Silvie Müller

• Cold plasma is a partially ionized state of matter that unites high reactivity and mild conditions. Therefore, cold plasma reactors are intriguing for reaction engineering. In this work, a laboratory scale dielectric barrier discharge (DBD) cold plasma reactor was designed, set up, and used for studying the application of the technology for the partial oxidation of methane. Experiments were carried out near ambient conditions and in addition to the reactants the feed also contained the inert carrier gas argon. The product stream was split into a condensable fraction and the remaining gaseous fraction. The latter was analyzed at-line in a gas chromatograph equipped with a dual column and two carrier gases. The condensable fraction was analyzed by NMR spectroscopy, Karl Fischer titration, and sodium sulfite titration. In the product stream, 16 product components were identified and quantified: acetic acid, acetone, carbon dioxide, carbon monoxide, ethanol, ethane, ethene, ethylene glycol, formaldehyde, formic acid, hydrogen, methanol, methyl acetate, methyl hydroperoxide, methyl formate, and water. The conversion of the reactants and the selectivities to the products were measured varying the molar reactant ratio in the feed, the mole fraction of argon in the feed, the residence time in the reactor, and the electrical power input. The influence of the variation of the electrical power input, the residence time, and the argon mole fraction can be described well by lumping the three factors into a newly introduced specific energy input SEI*, such that the dependencies of conversions and selectivities can be described by using only the SEI* and the molar reactant ratio in the feed. The results from 43 experiments carried out in the present work and the sundry trends found in the comprehensive data set extend the available knowledge on DBD cold plasma partial oxidation of methane considerably and are useful for testing mechanistic models.
• Kaltes Plasma ist ein teilweise ionisierter Zustand, der eine hohe Reaktivität und milde Bedingungen miteinander verbindet. Daher sind Reaktoren mit kaltem Plasma für die Reaktionstechnik sehr interessant. In dieser Arbeit wurde ein solcher Reaktor mit dielektrischer Barriereentladung (DBD) im Labormaßstab entworfen, in Betrieb genommen und verwendet, um die Anwendung der Technologie für die partielle Oxidation von Methan zu untersuchen. Die Experimente wurden bei Umgebungsbedingungen durchgeführt, und neben den Reaktanden enthielt der Feed auch das inerte Trägergas Argon. Der Produktstrom wurde in eine kondensierbare Fraktion und die verbleibende gasförmige Fraktion aufgeteilt. Letztere wurde at-line mit einem Gaschromatographen mittels Doppelsäule und zwei Trägergasen analysiert. Die kondensierbare Fraktion wurde mittels NMR-Spektroskopie, Karl-Fischer-Titration und Natriumsulfit-Titration analysiert. Im Produktstrom wurden 16 Produkte identifiziert und quantifiziert: Aceton, Ameisensäure, Ethanol, Ethan, Ethen, Ethylenglykol, Essigsäure, Formaldehyd, Kohlendioxid, Kohlenmonoxid, Methanol, Methylacetat, Methylformiat, Methylhydroperoxid, Wasser und Wasserstoff. Der Umsatz der Reaktanten und die Selektivität zu den Produkten wurden unter Variation des Reaktanten-Einsatzstoffverhältnisses, des Argon-Molanteils im Feed, der Verweilzeit im Reaktor und des elektrischen Leistungseintrags gemessen. Der Einfluss der Variation des elektrischen Leistungseintrags, der Verweilzeit und des Argon-Molanteils lässt sich gut beschreiben, indem die drei Faktoren zu einem neu eingeführten spezifischen Energieeintrag SEI* zusammengefasst werden, so dass die Abhängigkeiten von Umsatz und Selektivität nur durch den SEI* und das molare Reaktanten-Einsatzstoffverhältnis im Feed beschrieben werden können. Die Ergebnisse von 43 in der vorliegenden Arbeit durchgeführten Experimenten und die unterschiedlichen Trends aus dem umfassenden Datensatz erweitern das verfügbare Wissen über die partielle Oxidation von Methan in DBD-Reaktoren erheblich und sind anwendbar für die Prüfung mechanistischer Modelle.