Автоматизированная установка для исследования фотокаталитической активности порошковых композиций
AUTOMATED APPARATUS FOR ANALYSING PHOTOCATALYTIC ACTIVITY OF POWDER COMPOSITIONS

Изобретение относится к физической химии, в частности к области фотокатализа, и может быть использовано для исследования сорбционной и фотокаталитической активности порошковых фотокатализаторов путем замены ручного труда исследователя на автоматизированный процесс.
Способы измерения фотокаталитической активности порошковых композиций можно разделить на три группы: хроматографические, фотокалориметрические, узкоспециализированные. Стандартным и наиболее распространенным способом проведения фотокаталитических исследований является определение степени изменения оптической плотности модельного загрязнителя (органического красителя) под воздействием порошкового фотокатализатора. Данный способ имеет высокую точность, но является малоэффективным с точки зрения трудозатрат исследовательского персонала, так как включает в себя набор последовательных ручных стадий проведения исследования: отбор аликвоты пробы, этап очистки измеряемой пробы от частиц фотокатализатора посредством центрифугирования, определение оптической плотности очищенного раствора модельного загрязнителя на фотоэлектрокалориметре.
С одной стороны многостадийность стандартного ручного метода измерения не позволяет получать высокодискретные по времени кинетические кривые фотокатализа, так как время между экспериментальными точками напрямую зависит от минимального времени затраченного исследователем на каждый из этапов измерения.
С другой стороны проведение сравнительных испытаний в нескольких повторностях, при ручном методе измерения, резко повышают трудозатраты исследователя и могут приводить к накоплению субъективных ошибок.
Известно исследование об основных технических и научных проблемах, возникающих при изучении фотокаталитической и сорбционной активности порошковых композиций согласно стандартной методики фотоэлектрокалориметрии (см. Зайцев А.В., Каминский О.И., Макаревич К.С, Пячин С.А. Автоматизированный комплекс для исследования сорбционной и фотокаталитической активности с объединенной реакционной и измерительной частью // Бюллетень научных сообщений. - №22. - 2017. - С. 57-63).
Известен упрочненный фотохимический реактор, в котором непрерывный процесс фотохимической реакции эффективно усиливается (см. Патент на изобретение CN 101337174, МПК B01J 19/12, B01J 8/00, публикация 07.01.2009).
Известен также фотохимический реактор с функцией перемешивания (см. Патент на изобретение CN 206951170, МПК B01J 19/08, публикация 02.02.2018).
Известен фотохимический реактор, включающий рубашку для хладагента, окружающие реакторные трубки (см. Патент на изобретение WO 2018011550, МПК B01J 19/12, публикация 18.01.2018).
Известен термостатируемый высокотемпературный и низкотемпературный фотохимический реактор (см. Патент на изобретение CN 106994324, МПК B01J 19/12, публикация 01.08.2017).
Известные установки снабжены перемешивающими устройствами, оснащены источниками фотостимулирующего излучения, позволяющие I проводить фотохимические реакции при разных температурах. Недостатками известных решений является полное отсутствие автоматизации процесса измерения.
Наиболее близким аналогом заявленного изобретения является многофункциональное фотокаталитическое реакционное устройство, предназначенное для фотокаталитического восстановления углекислого газа, фотолиза воды с целью получения водорода, фотокаталитического разложения органических загрязнителей, фотохимического синтеза. Многофункциональное фотокаталитическое реакционное устройство, состоит из системы циркуляции газа, системы фотореакции, системы разделения, системы источников света и системы измерения. Источником света может быть ультрафиолетовый свет, видимый свет, комбинированный свет расположенный вне кварцевого реактора, свет проникает через кварцевый реактор для возбуждения фотокатализатора для того, чтобы инициировать фотокаталитическую реакцию, фотокатализатор может представлять собой тонкую пленку, которая иммобилизована, вместе с носителем, внутри реактора, или частицы, суспензированные в реакционной жидкости. Реактор пригоден для проведения фотокаталитических реакции «жидкость-твердое вещество», «газ-твердое вещество» и «газ-жидкость - твердое вещество», что способствует изучению динамики фотокаталитического процесса (см. Патент на изобретение CN 102151534, МПК B01J 19/12, B01J 8/00, публикация 17.08.2011), принято за прототип.
