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Nov 13, 2023

Influenza del regime di flusso sulla decomposizione del metano diluito in un arco scorrevole rotante di azoto

Scientific Reports volume 12,

Rapporti scientifici volume 12, numero articolo: 11700 (2022) Citare questo articolo

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Questo lavoro riporta il funzionamento del reattore ad arco rotante gliding (RGA) ad una portata elevata e l'effetto dei regimi di flusso sulle sue prestazioni chimiche, che non è stato esplorato molto. Quando il regime del flusso è stato modificato da flusso transitorio a flusso turbolento (\(5\rightarrow 50~\hbox {SLPM}\)), la modalità operativa è passata dal tipo a bagliore a a scintilla; il campo elettrico medio, la temperatura del gas e la temperatura degli elettroni aumentano (\(106\rightarrow 156~\hbox {V}\cdot \hbox {mm}^{-1}\), \(3681\rightarrow 3911~\hbox { K}\) e \(1.62\rightarrow 2.12~\hbox {eV}\)). L'efficienza energetica della decomposizione (\(\eta _E\)) è aumentata di un fattore di 3,9 (\(16.1\rightarrow 61.9~\hbox {g}_{{\text{CH}}_{4}}\cdot \hbox {kWh}^{-1}\)). Le prime tre reazioni dominanti di consumo di metano (MCR) per entrambi i regimi di flusso sono state indotte da \(\text {H}\), CH e \(\text {CH}_3\) (specie chiave), ma differivano per i loro valori contributivi. Il tasso di MCR è aumentato dell'80–148% [indotto da e e singoletto—\(\text {N}_2\)], e è diminuito del 34–93% [CH, \(\text {CH}_3\), tripletta —\(\text {N}_2\)], a causa della turbolenza. I processi di impatto elettronico hanno generato almeno il 50% in più di specie chiave e metastabili per ogni 100 eV di energia in ingresso, spiegando l'aumento di \(\eta _E\) al flusso turbolento. Pertanto, il regime di flusso influenza la chimica e le caratteristiche del plasma attraverso la portata. Il reattore RGA segnalato promette di mitigare le emissioni fuggitive di idrocarburi in modo efficiente dal punto di vista energetico su larga scala, richiedendo alcune ottimizzazioni per migliorare la conversione.

Le emissioni di gas serra causano cambiamenti climatici compreso il riscaldamento globale, un problema inevitabile a causa della dipendenza dai combustibili fossili1. Il metano è il secondo maggior contribuente al riscaldamento globale, con un contributo pari a \(0,5\,^\circ\)C sin dall’epoca preindustriale2. Sebbene \(\text {CO}_2\) sia il maggiore contribuente, il potenziale di riscaldamento globale di \(\text {CH}_4\) è 80 volte quello di \(\text {CO}_2\) nei primi 20 anni dopo la sua uscita2; e la sua durata (decennio) è inferiore a \(\text {CO}_2\) (secolo)3. Per questi motivi, è considerato importante mitigare le emissioni di \(\text {CH}_4\) alla fonte, in modo da poter abbassare rapidamente le temperature (grazie al tempo di risposta di 12 anni) per prevenire un superamento temporaneo dei \(2\,^\circ \)C soglia di picco del riscaldamento (l'obiettivo dell'accordo di Parigi3). A livello globale, il 40% delle emissioni \(\text {CH}_4\) proviene da fonti naturali; il restante 60% proviene da attività antropiche4, le fonti più facili per la \(\text {CH}_4\) mitigazione2. I settori dell’energia, dell’industria, dell’agricoltura e dei rifiuti sono le fonti delle emissioni di metano di origine antropica, con il 50,63% e il 20,61% delle emissioni provenienti rispettivamente dall’agricoltura e dai rifiuti4. In particolare, nei paesi in via di sviluppo, attività come la combustione all’aperto di biomassa e residui agricoli (combustione delle stoppie) e le discariche sono uno dei principali fattori che contribuiscono, causando anche inquinamento atmosferico, con effetti negativi sulla salute umana e sull’ambiente4,5,6,7, evidenziando il problemi e opportunità posti da \(\text {CH}_4\).

Le tecnologie esistenti per la mitigazione/decomposizione/conversione di \(\text {CH}_4\) includono ma non sono limitate alla conversione termo, foto e biochimica, con o senza catalizzatori, nonché alla cascata di queste tecnologie8. Recentemente, la tecnologia del plasma, che richiede solo elettricità come fonte di energia, offrendo la possibilità di utilizzare l'elettricità rinnovabile in eccesso intermittente9, sta guadagnando interesse per la conversione \(\text {CH}_4\)10 e la \(\text {CH} fuggitiva _4\) distruzione/mitigazione/decomposizione6. Il plasma è un gas ionizzato che conduce corrente costituito da ioni, elettroni, radicali, particelle metastabili, eccitate e neutre (insieme denominate specie di plasma), che singolarmente esibiscono temperature multiple11. Il plasma o le specie di plasma vengono generati come segue: (1) un campo elettrico esterno (E) viene applicato tra gli elettrodi utilizzando una fonte di alimentazione delle specifiche desiderate, e lo spazio tra gli elettrodi viene riempito con un gas da trattare; (2) gli elettroni liberi di fondo presenti tra gli elettrodi accelereranno a causa dell'E applicato e si scontreranno con le particelle neutre gassose; e (3) in base all'energia scambiata durante la collisione, gli atomi/molecole del gas vengono eccitati a livelli energetici più elevati, oppure dissociati in frammenti/radicali neutri, oppure ionizzati, formando una miscela di specie plasmatiche; (4) la fornitura continua di energia in ingresso e la ionizzazione sostenuta si traducono nella generazione di valanghe di elettroni che causano la rottura, innescando un arco. Il plasma può essere utilizzato nei due modi seguenti: