PL249866B1 - Światłowodowy zestaw do prowadzenia reakcji fotokatalitycznych w fazie gazowej, ciekłej, w zawiesinie oraz na podłożach stałych, zwłaszcza z możliwością analizy fazy gazowej - Google Patents

Abstract

Przedmiotem zgłoszenia jest zestaw do prowadzenia reakcji fotokatalitycznych zwierający stelaż, do którego zamocowane są, układ reaktora połączony za pomocą światłowodu ze źródłem światła, przynajmniej jedno źródło światła do prowadzenia reakcji oraz układ zaworów do kontroli przepływu gazów, charakteryzujący się tym, że układ reaktora zawiera część radiatorową (2) przystosowaną do umieszczania naczynia reakcyjnego z króćcami bocznymi, kopułkę układu reaktorowego (6) mającą pierwszą część skonfigurowaną do współpracy z częścią radiatorową (2) i drugą część zwierająca otwór przelotowy do wprowadzania rurki światłowodowej (9), przy czym część radiatorowa (2) i kopułka układu reaktorowego (6) zawierają otwory boczne przystosowane do współpracy z króćcami bocznymi naczynia reakcyjnego, przy czym rurka światłowodowa (9) zawiera pierwszy koniec z otworem przystosowanym do wprowadzania światłowodu i drugi koniec zawierający tuleję centrującą (11) do centrowania światłowodu.

Description

Opis wynalazku

Wynalazek dotyczy zestawu do prowadzenia reakcji fotokatalitycznych w fazie gazowej, ciekłej, w zawiesinie oraz na podłożach stałych z zastosowaniem źródła światła ledowego dostarczonego do wnętrza fotoreaktora za pomocą światłowodu.

W reakcjach fotokatalitycznych, możemy mieć do czynienia z fotokatalizatorami o różnej postaci. Mogą to być np. zawiesiny, filmy na podłożach, ciała stałe. Dlatego też, możliwość umieszczenia próbki o różnej postaci w fotoreaktorze, jej równomierne oświetlenie oraz zapewnienie mieszania w celu poprawy wymiany masy, stanowi poważne wyzwanie.

Z chińskiego opisu patentowego CN114210283A znany jest fotoreaktor wsadowy do cieczy z dookólnym źródłem światła, z wyprowadzeniami umożliwiającymi podawanie gazów oraz cieczy, z płaszczem chłodzącym i mieszadłem magnetycznym. Reaktor ten wyposażono również w nasycalnik umożliwiający podawanie gazu do fazy ciekłej, kondensor zawracający wykroploną fazę ciekłą oraz zapewniono chłodzenie źródeł światła za pomocą wentylatorów.

Znany jest z chińskiego opisu patentowego CN114367255A fotoreaktor do redukcji CO2, w którym zewnętrzne źródło światła, poprzez uszczelnioną płytę kwarcową, oświetla fotokatalizator naniesiony na płytki kwarcowe umieszczone pod kątem do podającego gaz krążka. Płaszcz chłodzący zapewnia odprowadzenie ciepła.

W chińskim patencie CN114367255A opisano fotoreaktor oparty na diodach LED umieszczonych w przepuszczającym światło płaszczu, wypełnionym nieprzewodzącą prąd cieczą, który to płaszcz jest umieszczony wewnątrz fotoreaktora. Rolą cieczy jest odprowadzenie ciepła wydzielanego przez diody, jak również przez reakcję chemiczną. Dodatkowo cały fotoreaktor może być zanurzony w cieczy chłodzącej.

Znany jest z chińskiego opisu patentowego CN116832741A fotoreaktor, w którym zastosowano ledowe źródło światła z przesyłem światła do jego wnętrza za pomocą wiązki światłowodów. Zabezpieczająca szklana rurka ze światłowodami i LED-em jest zanurzona w zewnętrznej rurce szklanej ze szlifem, umożliwiając kontrolę temperatury wewnątrz fotoreaktora.

Z chińskiego opisu patentowego CN117000169A znany jest fotoreaktor, w którym oświetlające LED-y są umieszczone w naczyniu z chłodzeniem za pomocą cyrkulującej cieczy i dopiero zanurzone we właściwym naczyniu fotoreaktora z płaszczem chłodzonym cieczą.