Недостатками прототипа являются использование в качестве анализирующего фотокаталитическую активность модуля - дополнительного устройства (газового хроматографа) не сопряженного с механическими и электрическими частями рассматриваемого устройства в процессе автоматизированного измерения, что подразумевает обязательное проведение определенных подготовительных и измерительных этапов, характеризующихся определенными временными промежутками, сумма которых определяет минимальное время между экспериментальными точками на графиках кинетики фотокаталитического процесса, что не позволяет детально исследовать кинетические кривые и дает только общие представления о ходе фотокаталитического процесса, увеличивая время приборного анализа. Увеличение временных трудозатрат исследовательского персонала приводит к накоплению субъективных ошибок.
Задачей, на решение которой направлено заявленное изобретение, является проведение фотокаталитических исследований с использованием одной установки в автоматизированном режиме с параметрами контролируемыми посредством единого программного обеспечения. Данная задача решается за счет того, что в заявленной установке проведено совмещение фотореакционной кюветы с измерительной кюветой.
Технический результат, получаемый при решении поставленной задачи, состоит в повышении технологической и экономической эффективности исследования фотокаталитического процесса при использовании порошкового фотокатализатра и органического красителя в качестве модельного загрязнителя.
Указанный технический результат достигается тем, что согласно изобретению, автоматизированная установка для исследования фотокаталитической активности порошковых композиций, включающая в себя фотореакционные кюветы, заполненные фотокаталитическим раствором, содержащим модельный загрязнитель и фотокаталитический порошок, магнитный якорь, перемешивающее магнитное устройство, систему термостабилизации представляющую собой водный охлаждающий термостат и термостабилизационную ванну, соединенные трубопроводами, светоизолирующие экраны, систему источника фотостимулирующего излучения представляющую собой металлгалогеновые лампы, привод вращения металлгалогеновых ламп и светофильтры, расположенные над фотореакционными кюветами с возможностью регулировки интенсивности спектральных характеристик падающего от металлгалогеновых ламп светового излучения, измерительный модуль анализа фотокаталитической активности порошка представляющий собой лазерный модуль и фотодатчик, при этом фотореакционная кювета объединена с измерительным модулем в единую измерительно фотореакционную кювету, и автоматизированное управление системами и элементами установки осуществляется единым блоком управления посредством программного обеспечения. Кроме этого, процесс измерения оптической плотности фотокаталитического раствора выполняют в отсутствии постороннего светового излучения посредством закрытия светоизолирующего экрана.
Сопоставительный анализ признаков заявленного решения с признаками аналогов свидетельствует о соответствии заявленного решения критерию « новизна».
Использование автоматизированной системы измерения оптической плотности модельного загрязнителя на основе лазерного модуля с узконаправленным световым потоком, способным преодолеть нефелометрическую составляющую фотокаталитического порошка, позволяет исключить проведение дополнительных ручных этапов измерения анализируемой пробы. Таким образом, изобретение имеет «изобретательский уровень».
Изобретение поясняется чертежами:
на фиг. 1 - представлена автоматизированная установка для исследования фотокаталитической активности порошковых композиций, функциональная схема, вид сбоку, поперечный разрез;
на фиг. 2 - представлена автоматизированная установка для исследования фотокаталитической активности порошковых композиций, функциональная схема, вид сверху.
Автоматизированная установка для исследования фотокаталитической активности порошковых композиций состоит из трех взаимоподключающихся модулей: водного охлаждающего термостата 1, неподвижного модуля установки 2, в котором размещены все компоненты установки, кроме металлгалогеновых ламп и подвижного модуля установки 3, в котором размещены металлгалогеновые лампы 14.
Система термостабилизации основана на использовании водного охлаждающего термостата 1, соединенного посредством трубопроводов 4 с термостабилизационной ванной 5 в которую одновременно помещены все измерительно фотореакционные кюветы 6.
Каждая измерительно фотореакционная кювета 6 заполнена фотокаталитическим раствором 7, содержащим модельный загрязнитель и фотокаталитический порошок.
Диспергирование исследуемого порошка и перемешивание фотокаталитического раствора 7 в объеме каждой измерительно фотореакционной кюветы 6 осуществляется с помощью магнитного якорька 8 приводимого в движение перемешивающим магнитным устройством 9.
Измерение оптической плотности фотокаталитического раствора 7 осуществляется посредством фотодатчика 10, оценивающего интенсивность прошедшего через фотокаталитический раствор 7 излучения от лазерного модуля 11. Процесс измерения оптической плотности фотокаталитического раствора 7 осуществляется в отсутствии постороннего светового излучения, достигаемого за счет закрытия светоизолирующего экрана 12, приводимого в движение приводом 13.
Фотокаталитический процесс проводится под воздействием светового излучения генерируемого двумя металлгаллагеновыми лампами 14.
