專利名稱：用于光學(xué)增強(qiáng)化學(xué)反應(yīng)的方法和裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種促進(jìn)或增強(qiáng)化學(xué)反應(yīng)的方法，并且涉及一種用于進(jìn)行這樣的光-促進(jìn)或光-增強(qiáng)化學(xué)反應(yīng)的反應(yīng)器或裝置。
在光化學(xué)技術(shù)中使用光促進(jìn)化學(xué)反應(yīng)早就是已知的，例如，人們知道利用光化輻射促進(jìn)聚合反應(yīng)。人們還知道利用選擇某些頻率的光去誘導(dǎo)化學(xué)分解或化學(xué)交換、取代或置換反應(yīng)。
就本申請而言，諸如“促進(jìn)”、“催化激活”和“增強(qiáng)”這些術(shù)語，在打算讓它們表達(dá)激活一化學(xué)物質(zhì)、以便于誘導(dǎo)、保持或促進(jìn)化學(xué)反應(yīng)的范圍內(nèi)，往往是等效的，并且表示反應(yīng)可以部分地或整體地被所提供的具有光能的光子引發(fā)，還表示光子可以在反應(yīng)被光催化劑或其他手段引發(fā)后保持該反應(yīng)，或者表示光子提供了另外某種使化學(xué)反應(yīng)得以繼續(xù)的作用。
在過去，人們業(yè)已認(rèn)識(shí)到許多化學(xué)反應(yīng)涉及到在一個(gè)或多個(gè)分子中存在允許將這種分子分解成為新的化合物的一特定化學(xué)鍵的特殊“開口”。通常，只有在催化基質(zhì)，典型的是過渡金屬或它們的氧化物，特別是鉑族金屬上進(jìn)行這種反應(yīng)，這種反應(yīng)才能比較容易地進(jìn)行下去。據(jù)信這些基質(zhì)的中間作用是激活目標(biāo)電子軌道使反應(yīng)能夠進(jìn)行，而這種基質(zhì)本身并不參加反應(yīng)。這種催化反應(yīng)常常會(huì)因雜質(zhì)而被抑制，指的是摧化基質(zhì)上的活性點(diǎn)被永久鍵合，要不然就是受到“有毒”物質(zhì)的作用。光增強(qiáng)化學(xué)反應(yīng)可以被認(rèn)為是經(jīng)過軌道電子的中間激活或分子物質(zhì)的完全離子化而被催化的反應(yīng)。盡管用于增強(qiáng)化學(xué)反應(yīng)速率的光輻射在工業(yè)中尚未全面推廣開，人們可以將許多聚合工藝列入光增強(qiáng)催化工藝一類。因此，使用光增強(qiáng)化學(xué)反應(yīng)是眾所周知的。
在應(yīng)用光增強(qiáng)化學(xué)反應(yīng)過程中所遇到的問題之一是由于這樣的事實(shí)，即，如果光源包含確實(shí)有益于給定化學(xué)反應(yīng)的波長，而處于這些波長下的光，通過與軌道電子的相互作用、通過分子的離子化或通過連接在各種主體化合物或聚合物主鏈上的基團(tuán)之間的化學(xué)鍵之選擇性斷裂而被反應(yīng)物吸收。這就將這樣的光激活型工藝限制在只能用于相當(dāng)薄的膜，到目前為止一直不能大規(guī)模地進(jìn)行這樣的光激活化學(xué)反應(yīng)或光增強(qiáng)催化反應(yīng)。
因此，本發(fā)明的主要任務(wù)是提供一種改進(jìn)的光增強(qiáng)化學(xué)反應(yīng)的方法。
另一個(gè)任務(wù)是提供一種可以增強(qiáng)化學(xué)反應(yīng)的反應(yīng)器。
本發(fā)明的再一個(gè)任務(wù)是克服早期的光化學(xué)反應(yīng)系統(tǒng)的缺陷，特別是它們僅限用于薄膜這樣的缺陷，以便能夠在反應(yīng)物實(shí)體內(nèi)完成光催化促進(jìn)或增強(qiáng)反應(yīng)，而不是僅僅在它們的薄膜上進(jìn)行。
