СПОСОБ И АППАРАТ ДЛЯ ОПТИЧЕСКОГО СТИМУЛИРОВАНИЯ ХИМИЧЕСКИХ РЕАКЦИЙ Российский патент 2003 года по МПК F21V7/04 F21V8/00 G02B6/10 

Область техники
Изобретение относится к способу промотирования или стимулирования химических реакций и к реактору или аппарату для проведения таких реакций, промотированных или стимулированных светом, т.е. оптическим излучением.

Уровень техники
Применение оптического излучения для промотирования химических реакций было известно давно, в частности, в области фотохимии известно использование актиничного излучения, например, для промотирования реакций полимеризации. Известно также использование селективных частот оптического излучения для индуцирования химического разложения или химических реакций обмена, замещения или перегруппировки.

В рамках данной заявки такие термины, как "промотирование", "каталитическая активация" и "стимулирование" при использовании их для обозначения активации химических частиц таким образом, чтобы индуцировать, поддерживать или облегчать химическую реакцию, следует считать эквивалентными и означающими, что реакцию можно полностью или частично инициировать подводимыми фотонами с энергией, соответствующей оптическому диапазону, что после инициации реакции фотоны поддерживают ее путем оптического катализа или какого-либо другого процесса или что фотоны обеспечивают какое-либо другое воздействие, обеспечивающее протекание химической реакции.

Ранее было обнаружено, что многие химические реакции включают в себя специфическое "раскрытие" конкретной химической связи в одной или нескольких молекулах, позволяющее рекомбинировать такие молекулы в новые соединения. Часто такие реакции облегчаются проведением их на каталитических подложках, обычно на переходных металлах или их окислах, и, особенно, на металлах платиновой группы. Считается, что промежуточное воздействие этих подложек вызывает активацию намеченных электронных орбиталей, обеспечивающую протекание реакции без реального участия подложки в реакции. Такие каталитические реакции часто являются объектом отравления примесями в результате того, что активные частицы подложки перманентно связываются с "отравляющими " частицами или подвергаются их воздействию каким-либо другим образом. Оптически стимулируемые химические реакции можно рассматривать как реакции, катализируемые за счет промежуточной активации орбитальных электронов или прямой ионизации молекулярных частиц. Хотя оптическое излучение для стимулирования химических реакций не нашло широкого применения в промышленности, многие процессы полимеризации можно классифицировать как каталитические процессы с оптическим стимулированием. Таким образом, применения оптического излучения в стимулировании химических реакций хорошо известно.

Одна из проблем, препятствующая использованию оптического излучения для стимулирования химических реакций, связана с тем фактом, что если источник излучения содержит длины волн, реально благоприятствующие данной реакции, это происходит из-за того, что излучение на этих длинах волн за счет взаимодействия с орбитальными электронами, ионизации молекул или селективного разрыва химических связей между радикалами, присоединенными к различным соединениям-хозяевам или к основным цепям полимеров, поглощается реагентами. Это ограничивает применение процессов с таким типом оптической активации относительно тонкими пленками, и до настоящего времени не удавалось химические реакции с такой оптической активацией или оптически стимулируемые каталитические реакции проводить в объеме.

Сущность изобретения
Поэтому главной задачей, на решение которой направлено настоящее изобретение, является разработка улучшенного способа проведения оптически стимулированных химических реакций.

Другая задача, решаемая изобретением, заключается в разработке реактора, способного стимулировать химические реакции.

Следующей задачей, на решение которой направлено изобретение, является преодоление недостатков более ранних систем фотохимических реакций и, в частности, ограничений их применения тонкопленочными вариантами, чтобы получить возможность воздействия на фотокаталитически промотированные или стимулированные реакции не только исключительно в тонком слое реагента, но и в его объеме.

Еще одна задача, решаемая настоящим изобретением, заключается в преодолении недостатков предшествующих реакционных систем и способов.

Было обнаружено, что определенные принципы, развитые в патентах США 5222795 и 5727108 того же заявителя могут обеспечить существенное преимущество при их применении для промотирования и стимулирования химических реакций, позволяя преодолеть недостатки предшествующих технологий. В более конкретном изложении способ согласно изобретению содержит следующие этапы:
(а) помещение объемного количества, по меньшей мере, одного химического реагента в реакционный сосуд в контакте, по меньшей мере, с одним светильником (излучателем), имеющим излучающую поверхность, вытянутую, по меньшей мере, в одном направлении и способную испускать свет по всей длине светильника;
(б) генерирование оптического излучения в пространстве вне сосуда с включением в его состав, по меньшей мере, одной оптической частоты, способной промотировать химическую реакцию с реагентом; и
(в) модификация (преобразование) генерированного излучения для переноса излучения с указанной оптической частотой к светильнику.