Равномерность светового потока падающего в измерительно фотореакционные кюветы 6 достигается посредством вращения металлгалогеновых ламп 14 вокруг оси 15 приводимой в движение приводом 16.
Регулировка интенсивности спектральных характеристик падающего от металлгалогеновых ламп 14 светового излучения осуществляется посредством установки светофильтров 17 над измерительно фотореакционными кюветами 6.
Автоматизированный контроль и управление элементами установки (1, 9, 10,11, 13, 14, 16) осуществляется блоком управления 18.
На фиг. 2 - представлено взаимное расположение шести измерительно фотореакционных кювет 6 с измерительными блоками на основе лазерного модуля 11 и фотодатчика 10, светоизолирующими экранами 12 относительно подвижного модуля 3 металлгалогеновых ламп 14. Показано взаимное расположение измерительно фотореакционных кювет 6 в термостабилизационной ванне 5 соединенной трубопроводами 4 с водным охлаждающим термостатом 1.
Автоматизированная установка для исследования фотокаталитической активности порошковых композиций работает следующим образом.
Работу устройства можно разделить на 3 этапа: подготовительный, градуировка, этап измерения.
Подготовительный этап.
При включении установки запускается программный код микроконтроллера (на чертеже не показано), который производит поиск и подключение к программному обеспечению на персональном компьютере (на чертеже не показаны), а также запускает водный охлаждающий термостат 1 с выставленной по умолчанию температурой 25°С и отслеживает достижение данной температуры в термостабилизационной ванне 5.
Далее микроконтроллер (на чертеже не показано) подает питание на измерительные лазерные модули 11 с целью стабилизации их оптических характеристик и выхода на рабочую температуру. Время выхода на режим лазерных модулей 11 составляет 3 минуты. В каждую измерительно фотореакционную кювету 6 помещается магнитный якорь 8 с размерами на 5% меньше по длине, чем диаметр измерительно фотореакционной кюветы 6.
Затем запускается перемешивающее устройство 9 с выставленной по умолчанию скоростью перемешивания равной 500 об/мин. На данном этапе проводится заполнение необходимым объемом (250 мл) дистиллированной воды всех измерительно фотореакционных кювет 6 и внесение необходимого количества исследуемого фотокаталитического порошка.
Масса вносимого фотокаталитического порошка индивидуальна и зависит от его плотности и гранулометрических характеристик. Подбор массы фотокаталитического порошка устанавливается эмпирическим путем в предварительном эксперименте на основании того, что диспергированный под действием перемешивающего магнитного устройства 9 фотокаталитический порошок не должен изменять оптическую плотность раствора более чем на 30% от максимальной величины оптической плотности, регистрируемой фотодатчиком 10.
Отображение величин оптической плотности в каждой измерительно фотореакционной кювете 6 при добавлении фотокаталитического порошка с дискретностью в 1 секунду выводится в окно программного обеспечения на вкладку «Внесение пробы». Далее проводится временная выдержка фотокаталитического порошка в условиях перемешивания. Данная выдержка необходима для установления равновесия между седиментацией частиц фотокаталитического порошка и диспергирующим фактором перемешивающего магнитного устройства 9.
Время наступления равновесия индивидуально для каждого внесенного фотокаталитического порошка и подбирается эмпирическим путем. Отслеживание наступления равновесия производится на вкладке окна программного обеспечения - «Седиментация» на основании того что колебания величины оптической плотности в каждой измерительно фотореакционной кювете 6 не должны изменяться более чем на 1% в течение 3 минут. После наступления равновесия во всех измерительно фотореакционных кюветах 6 посредством интерфейса программного обеспечения, запускается режим градуировки.
Градуировка
В качестве модельного загрязнителя используется раствор органического красителя - метиленовый синий (МС). Последовательно в каждую измерительно фотореакционную кювету 6 с помощью пипетки вносится по 1 мл раствора МС с концентрацией, выбранной в зависимости от условий эксперимента. Затем проводится временная выдержка - 30 секунд, для равномерного распределения, за счет работы перемешивающего магнитного устройства 9, МС в объеме фотокаталитического раствора 7.
Далее в окне программного обеспечения на вкладке «Градуировка» необходимо нажать кнопку «Градуировать № X» где X текущее количество добавленных порций МС в каждую измерительно фотореакционную кювету 6. После нажатия кнопки «Градуировать № X» устройство закрывает каждую измерительно фотореакционную кювету 6 светоизолирующим экраном 12, останавливает работу перемешивающего магнитного устройства 9 и в течении 15 сек проводит измерение оптической плотности фотокаталитического раствора 7 посредством лазерного модуля 11 и фотодатчика 10.