本發(fā)明的還有一個(gè)任務(wù)是克服已有技術(shù)的反應(yīng)系統(tǒng)和方法的缺陷。
現(xiàn)已發(fā)現(xiàn)在本人的1996年9月30日遞交的、題為“高效化合物拋物線聚光器和光纖供能的管燈發(fā)光器(High efficiencyCompound Parabolic Concentrator and Optical Fiber PoweredSpot Luminaire)”、申請?zhí)枮?8／724，069的同處未決狀態(tài)的美國專利申請和本人當(dāng)前所擁有的、題為“源于光導(dǎo)和光纖的可控光提取器(Controlled Light Extraction from Light Guides and fibers)”的美國專利US5222795中所揭示的某些原理用于促進(jìn)或增強(qiáng)化學(xué)反應(yīng)、以便克服已有技術(shù)的缺陷是極為有利的。更具體地講，本發(fā)明的方法包括以下步驟(a)使反應(yīng)容器中的至少一種化學(xué)反應(yīng)物實(shí)體與至少一種光提取器接觸，該光提取器具有一個(gè)在至少一個(gè)方向上延長的發(fā)射表面并能夠在該光提取器的整個(gè)長度范圍內(nèi)發(fā)光；(b)在所述的容器的外側(cè)的一個(gè)位置產(chǎn)生光并且包括可以促進(jìn)同反應(yīng)物之反應(yīng)的至少一種光頻率的光；以及(c)調(diào)整所產(chǎn)生的光，并將該光頻率的光傳送給光提取器。
該裝置可以是一個(gè)用于進(jìn)行一化學(xué)反應(yīng)的反應(yīng)器，該反應(yīng)器包括一個(gè)接納至少一種化學(xué)反應(yīng)物實(shí)體的容器；至少一個(gè)處在容器上的光提取器，該光提取器具有一個(gè)在至少一個(gè)方向上延長的發(fā)射表面并能夠在其整個(gè)長度范圍內(nèi)發(fā)光，該化學(xué)反應(yīng)物實(shí)體與所述的表面接觸；處在所述的容器的外側(cè)、用于產(chǎn)生光并且包括至少一種可以促進(jìn)與反應(yīng)物之化學(xué)反應(yīng)的光頻率的光的裝置；以及處于用于產(chǎn)生光的裝置和光提取器之間的、用于調(diào)制所產(chǎn)生的光，并將該頻率的光傳送給光提取器的裝置。
根據(jù)本發(fā)明，與反應(yīng)物相容并且可以從中在其整個(gè)長度范圍內(nèi)提取光的光提取器可以具有美國專利US5222795中所描述的構(gòu)造。對幾個(gè)光提取器之間的間隔進(jìn)行選擇，以便優(yōu)化光通量的利用以及光提取器和從其中所發(fā)出的光的頻率的設(shè)計(jì)。所述的間隔的優(yōu)化設(shè)置是根據(jù)反應(yīng)物的吸收光譜做出的。
應(yīng)指出，盡管在已有技術(shù)中業(yè)已提及過某些光激活反應(yīng)，具體講，例如各種聚合物的UV加速聚合，這些光加速反應(yīng)一直限于容易被激活輻射穿透的相當(dāng)薄的層，并且光源損耗極大。光源的損耗是由于這樣一種因素，即從點(diǎn)光源提供大面積的恒定光通量是極為困難的。因此，由于有效傳送和激活作用于反應(yīng)物的輻射源的受控方式的困難，故通過將激活輻射和光調(diào)節(jié)到所涉及的特定分子的激發(fā)電位或反應(yīng)物的特定的化學(xué)鍵對反應(yīng)物的化學(xué)反應(yīng)速率進(jìn)行光控的技術(shù)一直沒有實(shí)用到我們知識(shí)的最高水平。更進(jìn)一步講，使用對反應(yīng)物種的選擇性激發(fā)使得反應(yīng)難以進(jìn)行，或者對于已有技術(shù)是完全不能接受，因此，實(shí)際上應(yīng)提供用于不使用任何催化基質(zhì)的催化反應(yīng)的裝置。