Аппарат может представлять собой реактор для осуществления химической реакции, содержащий:
сосуд, способный принять объемное количество, по меньшей мере, одного химического реагента;
по меньшей мере, один излучатель, связанный с сосудом и имеющий излучающую поверхность, вытянутую, по меньшей мере, в одном направлении и способную испускать свет по всей длине излучателя, при этом объемное количество химического реагента находится в контакте с поверхностью;
находящиеся вне сосуда средства для генерирования оптического излучения с включением в его состав, по меньшей мере, одной оптической частоты, способной промотировать химическую реакцию с реагентом; и
средства, расположенные между средствами для генерирования и светильником, предназначенные для преобразования генерированного излучения позволяющего осуществить перенос излучения с указанной оптической частотой к излучателю.

Согласно изобретению светильники, совместимые с реагентами и излучающие свет по всей своей длине, могут иметь конфигурацию, описанную в патенте США US 5222795. Период структуры светильника выбирают таким образом, чтобы оптимизировать использование потока фотонов, а конструкцию светильников, частоту испускаемого ими излучения и период оптимизируют на основании спектров поглощения реагентов.

Следует указать, что хотя некоторые оптически активированные реакции, в частности полимеризация различных полимеров с помощью УФ, изучались в предыдущих исследованиях, эти реакции, проводимые с помощью оптических средств, из-за большой потери оптических ресурсов были ограничены относительно тонкими слоями, легко пронизываемыми активирующей радиацией. Эти потери имеют место из-за того, что из точечного источника излучения исключительно трудно обеспечить большую площадь постоянного потока излучения. Далее, из-за трудностей эффективной и регулируемой доставки ресурсов активирующей радиации к реагентам, практически не были достаточно хорошо изучены способы оптического регулирования степеней участия реагентов в химических реакциях подгонкой активирующей радиации, т.е. оптического излучения к потенциалам возбуждения конкретных молекул, содержащих или образующих специфические химические связи с реагентами. Кроме того, использование селективного возбуждения реакционных частиц, участвующих в реакции, обеспечивающее, в сущности, средства для каталитических реакций без применения какой-либо каталитической подложки, в проводимых ранее исследованиях было затруднено или вообще невозможно.

Хотя в предпочтительном варианте осуществления настоящего изобретения применяют излучающее волокно или оптический волновод, как это описано в патенте США 5222795, должно быть понятно, что возможно также применение и других, пусть и менее эффективных излучателей. Такие излучатели были описаны в патентах США 4460940, 4471412 и 4822123, а также в патенте США 4765701.

Согласно характерной особенности изобретения, когда два химических реагента реагируют в химической реакции, запускаемой излучением с оптической частотой, полученной преобразованием генерированного излучения, по меньшей мере, один, а предпочтительно оба реагента переносятся вдоль поверхности, излучающей свет, и, таким образом, вдоль светильника (или светильников). Свет из генератора излучения и преобразователя излучения, по меньшей мере, частично может быть доставлен к светильникам через оптические волноводы, а преобразование генерированного излучения может включать в себя этап концентрации излучения оптическим концентратором до прохождения излучения через волновод. Преобразование генерированного излучения может включать в себя также применение узкополосных пропускающих фильтров, дихроичных фильтров или активных оптических средств, которыми можно изменять или контролировать спектральный состав излучения. Обычно в сосуде располагают множество таких светильников и свет, доставленный к светильникам, подводится, кроме того, соответствующими оптическими волноводами.

Согласно изобретению, как это более детально будет описано ниже, излучатели могут иметь светопроводящие сердечники, создающие излучающие поверхности, причем эти поверхности могут быть зонами излучения только с ограниченной части сердечника. Неизлучающие участки сердечника могут быть покрыты оболочкой, у которой показатель преломления ниже показателя преломления сердечника. Оболочку выбирают таким образом, чтобы она улучшала испускание оптического излучения из сердечника и, кроме того, могла служить химическим барьером между химическими реагентами и сердечником.

В одной из предпочтительных конструкций излучатели имеют форму полосок и лежат, по меньшей мере, в одной копланарной системе или форму множества взаимно параллельных пластин. В другой конструкции светильники могут быть трубчатыми и свет излучается в сторону полости трубы, чтобы воздействовать на реакции с участием реагентов, протекающие по трубчатым структурам.

Перечень фигур чертежей
Вышеперечисленные, а также другие задачи, на решение которых направлено изобретение, его характерные особенности и преимущества будут более понятны из следующего далее описания, в котором делаются ссылки на сопроводительные чертежи, из которых
фиг. 1 представляет собой блок-схему, иллюстрирующую принципы изобретения;
фиг. 2 представляет собой схему осветительной системы для одного или нескольких оптических реакторов, которые могут быть снабжены различными типами осветителей или автономными осветителями для каждого реактора;
фиг.3 представляет собой общий вид реактора согласно изобретению с частичными вырывами;
фиг.4 представляет собой поперечное сечение вдоль линии IV-IV фиг.3;
фиг.5 представляет собой поперечное сечение вдоль линии V-V фиг.3;
фиг. 6 представляет собой общий вид каскада из двух трубчатых химических реакторов;
фиг.7 представляет собой поперечное сечение одного из реакторов фиг.6;
фиг.8 представляет собой схематичное вертикальное сечение реактора согласно изобретению для покрытия ниток или пряжи.