Znany jest z chińskiego patentu CN203990576U fotoreaktor umożliwiający prowadzenie reakcji chemicznych w fazie ciekłej, zapewniając dedykowaną atmosferę gazową. W tym rozwiązaniu, naczynie szklane z podwójnymi ściankami tworzy konstrukcję fotoreaktora i płaszcza chłodzącego. Wyprowadzenia w formie rurek zapewniają podawanie gazu, a od góry uszczelnione okno kwarcowe, umożliwia oświetlanie mieszaniny reakcyjnej za pomocą zewnętrznego źródła światła. Mieszanina reakcyjna może być mieszana za pomocą mieszadła magnetycznego.

Z japońskiego opisu patentowego JPS61187930A znany jest fotoreaktor zbudowany ze szczelnego naczynia, w którym zanurzona jest lampa wyładowcza w ochronnej rurze kwarcowej, a mieszanina reakcyjna jest mieszana za pomocą mieszadeł mechanicznych lub cyrkulacji mieszaniny reakcyjnej.

Znane jest rozwiązanie zaprezentowane w koreańskim patencie KR101098954B1, w którym fotoreaktor przepływowy do prowadzenia reakcji w fazie ciekłej umożliwia analizę produktów gazowych.

W patencie amerykańskim US 2022/0339616 A1 zaprezentowano fotoreaktor do fazy ciekłej z mieszaniem mieszadłem magnetycznym. Teflonowa wkładka umożliwia dokładne zdefiniowanie powierzchni aktywnej oświetlanej światłem prostopadłym padającym poprzez okno wziernikowe. Konstrukcja fotoreaktora umożliwia analizę gazu przepływającego nad cieczą.

Fotoreaktor powinien zapewniać równomierne oświetlenie fotokatalizatora i mieszaniny reakcyjnej, z możliwością kontroli intensywności emitowanego światła. Nowoczesne i oszczędne energetycznie źródła światła, jakimi są LED-y, emitują ciepło, którego nie można pominąć, szczególnie w przypadku dużych mocy. Dlatego też, zapewnienie warunków odprowadzenia ciepła jest niezmiernie ważne. Alternatywnym rozwiązaniem jest oddalenie źródła ciepła od miejsca, w którym zachodzi reakcja chemiczna. W tym przypadku, pozostaje jedynie odprowadzenie ciepła generowanego przez reakcję chemiczną i ciepła zewnętrznego źródła światła.

Problemem technicznym byłoby zapewnienie układu do prowadzenia reakcji fotokatalitycznych, który umożliwiałby prowadzenie prowadzenia reakcji chemicznych w fazie gazowej, ciekłej oraz w zawiesinie z jednoczesną możliwością prowadzenia analizy produktów gazowych reakcji, przy czym po winien on także charakteryzować się skutecznym odprowadzaniem ciepła dobrą izolacją świetlną mieszaniny reakcyjnej. Ponadto powinien on również zapewniać możliwość regulacji zanurzenia źródła światła. Kolejną istotną cechą powinna być możliwość stosowania próbek stałych, np. katalizatorów.

Przedmiotem wynalazku jest zestaw do prowadzenia reakcji fotokatalitycznych zwierający stelaż do którego zamocowane są, układ reaktora połączony za pomocą światłowodu ze źródłem światła, przynajmniej jedno źródło światła do prowadzenia reakcji oraz układ zaworów do kontroli przepływu gazów, charakteryzujący się tym, że układ reaktora zawiera część radiatorową przystosowaną do umieszczania naczynia reakcyjnego z króćcami bocznymi, kopułkę układu reaktorowego mającą pierwszą część skonfigurowaną do współpracy z częścią radiatorową i drugą część zwierająca otwór przelotowy do wprowadzania rurki światłowodowej, przy czym część radiatorowa i kopułka układu reaktorowego zawierają otwory boczne przystosowane do współpracy z króćcami bocznymi naczynia reakcyjnego, przy czym rurka światłowodowa zawiera pierwszy koniec z otworem przystosowanym do wprowadzania światłowodu i drugi koniec zawierający tuleję centrującą do centrowania światłowodu.

W korzystnej realizacji wynalazku układ zaworów do kontroli przepływu gazów stanowi zblocze zaworowe typu bypass.