盡管在本發(fā)明的一個(gè)優(yōu)選的實(shí)施例中使用的是美國專利US5，222，795中所描述的提取光纖，或光波導(dǎo)，但是顯然使用其他的光提取器，盡管效率并不是很高，也是可以的。Mori<美國專利US4，460，940；4，471，412和4，822，123>和Cheslak(美國專利US4，765，701)業(yè)已介紹過其他的光提取器。
根據(jù)本發(fā)明的特性，在兩種化學(xué)反應(yīng)物在通過由所產(chǎn)生的光的調(diào)節(jié)引起的那種光頻率的光所允許的化學(xué)反應(yīng)中反應(yīng)時(shí)，這些反應(yīng)物中的至少一種、最好兩種是沿所述的光發(fā)射表面并因此是沿所述的那個(gè)光提取器或那些光提取器通過的?？梢詫碜怨獍l(fā)生器和光調(diào)節(jié)器的光至少部分地通過光波導(dǎo)傳送給光提取器，所產(chǎn)生的光的調(diào)節(jié)可以包括以下步驟，即在光通過光波導(dǎo)之前使用一個(gè)聚光器聚光。所產(chǎn)生的光的調(diào)節(jié)還可以包括使用窄帶通濾光器或分色遮光器，或者能改變或控制光的光譜質(zhì)量的有源光學(xué)裝置。通常，將多個(gè)這樣的提取器設(shè)置在容器中并且由相應(yīng)的光波導(dǎo)提供傳送給提取器的光。
根據(jù)本發(fā)明并且如以下更為詳細(xì)地描述的那樣，所述的那些提取器可以具有帶發(fā)射表面的芯體，而該發(fā)射表面可以僅是該芯體一有限部分上的提取區(qū)。其折射率低于芯體折射率的一覆蓋層可以覆蓋住芯體的非發(fā)射部分。該覆蓋層被選擇得用于改善從芯體提取光并且還可以將覆蓋層用做化學(xué)反應(yīng)物和芯體之間的化學(xué)阻擋層。
按照一種有利的結(jié)構(gòu)，所述的提取器呈條形并且處在至少一個(gè)共平面陣列中或者呈一系列相互平行的板狀。按照另外一種結(jié)構(gòu)，光提取器可以是管狀的，而光被提取送入管的空腔，以便在管狀結(jié)構(gòu)中完成涉及反應(yīng)物流的反應(yīng)。
通過以下參照附圖所作的說明，以上的及其他的任務(wù)、特征和優(yōu)點(diǎn)將變得更為清楚。在這些附圖中

圖1是說明本發(fā)明的原理方框圖；圖2是用于可以帶有不同類型的發(fā)光器或者每一個(gè)反應(yīng)器有獨(dú)立的發(fā)光器的一個(gè)或多個(gè)光反應(yīng)器之發(fā)光系統(tǒng)的示意圖；圖3是顯示根據(jù)本發(fā)明的反應(yīng)器的局部剖開的透視圖；圖4是沿圖3的Ⅳ-Ⅳ線的剖視圖；圖5是沿圖3的Ⅴ-Ⅴ線的剖視圖圖6是串的兩個(gè)管狀化學(xué)反應(yīng)器的透視圖；圖7是通過圖6的反應(yīng)器之一的剖視圖；圖8是通過根據(jù)本發(fā)明包覆線或紗的反應(yīng)器的示意性垂直剖視圖。
圖1示出可以用于本發(fā)明的光化學(xué)反應(yīng)器的一個(gè)典型的發(fā)光系統(tǒng)的方框圖。該方框圖包括一光源11、一光調(diào)節(jié)系統(tǒng)12、光傳輸裝置13和在反應(yīng)器中使用的光提取器14。