Сведения, подтверждающие возможность осуществления изобретения
На фиг.1 показана блок-схема типичной осветительной системы 10, которая может быть применена в оптических химических реакторах согласно настоящему изобретению. Она включает в себя источник 11 излучения, систему 12 формирования потока излучения, средства 13 переноса излучения и излучатели 14 излучения, используемые внутри реактора.

Источник 11 излучения выбирают таким образом, чтобы он испускал излучение на длинах волн, эффективных для желаемых реакций. Например, если требуется, чтобы прореагировало два соединения, но для протекания реакции необходим разрыв или раскрытие некоторых имеющихся связей или нужно активизировать конкретные электроны, участвующие в связи, энергия активации для таких связей или электронов будет соответствовать длине волны падающего излучения. В некоторых случаях (в частности, в реакциях полимеризации) может быть использован источник излучения с широким спектром, в других же (например, когда желательно получить активированные частицы определенных молекул или ионизированное состояние без активации или ионизации других частиц) может потребоваться очень узкое спектральное распределение. В первом случае источником излучения может быть высокоинтенсивный разрядный источник излучения, а во втором - лазер, излучающий на соответствующей длине волны. Следует пояснить, что для получения узкого спектрального распределения из источника белого излучения (широкий спектр) можно применять фильтры или диспергирующие средства, такие как решетки, а также различные призмы. В зависимости от конкретного применения последние из указанных элементов могут быть частью блока 12 преобразования излучения или самого источника излучения.

Затем оптическое излучение преобразуется в нужное состояние и направляется в пучок оптических волокон или в другие средства переноса излучения. Формирование потока излучения можно осуществить посредством фильтра или дихроичного зеркала между источником излучения и системой переноса излучения. Система преобразования излучения может включать в себя также концентратор излучения, предназначенный для использования средства переноса излучения с уменьшенным сечением. Концентратор может представлять собой в соответствии с вышеназванными патентами либо соответствующую линзу, либо составной параболический концентратор. Частично функция формирования потока излучения может выполняться самим светильником, например, благодаря включению в его состав соответствующего отражателя (особенно применительно к точечным светильникам).

Система 13 переноса излучения не является обязательной; она используется, когда излучатель и оптический химический реактор расположены на расстоянии друг от друга. В некоторых случаях поток излучения после его формирования может подаваться непосредственно во вторичные излучатели (светильники) 14.

Типичная осветительная система 10 показана на фиг.2. Как можно видеть, один или более источников 18 и 19 излучения оптически связаны с пучком 20 оптических волокон, которые переносят излучение к различным светильникам, или излучателям 15, 16 и 17.

Излучатели, называемые в данном описании также светильниками, выполняются так, как это описано в указанном патенте США 5222975 и в других патентах того же заявителя. Излучатели могут представлять собой сплошные трубки 17, иметь форму полосок 15 или пластин, испускающих излучение однородно по всей своей длине, т.е. планарных светильников, подобных светильнику 16. Эти светильники могут быть выполнены таким образом, чтобы обеспечить испускание излучения только в пределах узкого угла расходимости (например, когда излучатели имеют трубчатую форму) или в соответствии с ламбертовским распределением только с одной стороны волновода, образующего осветитель, как это показано на фиг. 5, а также когда волновод плоский и зоны излучения просто протравлены в волноводе, а свет испускается в обе стороны от плоскости волновода. В некоторых редких применениях может возникнуть необходимость иметь полый осветитель и испускать свет внутрь полости, как это более детально будет описано ниже. Такие излучатели могут быть применены при оптической обработке потока материала в пределах полости.

Обычно излучатели содержат три главных элемента, а именно сердечник, по меньшей мере, одну зону излучения и оболочку. Типичные материалы сердечника имеют показатель преломления выше 1,5. Примерами таких материалов являются кварц, полиметилметакрилат (ПММА), поликарбонатные полимеры, полистирол и другие оптически прозрачные материалы. В очень редких случаях применения могут быть использованы даже монокристаллические пластинки, такие как сапфир в виде тонкой плоской стенки волновода. Предпочтительно, чтобы материал сердечника светильника в рабочем интервале длин волн имел низкие оптические потери на пропускание.

Для многих применений нужна оболочка, покрывающая сердечник светильника. Показатель преломления такой оболочки меньше, чем у сердечника. Материалом оболочки часто является полимер на основе кремния или иногда полимеры на основе фторуглеродов, имеющие обычно показатели преломления приблизительно 1,4 при типичном показателе преломления для кварца и ПММА 1,5, а для поликарбоната и полистирола приблизительно 1,6. В некоторых применениях может быть использован излучатель без оболочки. Излучатели или, по меньшей мере, их участки, находящиеся в контакте с реагентами и продуктами реакции, обычно изготавливают из материалов, способных противостоять среде, в которой они работают. Так, было обнаружено, что для излучателей без оболочки хорошим материалом сердечника является кварц, а в случае применения оболочки можно использовать различные формы фторполимеров, в том числе Witon (компания Dupont) или THV (трехзвенный полимер TEE/HPF/VDF, корпорация ЗМ).

