ПРОТОЧНАЯ ЯЧЕЙКА ДЛЯ ПРОВЕДЕНИЯ ХИМИЧЕСКИХ РЕАКЦИЙ

Полезная модель относится к области прикладных исследований, направленных на оптимизацию условий протекания химических реакций, для удешевления и упрощения условий проведения химических реакций получения, утилизации или переработки различных химических соединений. Полезная модель позволяет снижать энергию активации химических реакций, что позволяет проводить химические реакции с большей эффективностью без приложения дополнительной энергии, например, при более низких температурах, при более низких концентрациях субстратов, что актуально, например, при переработке или инактивации отходов, или с менее эффективными, но более доступными катализаторами, например, в случаях, когда существующий катализатор очень дорог или является токсичным.
В основу принципа действия предлагаемой полезной модели положено физическое явление, известное как расщепление Раби, которое наблюдается при помещении исследуемого образца в резонаторную ячейку и выполнении условий резонанса между собственной электромагнитной модой резонаторной ячейки и электронными или колебательными переходами молекул образца, и выражается в расщеплении энергетических уровней химических связей в молекулах образца. В результате образуются два новых энергетических уровня, с энергией выше и ниже изначальной, что позволяет понизить энергию, необходимую для прохождения химических реакций. Таким образом, по своему эффекту это схоже со снижением энергии активации химических реакций, которое традиционно достигается применением различных катализаторов.
Известен способ модификации свойств молекул образца и устройство для его осуществления, описанные в патенте [1]. Известное устройство состоит из прибора для генерации и детекции электромагнитного излучения и резонаторной ячейки, состоящей из двух отражающих структур, расстояние между которыми можно изменять в широком диапазоне с высокой точностью, что необходимо для изменения собственной электромагнитной моды резонаторной ячейки и достижения условий резонанса между электронными или колебательными переходами молекул образца.
Известно, что для достижения максимального расщепления Раби необходимо достижение максимальной силы связывания локализованного электромагнитного поля ячейки и среднего дипольного момента молекул образца, которая достигается при пространственной ориентации дипольного момента в одном направлении. Этот эффект достигается применением известной подложки для связывания ориентированным образом молекул образца, описанной в патенте [2]. Известная подложка представляет собой листы производных графена, на поверхности которых иммобилизованы группы, которые могут пространственно-ориентированным образом связывать меченные молекулы образца.
Оба упомянутых выше аналога имеют общие недостатки. Прежде всего они предназначены только для модификации свойств иммобилизованных образцов в твердой фазе, что не позволяет использовать известные аналоги для изменения свойств образцов в больших объемах, а также не позволяет работать с образцами в жидкой или газообразной формах. Кроме того, известные аналоги не позволяют эффективно проводить химические реакции, так как не предполагают возможности отведения продуктов реакции из реакционной смеси, то есть из ячейки, что приводит к ингибированию прямой реакции ее продуктами, а также не обеспечивает притока новых молекул субстрата, что также снижает эффективность реакции. Также стоит отметить, что в описанных аналогах не предусматривается наличие катализатора, который мог бы увеличивать эффективность прохождения химических реакций.
Известен проточный химический реактор, описанный в патенте [3], который представляет собой проточную микрофлюидную ячейку, которая содержит тонкую пленку для нагрева реакционной среды и увеличения эффективности прохождения химической реакции. К недостаткам известного решения стоит отнести то, что для ускорения химической реакции применяется только нагревание, что не является достаточным для эффективного протекания химических реакций.
Известен проточный химический реактор, описанный в заявке [4], который представляет собой емкость из керамических пластин, на поверхности которых находится отвержденный катализатор. Также данный химический реактор выполнен с возможностью нагрева рабочей зоны, для повышения эффективности прохождения химических реакций. Однако, в описанном решении для повышения эффективности химических реакций используются только катализаторы и нагрев реакционной смеси, что также не является достаточным для эффективного протекания химических реакций.
В результате поиска прототипа обнаружено не было.
Техническим результатом предлагаемой полезной модели является повышение эффективности прохождения химических реакций, протекающих в жидкой или газообразной среде, за счет достижения условий резонанса между собственной электромагнитной модой отражающих структур предлагаемой проточной ячейки и электронным или колебательным переходом молекул субстрата реакции и/или катализатора реакции, иммобилизованного в проточной ячейке, а также пространственной ориентации дипольного момента молекул субстратов, в комплексе с поступлением субстратов и отведением продуктов реакции.