光源要選擇得具有在所需要的反應(yīng)中有效的波長，如果需要兩種化合物反應(yīng)，而且，為了使反應(yīng)進(jìn)行，需要某些現(xiàn)有的鍵斷裂或打開，或需要激活參與形成一鍵的特定的電子，這樣的鍵或電子的激活能將對應(yīng)于激活光的波長。在一些情況下，可以利用一廣譜光源<特別是在聚合反應(yīng)中>，在另外一些情況下，非常窄的光譜分布可能是理想的<例如在需要獲得某種分子的激活原子團(tuán)或離子化狀態(tài)而又不使其他的原子團(tuán)被激活或離子化>。在前一種情況，光源可以是高強(qiáng)度放電光源，而在后一種情況，可以是在適合的波長下發(fā)射的激光。顯然，為了從白熾光源<廣譜>獲得一窄光譜分布，可以使用濾光器或色散器件，例如光柵，各種等離子等。后面這些器件可以是光調(diào)節(jié)單元12的一部分，或者光源本身取決于具體的應(yīng)用。
而后，調(diào)節(jié)光并將光導(dǎo)入一束光纖或其他光傳輸器件。光的調(diào)節(jié)可以包括將一個(gè)濾光器或分色鏡置于光源和光傳輸系統(tǒng)之間。光調(diào)節(jié)系統(tǒng)可以包括一個(gè)聚光器，以減小光束的橫斷面，以便能夠使用一較小橫斷面的光傳輸系統(tǒng)。聚光器可以是一適合的透鏡或根據(jù)以上所引用的文獻(xiàn)技術(shù)為一復(fù)合式拋物面聚光器。例如，可以通過設(shè)置一個(gè)適合的反射器<特別是點(diǎn)光源>在光源器件中獲得部分的光調(diào)節(jié)功能。
光傳輸系統(tǒng)13是可以任意選擇的，并且是用在光源和光化學(xué)反應(yīng)器之間存在一定的距離時(shí)。在某些實(shí)施例中，調(diào)節(jié)后的光可以直接與光提取器Ⅰ4耦合。
圖2示出一種典型的發(fā)光系統(tǒng)10。如所能看到的那樣，一個(gè)或多個(gè)光源18和19與一光纖束20耦合，而后，所述的光纖束為各種發(fā)光設(shè)備或光提取器15、16和17供給能量。
光提取器，或者如同我們對它們的稱呼那樣，發(fā)光裝置，是根據(jù)美國專利US5，222，975和其他的未決專利中的技術(shù)制成的。光提取器可以制成固態(tài)管狀17、沿其長度均勻發(fā)光的條形15或完整的板，例如在16處的平面發(fā)光裝置?？梢灾圃爝@樣的發(fā)光裝置，使得它們可以按照相當(dāng)窄的發(fā)射角度(例如在提取器是管狀時(shí))發(fā)光或按照只從形成發(fā)光裝置的波導(dǎo)的一側(cè)以朗伯(Lambertial)分布方式發(fā)光，如圖5所示那樣，或者當(dāng)波導(dǎo)是平的并且光提取區(qū)是簡單地蝕刻在波導(dǎo)上時(shí)，光在波導(dǎo)平面的兩側(cè)被發(fā)射。在某些獨(dú)特的應(yīng)用中，可能需要具有發(fā)光空腔并將光發(fā)射到空腔中以下將對此更為詳細(xì)地描述，在對空腔之中的流動(dòng)材料進(jìn)行光處理時(shí)可以使用這樣的光提取器。
通常，光提取器包括三個(gè)主要組成部分，即一芯體、至少一個(gè)光提取區(qū)和覆蓋層。典型的芯體材料的折射率應(yīng)該大于約1．5，這樣的材料的例子有石英、聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)、聚碳酸酯聚合物、聚苯乙烯和其他光學(xué)透明材料。對于一些非常特殊的應(yīng)用場合，甚至可以使用單晶片，例如可用作薄平面護(hù)套的藍(lán)寶石。光提取器的芯體材料在所要求的光譜范圍內(nèi)最好具有較低的光傳輸損失。