С использованием кожуха 21 можно создать соответствующие источники излучения 18, 19, освещающие коллекторы 22 излучения, которые могут быть концентраторами излучения, работающими на входных концах 23 оптических волноводов, т.е. оптических волокон, и формирующих пропускающий излучение пучок, от которого к соответствующим светильникам ответвляются оптические волокна 24, 25, 26.

На фиг 3. показан типичный оптический химический реактор 30 непрерывного действия, в котором могут быть проведены оптически стимулированные каталитические реакции. В контейнере 31 расположено множество плоских светильников 32 со свободным пространством между соседними светильниками. На фиг.4 и 5 показаны поперечные сечения осветителя. В этом варианте излучатели имеют мононаправленный характер, причем оптические волокна питают каждый излучатель в верхней части. Обычно реагенты вводятся через разветвленный распределительный трубопровод 33 (следуя стрелкам, идущим вниз) между двумя излучателями, возвращаются обратно на другую сторону излучателей и удаляются через разветвленный трубопровод-коллектор 34. Питающий распределитель может содержать множество разветвленных трубопроводов для реагентов, чтобы смешивать реагенты или на входе в реактор, или внутри реактора.

В этом варианте осуществления излучатель (светильник) 32 запитывают от соответствующего источника излучения с помощью пучка оптических волокон, скомпонованных в виде оптического соединителя 35. Пластинчатый излучатель может быть мононаправленным или двунаправленным. В первом случае, представленном на фиг. 5, используются полоски, излучающие свет, или зоны 36 излучения, выполненные, например, согласно патенту США 5222795 или любым другим соответствующим способом выведения излучения из оптических волноводов в направлении длины таких волноводов. Зоны излучения выполняют прямо на сердечниках волноводов, а затем наносят оболочку. Обратная сторона светильника снабжена задним плоским белым ламбертовским отражателем, нанесенным на наружную поверхность оболочки.

Когда желательно иметь двунаправленный излучатель, применяют зоны 36 излучения, полученные травлением или абразивной обработкой сердечника излучателя до нанесения оболочки, благодаря чему свет излучается с обеих сторон излучателя. Очевидно, что можно применить две однонаправленные излучательные пластины, сложенные обратными сторонами, и питать поверхность, взаимодействующую с потоком материала на его входе излучением одной длины волны, а поверхность, взаимодействующую с потоком вниз по течению, - излучением, имеющим отличающуюся длину волны или набор отличающихся длин волн.

Во время своего функционирования реактор 30 питают через питающий распределитель 33 соответствующими реагентами, которые под влиянием электромагнитного возбуждения излучением, испускаемым из излучательных элементов 32, взаимодействуют с получением из реагентов желаемого продукта. В сущности, возбуждающая радиация селективно воздействует на конкретные орбитали или связи радикалов в молекулах реагентов, обеспечивая оптически индуцированную каталитическую реакцию. На этой стадии продукт указанной реакции собирают через разветвленный коллектор 34, чтобы провести дополнительные процессы (такие как отделение продукта от непрореагировавших реагентов) или последующий этап процесса, который может включать в себя дополнительные реакции каскадного типа в дополнительных оптических химических реакторах согласно настоящему изобретению.

Одно из преимуществ настоящего изобретения заключается в возможности контроля дозы активирующего излучения и в возможности испускания излучения с большой поверхности. Обычно реагенты, вовлеченные в оптически активированные реакции, будут иметь сильное поглощение в представляющем интерес спектральном интервале (в противном случае взаимодействие между электромагнитным излучением и реагентами было бы минимальным), поэтому из-за экспоненциального затухания, связанного с таким поглощением, с помощью точечного источника трудно провести оптическую активацию объемного материала. Однако согласно настоящему изобретению оптические экраны можно установить таким образом, чтобы излучение хорошо распределялось среди реагентов, и благодаря этому избежать большей части таких экспоненциальных затуханий. Кроме того, при использовании технологии вывода излучения, описанной в патенте США 5222795, можно контролировать степень излучения по длине излучателя, чтобы добиться соответствия уровня излучения согласованной дозе вдоль пути реагирующих компонентов, что еще больше увеличивает эффективность процесса оптической активации.

Можно также разработать оптический реактор 30, как это показано на фиг. 3, предназначенный для реакции каскадного типа, в которой, например, первый набор реагентов может быть введен в одну точку (у верхней части реактора, как на фиг.3), а другой вводится в процесс позже, например, у дна реактора, до того как поток потечет обратно на участке цикла, направленном вверх. Далее, как указывалось выше, можно обеспечить двойной излучатель, чтобы спектральный состав активирующей радиации был различным для двух частей каскадного реактора.

На фиг.5 пучок оптических волокон обозначен, как 37, и его волокна получают свет соответствующей частоты от источника 37 излучения и составного параболического концентратора 38, при этом волокна 39 волоконного пучка 36 подведены к излучающим свет полоскам 36, расположенным напротив белой отражающей задней плоскости 31'.