W następnej korzystnej realizacji wynalazku drugi koniec rurki światłowodowej jest zamknięty.

W kolejnej korzystnej realizacji wynalazku kopułka układu reaktorowego w swojej drugiej części zawiera wkładkę polimerową do centrowania rurki światłowodowej w kopułce układu reaktorowego.

W innej korzystnej realizacji wynalazku naczynie reakcyjne jest połączone ze zbloczem zaworowym poprzez przynajmniej jedno złącze uszczelkowe i przynajmniej jedną kapilarę.

W jeszcze innej korzystnej realizacji wynalazku zblocze zaworowe zawiera wyprowadzenia do łączenia z analizatorem gazów.

W jeszcze następnej korzystnej realizacji wynalazku rurka światłowodowa zawiera na drugim końcu rozłącznie mocowany uchwyt do próbek stałych.

Korzystnie układ reaktorowy umieszczony jest mieszadle magnetycznym.

W innej realizacji wynalazku układ reaktorowy pomiędzy układem reaktorowym a mieszadłem magnetycznym zawarty jest przepływowy blok chłodzący.

W obecnym wynalazku udało się rozwiązać problem umieszczenia próbki stałej we wnętrzu fotoreaktora, przy jednoczesnym zapewnieniu jej oświetlenia za pomocą światłowodu. Jednocześnie zapewniono mieszanie zawartości naczynia i możliwość prowadzenia reakcji chemicznych w fazie gazowej, ciekłej oraz w zawiesinie. Ponadto w układzie reakcyjnym według wynalazku możliwa jest analiza fazy gazowej w sposób ciągły. Konstrukcja zestawu reakcyjnego zapewnia odizolowanie od światła zewnętrznego, z odseparowaniem źródła światła od wydzielanego przezeń ciepła. Podstawowe zalety zaproponowanego rozwiązania, ciepło wydzielane przez źródło światła znajduje się poza układem reakcyjnym, wycentrowane źródło światła jest zanurzone w miejscu gdzie zachodzi reakcja chemiczna, istnieje możliwość kontroli głębokości zanurzenia oraz intensywności źródła światła, mieszanina reakcyjna może być mieszana za pomocą mieszadła magnetycznego przy jednoczesnym odseparowaniu od światła zewnętrznego, obudowa w formie radiatora zapewnia odprowadzenie ewentualnie wydzielanego ciepła, jest możliwość dołączenia bloku chłodzącego z zewnętrznym obiegiem chłodziwa. Istnieje również możliwość zastąpienia rurki ze źródłem światła, ogniwem elektrochemicznym w celu prowadzenia procesów elektrochemicznych. Z kolei, użycie zaślepionej nakrętki reaktora sprawia, że m amy do czynienia ze standardowym reaktorem chemicznym z wlotem i wylotem.

Wynalazek zostanie teraz przedstawiony na rysunku, gdzie,

Fig. 1 jest widokiem izometrycznym całego zestawu według wynalazku;

Fig. 2 jest widokiem izometrycznym, ze zbliżeniem na fotoreaktor (4);

Fig. 3 przedstawia poglądowo radiator fotoreaktora wraz z kopułką (6);

Fig. 4 przedstawia reaktor z gwintowaną szyjką (25) i wyprowadzeniami (26);

Fig. 5 przedstawia przekrój kopułki (6) wraz z wkładką polimerową (7);

Fig. 6 jest widokiem izometrycznym ukazującym dodatkowy blok chłodzący (30);

Fig. 7 jest widokiem izometrycznym uchwytu do podłoża stałego (28);

Fig. 8 przedstawia uchwyt do podłoża stałego (28) umocowany na rurce prowadzącej światłowód (9); Fig. 9 przedstawia rurkę prowadzącą światłowód (9) z tuleją centrującą (11) światłowód (10).