После окончания измерения открываются светоизолирующие экраны 12 и запускается перемешивающее магнитное устройство 9, название кнопки изменяется на «Градуировать № Х+1». Описанные этапы повторяются 7 раз (Х=7). После внесения и измерения седьмой градуировочной точки программное обеспечение автоматически пересчитывает величину сигнала фото датчика 10 в концентрацию МС для каждой измерительно фотореакционной кюветы 6. Коэффициенты, градуировочное уравнение и вид кривой градуировки отображаются на вкладке «Градуировка» для каждой измерительно фотореакционной кюветы 6. После окончания градуировки, по мере необходимости, устанавливаются светофильтры 17 между светоизолирующими экранами 12 и измерительно фотореакционными кюветами 6.
Посредством программного обеспечения выставляются: дискретность измерения от 1 до 60 минут с возможным шагом в 1 минуту; время темновой (сорбционной) стадии 0,5 или 1 час; скорость вращения металлгалогеновых ламп 3 над измерительно фотореакционными кюветами 6, от 1 до 5 об/мин с возможным шагом 1 об/мин; время автоматического завершения изменения: от 0,5 до 6 часов с возможным шагом 0,5 часа. Далее нажатием кнопки «Старт» запускается измерение.
Этап измерения
После нажатия кнопки «Старт» светоизолирующие экраны 12 закрываются. В момент измерения на темновой (сорбционной) стадии, устройство в автоматическом режиме останавливает перемешивающее магнитное устройство 9 и определяет величину изменения оптической плотности фотокаталитического раствора 7 посредством лазерного модуля 11 и фотодатчика 10 в течение 15 секунд.
После окончания измерения запускается перемешивающее магнитное устройство 9. По истечении установленного времени темновой (сорбционной) стадии светоизолирующие экраны 12 открываются, подается питание на металлгалогеновые лампы 14 и через 1 минуту запускается привод вращения 16 металлгалогеновых ламп 14 вокруг оси 15.
В момент измерения на световой (фотокаталитической) стадии, устройство в автоматическом режиме останавливает привод вращения 16 металлгалогеновых ламп 14, останавливает перемешивающие магнитное устройство 9 закрывает светоизолирующие экраны 12 для каждой измерительно фотореакционной кюветы 6, определяет величину изменения оптической плотности фотокаталитического раствора 7 посредством лазерного модуля 11 и фотодатчика 10 в течение 15 секунд.
Результаты измерения оптической плотности автоматически пересчитываются по градуировочному уравнению для каждой измерительно фотореакционной кюветы 6 в относительную величину убыли концентрации МС - степень превращения. Степень превращения, выраженная в процентах, отображается численно и графически в окне программного обеспечения.
После окончания единичного измерения для световой (фотокаталитической) стадии, запускается привод вращения 16 металлгалогеновых ламп 14 вокруг оси 15, запускается перемешивающее магнитное устройство 9 и открываются светоизолирующие экраны 12. Согласно заданной дискретности процесс единичные измерения повторяется по вышеописанной последовательности. После ручной или автоматической остановки процесса измерения установка автоматически отключает привод вращения 16 металлгалогеновых ламп 14 вокруг оси 15, отключает металлгалогеновые лампы 14, открывает светоизолирующие экраны 12, останавливает перемешивающее магнитное устройство 9, отключает водный охлаждающий термостат 1, отключает лазерные модули 11, формирует численный и графический отчет по изменению степени превращения МС от времени фотокаталитического процесса.
Преимущества предлагаемой установки по сравнению с аналогичными системами заключаются в:
- получении кинетических зависимостей фотокаталитических (сорбционных) процессов с минимальными инструментальными погрешностями и трудозатратами исследовательского персонала;
- уменьшении временной дискретности между экспериментальными точками на кинетических кривых фотокатализа;
- учете процессов сорбции и саморазложения субстрата; использовании источники фотостимулирующего излучения с разными спектральными характеристиками;
- исследовании процессов, не связанных напрямую с фотокаталитическими явлениями, такими как осаждение порошков, растворение красителей, выделение или растворение осадков.
Использование предлагаемого устройства позволяет повысить технологическую и экономическую эффективность исследования фотокаталитического процесса при использовании порошкового фотокатализатра и органического красителя в качестве модельного загрязнителя.
Предложенная конструкция автоматизированной установки для исследования фотокаталитической активности порошковых композиций может найти применение для исследования самоочищающихся поверхностей, проектирования систем очистки от вредных органических соединений в растворах и газовой фазе, а также поиска фундаментальных закономерностей при производстве водорода путем разложения воды под действием фотокатализаторов.