Хотя на фиг.3-5 реактор использует плоские источники излучения, должно быть очевидно, что возможны трубчатые структуры, где текучие реагенты (жидкие или газообразные) проходят через полость трубы, а сама труба изготовлена из оптического материала, в котором свет вводится у одной точки и излучается вдоль зоны реакции с помощью средств экстракции излучения, как это рассмотрено выше. Пример такого реактора показан на фиг.6. Специфика его заключается в том, что каскадный оптический реактор 40 состоит из двух трубчатых структур 41 и 42, изготовленных из оптически прозрачного материала.

Стенка трубчатой структуры представляет собой оптический волновод, из которого испускается излучение, и изготовляется достаточно толстой, чтобы обеспечить ввод излучения у ее проксимального конца. Поперечное сечение проксимального конца трубчатого реактора 41 представлено на фиг.7, где показан оптически прозрачный сердечник 43, при этом указанный сердечник, как уже было указано, служит в качестве оптического волновода для активирующей оптической радиации. На наружной поверхности сердечника выполнены зоны излучения (переходящие у дистального конца в сплошную зону излучения), которые покрыты оболочкой 44. Как и в предыдущих случаях, обеспечивается условие, чтобы внутренняя оболочка 45 по сравнению с сердечником имела более низкий показатель преломления и была изготовлена из материала, способного выдерживать воздействие реагентов, протекающих через полость 48 трубчатого реактора.

Для этой цели могут быть применены прозрачные или полупрозрачные фторполимеры. Оптические волокна 46 сопряжены с проксимальным концом трубчатых реакторов через соответствующий соединитель с помощью оптического клея, имеющего показатель преломления, сопоставимый с показателем преломления сердечника. Предпочтительно, чтобы сердечник оптических волокон и сердечник 43 трубчатой структуры имели близкие показатели преломления.

Разветвленный распределитель 50 сопряжен с внутренней стороной трубчатого реактора 41, чтобы вводить в оптический реактор несколько реагентов (хотя показано только два входа, очевидно, что линия 50 ввода может иметь несколько независимых запитывающих устройств, каждое из которых имеет непоказанные соответствующие собственные устройства контроля потока). Продукцию из реактора 41 собирают через линию 51 подачи. Это может быть конечный требуемый продукт или продукт, для которого могут понадобиться дополнительные этапы изготовления, такие как дополнительный оптически активируемый реагент, вместе еще с одним реагентом поданный ко второму реактору 42 через линию 52 подачи.

В рабочем режиме первые реагенты заставляют прореагировать с помощью активирующей радиации, исходящей из внутренней стенки трубчатого реактора, обеспечивая, в сущности, оптически катализированную реакцию. Для вторичных реакций весьма желательно, чтобы процесс в реакторе 42 повторился в каскадной форме и чтобы можно было провести добавление дополнительных реагентов. Чтобы стимулировать требуемую конкретную реакцию, длины волн каждого из питающих источников для реакторов в каскадной схеме могут отличаться друг от друга.

Хотя вышеуказанные варианты каталитических реакторов с оптической поддержкой предназначены для процессов с непрерывным потоком, очевидно, что без существенного отклонения от сущности изобретения возможен также и периодический процесс. Например, можно использовать реакционный сосуд, в котором имеется множество трубчатых светильников 17, подобных показанным на фиг.2. Такие светильники могут предназначаться для радиального испускания излучения в сосуд, содержащий реагенты, при проведении реакции для отдельных партий регентов. Конечно, в режиме обработки партий можно применять также и реактор, описанный на фиг.3-5.

Поскольку оптическое излучение, питающее различные светильники в оптических химических реакторах согласно настоящему изобретению, передается к их сердечникам через независящие друг от друга волокна, можно обеспечить множество настраиваемых источников, которые действовали бы или одновременно, катализируя требуемую реакцию, или последовательно во времени, катализируя несколько последовательных реакций.

Некоторые примеры уникальных реакций, предоставляющих возможность применять химические реакторы с оптическим катализом согласно настоящему изобретению, составляют ряд от стандартного ускоренного окисления, в котором молекулярный кислород частично конвертируется в дельта-синглетный кислород облучением протекающего газа со специально выбранным окислителем на длине волны несколько выше 1,25 мкм, соответствующей разности уровней возбужденного состояния дельта-синглетного кислорода и молекулярного кислорода, до синтеза аммония из оптически активированных смесей молекул водорода и азота. Другие реакции, которые можно провести с применением оптически стимулированных каталитических способов и реакторов согласно настоящему изобретению, включают в себя оптическое фракционирование углеводородов, а также прививку различных выбранных радикалов на другие органические соединения как в текучем объеме, так и на существующих поверхностях, чтобы придать таким поверхностям уникальные свойства.