Przykład

Konstrukcja zestawu do prowadzenia reakcji według wynalazku została przedstawiona na Fig. 1. Zestaw zawiera stelaż (1), do którego poprzez uchwyty (niepokazane na figurach) zamocowany jest układ reaktora, zblocze zaworowe (17) oraz przynajmniej jedno źródło promieniowania do prowadzenia reakcji (12) przykręcone do półki (13). W obecnym przykładzie wykonania Fig. 1 przedstawiono układ czterech źródeł promieniowania (12) zmocowanych parami do półek (13). Wspomniane źródło światła może zapewniać koherentne albo niekoherentne promieniowanie świetlne. Istotna natomiast jest długość fali świetlnej. Stelaż (1) ma postać ramy z profili, wspartej na dwóch prostopadłych do niej profilach z nóżkami, które zapewniają stabilność stelaża (1). Na rysunku nie przedstawiono złączy za pomocą których profile są połączone. W centralnej części rama stelaża (1) zawiera prowadnicę z uchwytem (3) do mocowania rozłącznego układu reaktora oraz uchwyt (nieoznaczony na figurach) zblocza zaworowego (17). Zblocze zaworowe (17) stanowi zestaw trzech zaworów tworzących układ typu bypass. Rama stelaża (1) zawiera również uchwyty (14) do końcówek światłowodów. Uchwyty (14) zapewniają bezpieczne utrzymywanie sprężynujących światłowodów. Układ reaktora obejmuje część radiatorową (2) do umieszczania naczynia reakcyjnego (4) oraz kopułkę układu reaktorowego (6). Podstawową funkcją części radiatorowej (2) jest odprowadzenie ewentualnie wydzielającego się ciepła. Części radiatorowa (2) zapewnia również separację świetlną od otoczenia. Część radiatorowa (2) może być wykonana z aluminium albo innego materiału dobrze przewodzącego ciepło. Jej kształt jest dowolny. Niemniej powinien on zapewnić dobre odprowadzanie ciepła. Na Fig. 3 przedstawiono część radiatorową (2) z widoczną pofałdowaną powierzchnią dla odprowadzenia ciepła oraz kopułkę układu reaktorowego (6) do nakrywania części radiatorowej po umieszczeniu w niej naczynia reakcyjnego. Po umieszczeniu w części radiatorowej (2) naczynia reakcyjnego (4) układ jest zamykany przez nałożenie kopułki układu reaktorowego (6), co całkowicie odizolowuje naczynie reakcyjne od światła zewnętrznego. Naczynie reakcyjne (4) zazwyczaj posiada gwintowaną szyję (25) oraz przynajmniej dwa króćce boczne (26), które umożliwiają podawanie gazów do naczynia reakcyjnego (4). Aby umożliwić bezproblemowe umieszczenie naczynia (4) w części reaktorowej (2) i zamknięcie jej za pomocą kopułki (6) oba elementy, tj. część (2) i kopułka (6), w jednej swojej części zawierają wycięcia/otwory boczne (24, 23 odpowiednio) pasujące szerokością i liczbą do króćców (26) w naczyniu reakcyjnym (4). Otwory boczne (23, 24) zawarte są w obu elementach na ściankach bocznych części radiatorowej (2) i kopułki (6). Po umieszczeniu w części radiatorowej (2) naczynia reakcyjnego (4) i zamknięciu jej za pomocą kopułki (6) otwory boczne (23, 24) tworzą jeden otwór umożliwiający bezproblemowe umieszczenie naczynia reakcyjnego (4) z króćcami. W obecnym przykładzie liczba króćców (26) wynosi dwa. Jednakże jest to wyłącznie przykład możliwego do zastosowania naczynia reakcyjnego. Króćce doprowadzające (26), oprócz możliwości doprowadzenia gazu, umożliwiają pobieranie próbek ciekłych za pomocą np. strzykawki. Wspomniane króćce (26) naczynia reakcyjnego (4) zapewniają możliwość dostarczania gazu inertnego oraz wyprowadzanie z naczynia (4) mieszaniny gazowej do zewnętrznego analizatora np. GC-MS. Naczynie reakcyjne (4) zamykane jest za pomocą nakrętki (5) z uszczelką teflonowo-gumową, zawierającej otwór przelotowy do umieszczania w nim rurki światłowodowej (9) wykonanej ze szkła borokrzemowego albo kwarcowego, która umożliwia doprowadzenie światłowodu (10) do wnętrza naczynia reakcyjnego. Kopułka układu reaktorowego (6) w swojej drugiej części, od wewnątrz, zawiera otwór przelotowy do wprowadzania rurki światłowodowej (9), stanowiącą osłonę światłowodu, oraz wkładkę polimerową (7), np. wykonaną z teflonu albo innego odpornego termicznie i chemicznie materiału, ułatwiającą centrowanie rurki światłowodowej (9), jak również swobodne przesuwanie jej w pionie. Przemieszczanie się wkładki polimerowej (7) jest ograniczone za pomocą wkrętki (8). Rurka światłowodowa (9) ma pierwszy i drugi koniec. Pierwszy koniec rurki (9) umożliwia wprowadzenie do niej światłowodu (10) w osłonie. W swojej drugiej części rurka (9) zawiera tuleję centrującą (11) światłowód bez osłony (Fig. 8-9.). Tuleja (11) może być wykonana z teflonu albo innego odpornego termicznie i chemicznie materiału i w której umieszcza się końcówkę światłowodu (27). Drugi koniec rurki (9) jest zaślepiony w celu odizolowania końcówki światłowodu (27) od środowiska reakcji w naczyniu reakcyjnym (4). Centrowanie zapewnia powtarzalne źródło światła, skierowane prostopadle do rurki osłonowej i wnętrza reaktora (niwelujemy efekt odbicia światła od dna rurki osłonowej). Cały układ jest wycentrowany. Wycentrowane mieszadło magnetyczne zapewnia poprawne mieszanie.

