Study of volatile hydrocarbon decomposition in non-thermal plasma of gliding arc at atmospheric pressure

V teoretické části diplomové práce se zabývám principem klouzavého obloukového výboje v nerovnovážném plazmatu, jeho vlastnostmi a použitím na rozklad těkavých organických látek (VOC). Plazmové techniky vytváří perspektivní alternativu ke klasickým metodám jako jsou například adsorpce, biofiltry, termické procesy, vymražování a kondenzace. Dále je v teoretické části popsána metoda použitá k analýze produktů rozkladu, plynová chromatografie spojená s hmotnostním spektrometrem (GC-MS). Experimentální část přináší celkový popis aparatury založené na klouzavém obloukovém výboji (GlidArc), v němž byly rozkládány těkavé organické látky. Těkavá organická látka je do reaktoru vnášena ze zásobníku nosným plynem (dusíkem). Jako pracovní plyn byl užíván syntetický vzduch. Na reaktor navazuje zařízení pro odběr vzorků k analýze. Zařízení je vybaveno několika otvory pro odběr vzorků metodou SPME vláken, metodu sorpčních trubiček a speciální otvor pro vstup sondy z přístroje Testo 350 M/XL, který umožňuje okamžitou analýzu nízkomolekulárních látek. Pro stanovení vysokomolekulárních produktů rozkladu byla využita technika GC-MS. Přímo byly analyzovány produkty rozkladu nasorbované na SPME vláknech, látky sorbované aktivním uhlím byly extrahovány pomocí sirouhlíku. Analýzou vzorků odebraných pomocí SPME vláken byly nalezeny hlavní produkty rozkladu, kterými jsou v případě hexanu pentanal, 4 metyl-3-pentanal, 2-butoxy-etanol a pentan. V případě rozkladu cyklohexanu byly detekovány 3-metyl-butanal, propanal, cyklohexanon, 5-hexenal a 2-pentyn-1-ol, hlavními produkty rozkladu xylenu pak byly metyl-benzen, benzaldehyd, 4-metyl-benzaldehyd, 1-nitroethyl-benzen a metanol-benzen. Vzorky odebrané pomocí sorpčních trubiček po analýze ukázaly, že se sorbovala především látka, která byla rozkládána, ale produkty rozkladu byly přítomny v příliš nízké koncentraci pro adekvátní analýzu. Proto byly sorpční trubičky využity jen pro kvantitativní stanovení rozkladu látek v závislosti na dodávaném výkonu. Závislost rozkladu látek na výkonu byla sledována i pomocí SPME vláken, která byla použita pro kvalitativní stanovení. Získané výsledky byly téměř shodné v obou případech odběrových technik. Z nízkomolekulárních sloučenin byly při rozkladu všech látek zjištěny v podstatě stejné produkty. Jsou jimi oxid uhličitý, vodík, oxid dusnatý, oxid dusný a voda. Získané výsledky ukazují, že při rozkladu VOC látek vzniká kromě řady potenciálně nebezpečných produktů rozkladu i významné množství oxidů dusíku, který není šetrný k životnímu prostředí. Proto bude nezbytné se studovanou problematikou dále zabývat zejména s ohledem na omezení generace NOx. Na základě kinetického rozboru pak bude možné optimalizovat podmínky rozkladu samotných VOC.Diploma thesis deals with gliding arc discharge in non-equilibrium plasma, its properties and usage for dissociation of volatile organic compounds. Plasma techniques create a perspective alternative to classical methods such as adsorption, biofilters, thermal processes, freezing and condensation. The method used for analysis of dissociation products is described in the theoretical part as well. Method is gas chromatography and it is combined with mass spectroscopy. The experimental part contains the overall description of GlidArc reactor where volatile organic compounds were dissociated. The volatile organic compound is brought into the reactor from the reservoir by carrier gas (nitrogen); synthetic air was used as working gas. The reactor is connected to the device for sampling. This device has several openings for sampling by SPME fibre method, sorption tubes method and a special opening for probe entry from the device Testo 350 M/XL, which enables instant analysis of low-molecular compounds. GC-MS was used for determination of high-molecular products of dissociation. Products sorbed on SPME fibres were analysed directly, compounds sorbed by active carbon were extracted by carbon disulphide. Samples obtained using SPME fibres were analysed. The major products of the dissociaton were found due to this analysis, those major products are in the case of hexane: pentanal, 4 methyl-3-pentanal, 2-butoxy-ethanol, pentane a 2-hexene. Major products detected when dissociating cyclohexane were: l,3-dimethyl-butane, propanal, cyklohexanone, 5-hexenal a 2-pentyn-1-ol. Major products of xylene dissociation were methyl-benzene, benzaldehyde, 4-methyl-benzaldehyde, 1-nitroethyl-benzene a benzenmethanol. After analysis obtained using sorption tubes showed that mainly the dissociated compound was sorbed, but the products of the dissociation were presented in too low concentration for an adequate analysis. For that reason the sorption tubes were used only for quantitative determination of the compounds depending on the power supply. The dependence of the dissociation of the compounds on the power supply was observed using SPME fibres which were used for quantitative determination. The Results obtained by both obtained techniques were almost in accordance. Speaking of low-molecular compounds, dissociation of all compounds gave the same products, i.e. carbon dioxide, hydrogen, nitrogen oxide, nitrogen dioxide and water. The results show that the dissociation of VOC gives - besides many potentially dangerous dissociation products - significant amounts of nitrogen oxides which is harmful to the environment. Hence it is necessary to be concerned with problems studied in the future mainly with respect to limitation of NOx generation. It will be possible to optimalize the conditions of the VOC dissociation on the basis of future kinetic analysis.