Другие применения включают в себя разделение изотопов, например выделение дейтерия из частиц, несущих на себе водород, с использованием того обстоятельства, что потенциал ионизации молекул, содержащих дейтерий (таких как молекулярный водород, водяной пар или углеводороды с низким молекулярным весом) несколько отличается в зависимости от содержания (или недостаточного количества) молекул с частицами тяжелее водорода. Настройкой активирующей длины волны можно для соединений, несущих дейтерий, подобрать потенциал ионизации (обычно несколько более высокий, чем для более легкого изотопа). Один из таких способов мог бы включать в себя ионизацию молекул, несущих выбранный изотоп (причем, только таких молекул) и имеющих в смеси другие молекулы, которые предпочтительно реагируют с ионизированными частицами и которые легко выделить из текущей смеси. Так, например, можно провести реакцию при низкой температуре, когда частицы, несущие изотоп, находятся еще в газообразном состоянии (например, метан, несущий дейтерий), и каталитически (включая в том числе оптический катализ согласно настоящему изобретению) скомбинировать ионизированные частицы с кислородом, дав возможность таким образом полученной воде выпасть в осадок в виде льда, обогащенного дейтерием, а носитель-метан и двуокись углерода удалить в газовой фазе. Такой процесс сильно понизит стоимость тяжелой воды, применяемой в ряде ядерных реакторов.

Подобные технологии для разделения изотопов можно применять для элементов, используя относительно простые изотопные соединения, которые при температуре реактора предпочтительно находятся или в газообразном, или в жидком состоянии. Такие изотопы могут включать в себя изотопы урана, когда газообразной молекулой является UFe, или титана при использовании TiCl₄, а также многие другие элементы, для которых легко получить или летучее, или жидкое молекулярное соединение. Разделение можно провести также окислением ионизированных частиц, которые при температурах реактора находятся в твердом состоянии.

Пример 1. Оптически стимулированная химическая прививка
В течение двух последних десятилетий увеличилось применение композитных материалов в качестве структурных элементов. Особые преимущества имеют технические термопластичные композиты, но их применение в композитных материалах ограничено, т. к. они не содержат реакционных химических групп, формирующих ковалентные связи с армированными волокнами. Это особенно важно, когда армированное волокно является полиарамидом типа Kevlar^®.
На фиг. 8 показана система для покрытия полиарамидных волокон термопластичным материалом и формирования привитой химической связи между арамидом и верхним слоем термопластичной матрицы. В этом примере волокном является Kevlar^® 49 (DuPont), а термопластиком - поликарбонат Lexan^® 121 (General Electric, в гранулированной форме). Реактор 60 представляет собой камеру, предпочтительно вакуумную камеру, в которой над трубчатым реактором 62 с оптическим возбуждением расположена съемная катушка 61 с намотанным на нее волокном 70 Kevlar^®. Волокно удерживается на предназначенном для него месте над трубчатым реактором с помощью монтажной петельки 63, покрытой тефлоном Teflon^®. Трубчатый оптический реактор 62 активируется от источника 64 УФ излучения через пучок кварцевых волокон 65.

Полиарамидное волокно проходит через расплавленную массу 66 термопластичного материала (того же типа, что и материал, который будет служить матрицей в волоконном армированном конечном изделии), содержавшегося в нагретом сосуде 67 с перфорацией 71 дна, через которую уже покрытое волокно 72 покидает кроющую систему. На этом этапе покрытое полиарамидное волокно собирают на собирающую катушку 68.

Во время работы сосуд 60 сначала откачивают до приблизительно 1,33 Па через откачное отверстие, а затем, пока держится вакуум, в другое сквозное впускное отверстие 73 подают кислород, чтобы довести атмосферу в сосуде 60 до динамического кислородного уровня приблизительно 13,33 Па. УФ реактор, по-видимому, стимулирует формирование ненасыщенных кислородных связей и, возможно, других связей на обычно неактивной арамидной поверхности. Когда же активированные полиарамидные волокна проходят через расплавленный поликарбонатный термопластик, образуется ковалентная связь, стимулирующая перенос зарядов от матрицы конечного изделия к полиарамидному волокну, и, по существу, обеспечивая химическую прививку термопластичной матрицы на полиарамидное волокно.

Пример 2. Фракционирование полимеров с длинной цепью
Для этого примера применяют реактор, описанный на фиг.3 и 4, с кварцевыми пластинами-светильниками (толщиной приблизительно 2 мм, фирма Heraus, Германия). Зоны излучения протравливают фтористоводородной кислотой через экранированный шелком восковой трафарет. Затем трафарет растворяют в бензоле и смывают изопропиловым спиртом. Далее покрывают светильники оболочкой THV-200Р, TFE/HPF/VDF Terpolymer (фирма ЗМ Corporation), растворенной в МЭК (метил-этил-кетон). В качестве источника излучения применяли осветитель Cermax Xenon (фирма ILC Technology) с перестраиваемым клиновым фильтром (ширина полосы 1 нм) в интервале 400-450 нм и отрезающими фильтрами ниже 400 нм и выше 450 нм. Представленная на фиг.3 и 4 система снабжается также процеживающими отверстиями у дна сосуда, через которые водород медленно процеживается в реакционную камеру. Неиспользованный водород собирают в верхней части сосуда и возвращают для повторения цикла через систему, не показанную на этих фигурах.