Układ reaktora może być dodatkowo umieszczony na mieszadle magnetycznym (20) jak na Fig. 1, którego centralne położenie względem naczynia reakcyjnego jest zapewniona za pomocą podstawki (22). Istnieje również możliwość dodatkowego chłodzenia pokazana na Fig. 6, przez umieszczenie między częścią radiatorową (2) a mieszadłem (20), bloku z obiegiem cieczy chłodzącej (30) kontrolowanym przez ultratermostat (niepokazany na figurach). Na Fig. 6 widoczne są także króćce (31) umożliwiające obieg cieczy pomiędzy blokiem chłodzącym (30) i ultratermostatem.

Na końcu rurki światłowodowej (9) można zamontować uchwyt do próbek stałych (28) pokazany na Fig. 7. Próbki (29) umieszczone w uchwycie (28) mogą być np. w formie płaskiego podłoża z naniesioną warstwą katalityczną. Górna część próbki jest oświetlana światłem ze światłowodu (10), a zanurzenie w wirującej mieszaninie reakcyjnej zapewnia kontakt reagentów z materiałem stałym (29).

Jak przedstawiono na Fig. 1. mieszanina reakcyjna po umieszczeniu w fotoreaktorze (4) szklanym z szyjką gwintowaną (25), uszczelką teflonowo-gumową i króćcami doprowadzającymi (26), może być poddana sonikacji w celu rozdyspergowania zawiesiny i odgazowania. Po umieszczeniu reaktora (4) w części radiatorowej (2), przyłączeniu złącza uszczelkowego (15), doprowadzającego gaz inertny i przyłączeniu złącza odprowadzającego produkty gazowe, uruchamia się mieszadło magnetyczne (20) i zasłania reaktor kopułką zewnętrzną (6). Po umieszczeniu światłowodu (10) wewnątrz rurki doprowadzającej (9), wykonanej ze szkła borokrzemowego lub kwarcowego, włącza się źródło światła o wymaganej długości fali. W oprogramowaniu dostarczonym wraz z ledowym oświetlaczem światłowodowym (12) można włączać i wyłączać źródło światła (12), jak również kontrolować intensywność emitowanego światła. Podczas reakcji chemicznej z wydzielaniem produktów gazowych zestaw zapewnia możliwość analizy chemicznej w strumieniu przepływającego gazu przez reaktor (4) w urządzeniu zewnętrznym (np. GC-MS), zblocze zaworowe (17) i kapilary (18, 19). Przytwierdzone do stelaża (1), zblocze zaworowe (17) umożliwia skierowanie strumienia gazu wlotowego płynącego wewnątrz kapilary (18) w kierunku reaktora (4) poprzez kapilarę (16), jak również jego pominięcie. Zawartość reaktora może być mieszana za pomocą mieszadła magnetycznego (20), po umieszczeniu dipolu magnetycznego (21) w naczyniu reaktora (4).

