Reaction mechanism for CO2-N2 low-temperature plasmas: the role played by O2 and N2 on the CO2 vibrational kinetics and dissociation

Resumo

Entre vários métodos atualmente em desenvolvimento para reduzir as emissões antropogénicas de CO2 de modo a reduzir os efeitos das alterações climáticas, a tecnologia de Captura e Utilização de Carbono (CCU) através plasmas não térmicos (NTPs) é bastante promissora. Descargas elétricas de CO2 são estudadas atualmente, tanto do ponto de vista experimental como de modelização, com o objetivo de compreender cinética do plasma e, idealmente, alcançar uma dissociação eficiente de CO2. Este trabalho contribui para este objetivo através de uma investigação teórica, experimental e de modelização da dissociação de CO2 em NTPs de CO2.

Em colaboração com Laboratoire de Physique des Plasma (LPP), é feita uma caracterização experimental de uma descarga luminescente DC em misturas de CO2-N2 através espectroscopia de absorção de infravermelho por transformada de Fourier (FTIR) como diagnóstico principal. Paralelamente, foi desenvolvido um modelo autoconsistente 0D para descargas de CO2-N2 que inclui a cinética vibracional dos primeiros 72 níveis de CO2, 10 níveis de CO e 59 níveis de N2. Foi ainda realizado um refinamento da cinética química do oxigénio, motivado pela relevância das espécies de oxigénio na cinética do plasma de CO2, seguido de um estudo de diferentes misturas de CO2-O2 utilizando o código numérico Lisbon KInetics (LoKI).

O papel desempenhado pelo nível eletronicamente excitado CO(a3Πr) em mecanismos de recombinação é responsável pelo efeito prejudicial da adição de O2 na descarga. Além disso, foi revelada a importância da troca vibracionaltranslacional (V-T) do CO2-O na descrição da cinética vibracional do CO2. A partir da comparação entre resultados da simulação e dados experimentalmente obtidos no LPP, este trabalho levou ao desenvolvimento de um “mecanismo de reação” (ou seja, um conjunto de reações e coeficientes validados experimentalmente).

O efeito positivo da adição de N2 na dissociação de CO2 plasmas CO2- N2 é explicado pela diluição, limitando as reações de recombinação e pelo papel de nível N2(B3Πg) no aumento da conversão de CO2. Finalmente, é ainda observado que transferência de energia vibracionalvibracional (V-V) do CO2-N2 é crucial para uma descrição adequada da cinética vibracional do CO2.