Было обнаружено, что энергия связей вдоль основной цепи полимера является не только функцией природы связи и участвующих в ней частиц, но также и спадающей функцией ее расстояния от "головы" и "хвоста" полимера. Таким образом, настройка оптического источника на энергию фотонов, несколько меньшую, чем прочность связи в головной и хвостовой частях полимера, будет селективно фракционировать полимеры по связям в тех случаях, когда энергии фотонов равны или несколько больше, чем энергии связей в средней части полимера, но не будет фракционировать полимер по связям, лежащим ближе к головной и хвостовой части полимера.

Облучаемый полимер представляет собой парафин с длинной цепью, в данном примере - декан (СН₃(СН₂)₈СН₃). Если идентифицировать связи между атомами углерода вдоль основной цепи по их положению относительно каждого конца цепи, как, например, С₁ для первого и С_n для n-го углеродов, можно обнаружить, что самая прочная связь лежит между вторым и третьим атомами углерода цепи (в случае декана 3,0069 эВ), при этом указанная связь (связь С₂-С₃) самая прочная в цепи. Прочность связи С₃-С₄ на 0,2074% меньше, чем прочность связи С₂-С₃, а связь С₄-С₅ слабее связи С₃-С₄ на 0,2897%. Следующей связью является связь С₅-С₅, и она слабее связи С₄-С₅ на 0,3705%.

В настоящем примере источник излучения поворотом клинового фильтра настраивают на длину волны 415,8 нм. Прочность связи С₄-С₅ соответствует длине волны 414,39 нм (2,992 эВ), а прочность связи С₅-С₅ - длине волны 415,92 нм (2,981 эВ). Молекулы декана, подвергнутые воздействию излучения, исходящего из пластин-светильников, расщепляется главным образом на две молекулы пентана и некоторое количество метана (связь С₁-С₂ при 2,947 эВ слабее связи С₅-С₅ и в какой-то степени происходит отщепление концевых атомов углерода).

Обычно исходящий поток выходит из системы при температуре приблизительно 50^oС, при которой декан еще представляет собой жидкую фазу, но как пентан, так и метан газообразны, что позволяет легко отделить нерасщепленный декан от газообразной смеси пентана и метана. Нерасщепленный декан возвращают в реактор для повторения цикла при повторном процессе, в то время как газообразный поток охлаждают в теплообменнике на основе воды до приблизительно 20^oС, при которой пентан превращается в жидкость, а метан удаляют в газообразной форме.

Следует понимать, что такие же принципы селективного фракционирования можно применить также для любых полимеров с длинной цепью при условии, что источник излучения настраивают на соответствующую длину волны, а полимер проявляет подобное изменение свойств в зависимости от положения связей вдоль основной цепи полимеров. Сходным образом можно настроить длину волны источника излучения, питающего химический реактор, для отщепления конкретных хвостовых радикалов в более сложных структурах.

Изобретение относится к области электротехники, а именно к способам активации химических реакций с помощью оптического излучения. Химическая реакция в предложенном способе осуществляется с использованием излучения соответствующей частоты, предпочтительно подводящегося с помощью оптических волокон к одному или нескольким излучателям, поверхности которых, излучающие свет, находятся в контакте с реагентами химической реакции. Поток излучения можно концентрировать. Волноводы и множество таких излучателей могут быть помещены внутрь сосуда. Техническим результатом предложенного изобретения является разработка улучшенного способа проведения оптически стимулированных химических реакций и разработка реактора, способного стимулировать химические реакции. Способ позволяет получить возможность воздействия на химические реакции не только в тонком слое реагента, но и в его объеме. 3 с. и 23 з.п. ф-лы, 8 ил.