Lista oznaczeń:

1. stelaż,

2. radiator reaktora,

3. uchwyt mocujący radiator reaktora,

4. naczynie reakcyjne,

5. nakrętka z uszczelką teflonowo-gumową,

6. kopułka reaktora,

7. wkładka polimerowa do kopułki,

8. wkrętka do kopułki reaktora,

9. borokrzemowa rurka światłowodowa,

10. światłowód,

11. polimerowa tuleja centrująca,

12. ledowy oświetlacz światłowodowy,

13. półki do mocowania oświetlaczy ledowych,

14. uchwyty do koń cówek świ atłowodów,

15. złącze uszczelkowe do reaktora,

16. kapilary stalowe doprowadzające i odprowadzające gaz do reaktora,

17. zblocze zaworowe z zaworami połączonymi w układzie typu bypass,

18. kapilara stalowa wylotowa,

19. kapilara stalowa wlotowa,

20. mieszadło magnetyczne,

21. dipol magnetyczny mieszadła magnetycznego,

22. podstawka pozycjonująca mieszadło magnetyczne,

23. wycięcie w kopułce reaktora,

24. wycięcie w części radiatorowej,

25. gwintowana szyjka reaktora,

26. króćce reaktora,

27. końcówka światłowodu,

28. uchwyt do próbek stałych,

29. próbka stała w formie płytki lub krążka,

30. blok chłodzący z zewnętrznym obiegiem chłodziwa,

31. króćce umożliwiające obieg cieczy pomiędzy blokiem chłodzącym i ultratermostatem.

Claims (9)

1. Zestaw do prowadzenia reakcji fotokatalitycznych zwierający stelaż do którego zamocowane są, układ reaktora połączony za pomocą światłowodu ze źródłem światła, przynajmniej jedno źródło światła do prowadzenia reakcji oraz układ zaworów do kontroli przepływu gazów, znamienny tym, że układ reaktora zawiera część radiatorową (2) przystosowaną do umieszczania naczynia reakcyjnego z króćcami bocznymi, kopułkę układu reaktorowego (6) mającą pierwszą część skonfigurowaną do współpracy z częścią radiatorową (2) i drugą część zwierająca otwór przelotowy do wprowadzania rurki światłowodowej (9), przy czym część radiatorowa (2) i kopułka układu reaktorowego (6) zawierają otwory boczne (24, 23) przystosowane do współpracy z króćcami bocznymi naczynia reakcyjnego, przy czym rurka światłowodowa (9) zawiera pierwszy koniec z otworem przystosowanym do wprowadzania światłowodu i drugi koniec zawierający tuleję centrującą (11) do centrowania światłowodu.

2. Zestaw według zastrz. 1, znamienny tym, że układ zaworów do kontroli przepływu gazów stanowi zblocze zaworowe (17) typu bypass.

3. Zestaw według zastrz. 1, znamienny tym, że drugi koniec rurki światłowodowej (9) jest zamknięty.

4. Zestaw według zastrz. 1, znamienny tym, że kopułka układu reaktorowego (6) w swojej drugiej części zawiera wkładkę polimerową (7) do centrowania rurki światłowodowej (9) w kopułce układu reaktorowego (6).

5. Zestaw według zastrz. 1 albo 2, znamienny tym, że naczynie reakcyjne jest połączone ze zbloczem zaworowym (17) poprzez przynajmniej jedno złącze uszczelkowe (15) i przynajmniej jedną kapilarę (16).

6. Zestaw według zastrz. 1,2 albo 5, znamienny tym, że zblocze zaworowe (17) zawiera wyprowadzenia do łączenia z analizatorem gazów.

7. Zestaw według zastrz. 1 albo 3, znamienny tym, że rurka światłowodowa (9) zawiera na drugim końcu rozłącznie mocowany uchwyt do próbek stałych (28).

8. Zestaw według dowolnego z poprzedzających zastrzeżeń, znamienny tym, że układ reaktorowy umieszczony jest mieszadle magnetycznym (20).

9. Zestaw według dowolnego z poprzedzających zastrzeżeń, znamienny tym, że pomiędzy układem reaktorowym a mieszadłem magnetycznym (20) zawarty jest przepływowy blok chłodzący (30).