Технический результат достигается тем, что предложена проточная ячейка для проведения химических реакций, состоящая из двух прозрачных пластин, расположенных параллельно друг-другу, причем на нижнюю поверхность верхней прозрачной пластины нанесен отражающий материал, а нижняя прозрачная пластина на своей верхней поверхности содержит канал прямоугольной формы, на поверхность которого нанесен отражающий материал, поверх которого нанесен катализатор, при этом глубина канала и толщина отражающего материала выполнены так, чтобы собственная электромагнитная мода резонаторной проточной ячейки, образованной двумя упомянутыми пластинами, совпадала с известным электронным или колебательным переходом молекул субстрата химической реакции или катализатора, кроме того, сами прозрачные пластины зафиксированы вместе с помощью двух крепежных пластин, которые имеют отверстия для возможности прохождения электромагнитного излучения внутрь проточной ячейки, а на нижней из крепежных пластин закреплен хотя бы один магнит, который служит для создания магнитного поля внутри проточной ячейки.
Существует первый частный случай, в котором в качестве отражающего материала применяют пленки металлов и/или фотонные структуры.
Существует второй частный случай, когда отражающий материал покрыт прозрачной пленкой толщиной от 10 до 200 нм.
Существует третий частный случай, характеризующийся тем, что фотонные структуры представляют собой диэлектрик из органического или неорганического материала.
Существует четвертый частный случай, когда в качестве катализатора применяются благородные металлы, полупроводники, неорганические соединения, а также органические соединения, например, белки, иммобилизованные на поверхности отражающего материала.
Существует пятый частный случай, в котором магниты закреплены на поверхности крепежной пластины с возможностью регулировки их положения относительно канала проточной ячейки, в продольном, поперечном, а также вертикальном направлениях.
Предлагаемая полезная модель служит для увеличения эффективности протекания химических реакций, путем изменения свойств молекул субстрата, при их прохождении через проточную ячейку, или изменения свойств катализатора, расположенных внутри ячейки. Проточная ячейка состоит из двух параллельных прозрачных пластин, на поверхность которых нанесен отражающий материал. Верхняя прозрачная пластина выполнена плоской, а в нижней прозрачной пластине на ее верхней поверхности создан проточный открытый канал прямоугольной формы, а отражающий материал нанесен на нижнюю грань этого канала. Поверх отражающего материала нанесен катализатор, который катализирует заданную химическую реакцию. Будучи совмещенными, две пластины образуют резонаторную проточную ячейку, собственная электромагнитная мода которой определяется расстоянием между слоями отражающего материала нанесенного поверх прозрачных пластин, т.е. фактически глубиной канала, изготовленного в нижней прозрачной пластине, и толщиной слоя отражающего материала. В обычных условиях, когда условие сильной связи между собственной электромагнитной модой резонаторной ячейки и молекулами субстрата или катализатора не достигается, химическая реакция протекает с обычной скоростью и эффективностью. Однако, если условие сильной связи реализовано, то это вызывает расщепление энергетических уровней (так называемое расщепление Раби) соответствующих химических связей молекул субстрата или энергетических уровней молекул катализатора, что снижает энергию активации реакции и делает прохождение реакции менее энергозатратным. Если расщепления энергетических уровней больше энергии активации соответствующей реакции, то реакция в данных условиях может протекать без внешнего притока энергии, то есть самопроизвольно. Наличие магнитного поля внутри ячейки позволяет пространственно ориентировать дипольные моменты молекул субстрата в одном направлении, что позволяет повысить средний дипольный момент ансамбля молекул субстрата и увеличить силу связи с собственной электромагнитной модой ячейки, а, следовательно, и увеличить расщепление энергетических уровней молекул субстрата. Для реализации магнитного поля на нижней крепежной платине, закреплены постоянные магниты, перемещая которые можно изменять направление и интенсивность магнитного поля внутри канала.
На фиг. 1 представлен конкретный пример проточной ячейки для проведения химических реакций. Цифрами обозначены следующие элементы: нижняя прозрачная пластина - 1; отражающий материал, нанесенный на нижнюю прозрачную пластину - 2; катализатор - 3; верхняя прозрачная пластина - 4; отражающий материал, нанесенный на верхнюю прозрачную пластину - 5; магнит - 6; крепление магнита - 7; нижняя крепежная пластина - 8; отверстие для прохождения электромагнитного излучения в нижней крепежной пластине - 9; отверстия для крепления нижней крепежной пластины - 10; верхняя крепежная пластина - 11; отверстие для прохождения электромагнитного излучения в верхней крепежной пластине - 12; отверстия для крепления верхней крепежной пластины - 13.
