 kJ/L,Y<,H<,2>>为23.8%,Y<,CH<,3>CHO>为81.9%。
研究表明利用辉光放电等离子体电解低碳醇水溶液,通过等离子体产生的高能电子激发低碳醇分子和水分子重组,可以作为一种同时制氢和化工产品的技术手段,过程CO<,2>排放少,是一种清洁的工艺路线,对开发小型、简便、灵活、经济的现场制氢技术具有重要的现实意义。将GDE技术和可再生资源利用结合起来形成一个可再生资源---低碳醇GDE制氢/化工产品的可再生能源化工利用系统,系统具有高效低耗、绿色可持续的特点,经济上可行。利用可再生原料制氢,将氢能和可再生资源结合在一起,形成一个完整的可再生能源---化工产品供应系统,为可再生资源利用提供了新思路。