COMBINED OXIDATION OF GASEOUS AND LIQUID ALKANES IN THE BARRIER DISCHARGE PLASMA
Authors: РЯБОВ А.Ю. , КУДРЯШОВ С.В. , ОЧЕРЕДЬКО А.Н. 
Published: September 2024

Исследовано совместное окисление газообразных (пропан, бутан) и жидких (н-гептан, н-октан, н-нонан, н-декан) алканов в плазме барьерного разряда в кислороде. В процессе окисления происходит одновременное превращение как газообразных, так и жидких углеводородов. Среди продуктов реакции обнаружены различные углеводородные газы С1-С4 и преимущественно кислородсодержащие соединения, соответствующие гидроксильным и карбонильным соединениям с тем же числом атомов углерода в молекуле, что и в исходных алканах. На стадии инициирования химической реакции в барьерном разряде происходит взаимодействие электронов разряда со всеми молекулами исходной смеси с образованием атомарного кислорода и различных углеводородных радикалов. Дальнейшее их превращение приводит к появлению пероксидных радикалов соответствующих алканов, в результате диспропорционирования которых происходит образование гидроксильных и карбонильных соединений. Механизм окисления газообразных алканов в общих чертах сопоставим с механизмом окисления жидких углеводородов в барьерном разряде, ключевую роль в механизме совместного окисления алканов играет реакция взаимодействия атомарного кислорода с газообразным или жидким алканом. На основании экспериментальных и литературных данных предложен вероятный механизм совместного окисления газообразных и жидких алканов в барьерном разряде, а также выведено простое выражение, связывающее константы скорости реакций взаимодействия атомарного кислорода и молекул алканов с концентрацией углеводородов в газовой фазе разрядного промежутка реактора. Используя полученное выражение, можно оценить направление процесса окисления смесей газообразных и жидких алканов, а также с привлечением экспериментальных данных рассчитать отсутствующие в литературе величины констант скоростей взаимодействия атомарного кислорода и молекулы алкана. Полученные результаты позволяют оптимизировать условия эксперимента по окислению смесей газообразных и жидких алканов с преимущественным окислением газообразного алкана. Приведенные данные будут полезны при разработке эффективных способов прямой переработки широкой фракции легких углеводородов.

The combined oxidation of gaseous (propane, butane) and liquid (heptane, octane, nonane and decane) alkanes in a barrier discharge plasma in oxygen has been studied. Oxidation process involves simultaneous conversion of gaseous and liquid hydrocarbons. Various C1-C4 hydrocarbon gases and mainly oxygenated compounds corresponding to hydroxyl and carbonyl compounds with the same number of carbon atoms in molecules as in the initial alkanes were detected among reaction products. At the stage of chemical reaction initiation in a barrier discharge, the electrons in the discharge interact with all the molecules of the initial mixture to form atomic oxygen and various hydrocarbon radicals. Their subsequent transformation leads to the formation of peroxide radicals of the corresponding alkanes, and their disproportionation leads to the formation of hydroxyl and carbonyl compounds. The mechanism of gaseous alkane oxidation is generally comparable to the mechanism of liquid hydrocarbon oxidation in a barrier discharge, and the key role in the mechanism of alkane co-oxidation is played by the interaction of atomic oxygen with a gaseous or liquid alkane. A probable mechanism for the combined oxidation of gaseous and liquid alkanes in a barrier discharge is proposed on the basis of experimental and literature data, and a simple equation is deduced, linking the rates of atomic oxygen interaction with alkane molecules to hydrocarbon concentrations in the gas phase of the discharge gas in the reactor. Applying the obtained equation, it is possible to estimate the direction of the oxidation of gaseous and liquid alkane mixtures and to involve the experimental data in calculating yet unknown rate constants of atomic oxygen interaction with alkane molecules. The results obtained make it possible to optimise the experimental conditions for the oxidation of gaseous and liquid alkane mixtures with the predominant oxidation of a gaseous alkane. These data will be useful in developing effective methods for the direct processing of a broad fraction of light hydrocarbons.