-1
2
5
2
4
2
Функционирование предлагаемой проточной ячейки раскрывается на примере проведения реакции разложения этанола на этилен и воду, катализируемой оксидом алюминия. Для этого была изготовлена проточная ячейка, состоящая из следующих элементов: в качестве верхней отражающей поверхности использовано плоское покровное стекло размером 24×36 мм и толщиной 200 мкм, с нанесенным слоем из серебра толщиной 50 нм; в качестве нижней отражающей поверхности использовано плоское покровное стекло размером 24×36 мм и толщиной 200 мкм, на поверхности которого изготовлен проточный канал длиной 36 мм, шириной 6 мм и глубиной 3 мкм. На поверхность канала нанесен слой серебра толщиной 50 нм, а поверх него слой оксида алюминия толщиной 10 нм. В результате создания канала такой глубины расстояние между отражающими поверхностями таково, что собственная электромагнитная мода проточной ячейки совпадает с колебательным переходом С-ОН связи в молекуле этанола, равной 1630 см, т.е. выполняется условия резонанса и происходит расщепление энергетического уровня С-ОН связи. На нижней крепежной пластине, выполненной из пластика, закреплены два магнита, так чтобы создать внутри резонаторной ячейки напряженность магнитного поля равную 1 Тл, что необходимо для пространственной ориентации дипольных моментов молекул субстрата в одном направлении, для повышения среднего дипольного момента ансамбля молекул этанола и увеличения силы связи с собственной электромагнитной модой ячейки, а, следовательно, и усиления расщепления энергетического уровня С-ОН связи в молекулах этанола. Верхняя крепежная пластина, также выполнена из пластика. Предлагаемая проточная ячейка, собранная из двух описанных выше отражающих пластин, с помощью крепежных пластин устанавливается на устройстве для генерации и детекции электромагнитного излучения. В качестве контроля использовалась проточная ячейка аналогичной конструкции, но без магнитов, а также проточная ячейка с магнитами, у которой расстояние между отражающими структурами было 7 мкм, т.е. условие образования сильной связи не выполнялось. Этанол прокачивался через ячейки с помощью перистальтического насоса со скоростью 30 мкл в минуту, в течение 1 минуты. Эксперимент проводился при комнатной температуре. В результате в проточной ячейке должна проходить химическая реакция разложения этанола на этилен и воду: СНОН→СН+НО, которая в нормальных условиях проходит только при нагреве реакционной смеси до 300°С и с применением оксида алюминия в качестве катализатора. Продукты реакции анализировались с помощью газового хроматографа. В результате было показано, что в проточной ячейке, в которой условие сильной связи не выполнялось, этилен не детектировался; в проточной ячейке без магнитов КПД реакции составил 10±2%, в пересчете на прокачанный этанол, а в предложенной проточной ячейке порядка 16±2%.
Таким образом, предложенная проточная ячейка позволяет повысить эффективность прохождения химических реакций, за счет снижения энергии активации реакций. Это актуально для разработки технологий по переработке или утилизации соединений, а также для упрощения и удешевления синтеза химических соединений. Предложенное устройство позволяет изменять реакционную способность субстратов реакции или каталитическую активность катализаторов, что дает возможность использовать более низкие концентрации субстратов реакции, а также более доступные, но менее активные катализаторы, без снижения общей эффективности прохождения химических реакций. Принцип действия и конструкция предложенной проточной ячейки подходит как для научных исследований, направленных на разработку новых катализаторов или проведение новых химических реакций, так и для практических работ по отработке технологических процессов синтеза или утилизации различных соединений.
Источники информации
1. Набиев И.Р., Мочалов К.Е., Ракович Ю.П., Соколов П.М. Довженко Д.С., Мезин А.В. Способ модификации свойств молекул образца и устройство для его осуществления. Патент РФ RU 2666853 С1.
2. Набиев И.Р., Соколов П.М. Самохвалов П.С., Довженко Д.С., Ракович Ю.П. Подложка для связывания ориентированным образом молекул образца для последующей модификации свойств молекул образца. Патент РФ RU 190370 U1.
3. Yoshihiro K., Naotsugu О. Compact chemical reactor and chemical reaction system. Патент США US 7175817 B2.
4. Chowdary K., Sonja T. Chemical reactor and fuel processor utilizing ceramic technology. Заявка на патент США US 20030194363 A1.