1. Способ повышения эффективности химической реакции, включающий этапы (а) помещения объемного количества, по меньшей мере, одного химического реагента в реакционный сосуд в контакте с, по меньшей мере, одним излучателем, имеющим излучающую поверхность, вытянутую, по меньшей мере, в одном направлении и способную испускать свет по всей длине указанного излучателя, (б) генерирования излучения вне указанного сосуда с включением в его состав излучения, по меньшей мере, одной оптической частоты, способной промотировать химическую реакцию, включающую в себя указанный реагент, (в) преобразования генерируемого потока излучения для переноса указанного излучения указанной частоты к указанному излучателю и (г) обеспечения на указанной излучающей поверхности по указанной длине излучателя уровня излучения, соответствующего дозе излучения, требуемой для осуществления указанной реакции. 2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что в указанном сосуде в химической реакции, промотированной излучением указанной оптической частоты, реагируют два химических реагента, при этом указанный способ дополнительно предусматривает прохождение, по меньшей мере, одного из указанных реагентов вдоль указанной поверхности. 3. Способ по п. 1, отличающийся тем, что указанное оптическое излучение генерируют на этапе (б) в зоне вне указанного сосуда, при этом указанный способ дополнительно предусматривает этап передачи излучения из указанной зоны в указанный сосуд, по меньшей мере, частично через оптический волновод. 4. Способ по п. 3, отличающийся тем, что дополнительно предусматривает этап концентрирования излучения до прохождения его через указанный волновод. 5. Способ по п. 1, отличающийся тем, что в указанном сосуде располагают множество указанных излучателей, причем излучение, доставляемое к указанным излучателям, подводится соответствующими оптическими волноводами. 6. Способ по п. 1, отличающийся тем, что указанный реагент представляет собой полимер, на который прививают соединение, дополнительно подвергая указанный полимер воздействию излучения указанной частоты, испущенного из указанного излучателя для активации указанного полимера и нанесения указанного соединения на активированный полимер. 7. Способ по п. 1, отличающийся тем, что указанная химическая реакция представляет собой фракционирование полимера с длинной цепью. 8. Реактор для воздействия на химическую реакцию, содержащий сосуд, способный принять объемное количество, по меньшей мере, одного химического реагента, по меньшей мере, один излучатель, оптически связанный с указанным сосудом и имеющий излучающую поверхность, вытянутую, по меньшей мере, в одном направлении и способную испускать свет по длине указанного излучателя, соответствующей дозе, требуемой для реакции на указанной длине указанного объемного количества и указанного сосуда, причем указанный объем указанного химического реагента находится в контакте с указанной поверхностью, средства вне указанного сосуда для генерирования излучения с включением в его состав, по меньшей мере, одной частоты, способной промотировать химическую реакцию с участием указанного реагента, и средства, расположенные между указанными средствами для генерирования и указанным излучателем для преобразования генерированного излучения, позволяющего осуществить перенос указанного излучения указанной частоты к указанному излучателю. 9. Реактор по п. 8, отличающийся тем, что указанный излучатель содержит сердечник, снабженный излучающими зонами, и оболочку, имеющую показатель преломления меньший, чем показатель преломления указанного сердечника. 10. Реактор по п. 9, отличающийся тем, что указанный сердечник имеет показатель преломления, превышающий 1,5. 11. Реактор по п. 9, отличающийся тем, что указанный сердечник состоит из материала, выбранного из группы, состоящей из кварца, полиметилметакрилата, поликарбоната и полистирола. 12. Реактор по п. 9, отличающийся тем, что указанная оболочка представляет собой полимер на основе кремния или фторуглеродов. 13. Реактор по п. 8, отличающийся тем, что указанный реактор снабжается множеством указанных излучателей в форме, по меньшей мере, одной копланарной системы параллельных полосок. 14. Реактор по п. 8, отличающийся тем, что указанный реактор снабжается множеством указанных излучателей в форме взаимно параллельных пластин. 15. Реактор по п. 8, отличающийся тем, что он дополнительно содержит средства для подачи указанного реагента вдоль указанного излучателя. 16. Реактор по п. 8, отличающийся тем, что он дополнительно содержит, по меньшей мере, один оптический волновод между указанными средствами для генерирования и указанным излучателем. 17. Реактор по п. 16, отличающийся тем, что он дополнительно содержит, по меньшей мере, один концентратор излучения, расположенный между указанными средствами для генерирования и указанным оптическим волноводом. 18. Реактор по п. 8, отличающийся тем, что в указанном сосуде установлено множество указанных излучателей, при этом указанный реактор дополнительно содержит оптические волноводы, оптически связывающие каждый из указанных излучателей с указанными средствами для генерирования. 19. Реактор по п. 8, отличающийся тем, что указанный сосуд формируют в виде камеры в оптическом волноводе, формирующем указанный излучатель. 20. Реактор по п. 19, отличающийся тем, что указанный сосуд формируют из трубчатой структуры, стенка которой представляет собой оптический волновод и имеет излучающие зоны излучения, излучающие свет в полость трубчатой структуры. 21. Реактор по п. 8, отличающийся тем, что он дополнительно содержит разветвленный распределитель для подачи множества реагентов к указанному сосуду. 22. Реактор по п. 8, отличающийся тем, что указанные средства для преобразования включают в себя, по меньшей мере, один фильтр. 23. Реактор по п. 8, отличающийся тем, что указанные средства для преобразования включают в себя, по меньшей мере, одно дихроичное зеркало. 24. Реактор по п. 8, отличающийся тем, что химическая реакция представляет собой прививку соединения на полимер, а указанный реактор содержит средства для прохождения указанного полимера через указанный сосуд и средства для нанесения указанного соединения на указанный полимер, посредством которых указанный полимер подвергается воздействию излучения, испущенного из указанного излучателя для активации указанного полимера. 25. Трубчатый излучатель, присоединенный к источнику излучения и снабженный по длине, по меньшей мере, одной цилиндрической поверхностью с излучающими свет поверхностями, вытянутыми, по меньшей мере, в одном направлении, способной испускать свет по длине излучателя и выбранной таким образом, чтобы обеспечить желаемую дозу для фотоиндуцированных реакций на указанной длине. 26. Трубчатый излучатель по п. 25, отличающийся тем, что одна указанная поверхность из указанных поверхностей представляет собой внутреннюю поверхность, и указанная внутренняя поверхность формирует сосуд, способный принимать в себя реагент, претерпевающий химическую реакцию, промотированную излучением, испущенным одной из указанных поверхностей.