對于許多應(yīng)用場合，光提取器應(yīng)該具有覆蓋其芯體的覆蓋層。這樣的覆蓋層之折射率小于發(fā)光裝置之芯體的折射率。覆蓋層材料通常是硅基聚合物或者有時(shí)候是氟-碳基聚合物，它們的折光率一般為約1．4，對于石英和PMMA來說折光率一般為1．5，而對于聚碳酸酯和聚苯乙烯來說是大約1．6。在某些應(yīng)用場合，可以使用無覆蓋層的光提取器。光提取器，或者至少與反應(yīng)物和它們的反應(yīng)產(chǎn)物相接觸的那些部分通常是用可以承受反應(yīng)物之運(yùn)作環(huán)境的材料制成。因此，對于無覆蓋層的光提取器來說，人們發(fā)現(xiàn)石英是一種好的芯體材料，并且在使用覆蓋層時(shí)可以使用各種氟聚合物，它們包括氟化橡膠(Viton)(杜邦公司(The Dupont Company)生產(chǎn))或THV(TEE／HPF／VDF)三聚合物，由3M有限公司(Corporation)生產(chǎn))。
可以將相應(yīng)的光源18，19設(shè)置在外殼21中，這些光源可以照亮光采集器22，光采集器22可以是工作接入光波導(dǎo)的，即形成光傳輸束的光纖之輸入端23的聚光器，光纖24、25、26從所述的光傳輸束分枝成相應(yīng)的發(fā)光裝置。
在圖3中示出可以在其中進(jìn)行光增催化反應(yīng)的一個(gè)典型的連續(xù)光化學(xué)反應(yīng)器30。在容器31中，一系列平面發(fā)光裝置32在相鄰的發(fā)光裝置之間以自由空間方式定位。在圖4、5中示出貫穿發(fā)光裝置的橫斷面。在這部分描述中，發(fā)光裝置是單向的，光纖在頂端供能給發(fā)光裝置。通常，反應(yīng)物是通過兩個(gè)發(fā)光裝置之間的一多叉管33(跟隨向下的箭頭)被引入而在發(fā)光裝置的另一側(cè)返回向上并通過一多叉管34抽出。饋送多叉管可以包括一系列反應(yīng)物多叉管，以便使反應(yīng)物在反應(yīng)器的上游或反應(yīng)器之內(nèi)混合。
在這個(gè)實(shí)施例中是借助于設(shè)置為光連接器35的一束光纖從適合的光源供給能量。光提取板可以是單向的，也可以是雙向的。在前一種情況，如圖5所示，例如根據(jù)美國專利US5，222，975中的技術(shù)或任何其他適宜的沿這樣的光波導(dǎo)長度從光波導(dǎo)提取光的方法來設(shè)計(jì)光提取條或光提取區(qū)36。光提取區(qū)被直接施加到光波導(dǎo)的芯體上，而后施加覆蓋層。光提取器的背面一側(cè)具有一施加到覆蓋層之外表面上的背平面白色朗伯(Lambertian)反射器。
在需要具有雙向光提取器時(shí)，人們在覆蓋層之前使用蝕刻或研磨光提取器的芯體(表面)作為提取區(qū)36，因此，光是從光提取器的兩面被提取的?？梢允褂帽晨勘车膬蓚€(gè)單向光提取板并利用具有一個(gè)波長的光為上游的表面提供能量，而用具有一個(gè)不同波長或一組不同波長的光為下游光提取器供給能量，這是不證自明的。
在操作過程中，通過供料多叉管33供給反應(yīng)器30適合的反應(yīng)物，該反應(yīng)物在由光提取器件32發(fā)射的光之電磁激發(fā)的影響下化合，以由該反應(yīng)物產(chǎn)生所需要的產(chǎn)品。實(shí)質(zhì)上，該激發(fā)輻射以選擇性地作用于反應(yīng)物分子中的特定軌道或基團(tuán)鍵上，以提供給光誘導(dǎo)催化反應(yīng)?，F(xiàn)在，通過多叉管34收集這個(gè)反應(yīng)的產(chǎn)物，以便進(jìn)行一些附加的工藝過程(例如將產(chǎn)物與未反應(yīng)的產(chǎn)物分離)或后續(xù)處理過程，這些過程包括了在本發(fā)明的若干附加光化學(xué)反應(yīng)器中以串級方式進(jìn)行的若干附加反應(yīng)。
本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)之一是激發(fā)輻射的可控劑量和在較大表面范圍傳送輻射的能力。通常，在光激發(fā)反應(yīng)中所涉及的反應(yīng)物在所需要的光譜范圍內(nèi)將具有較強(qiáng)的吸收能力(否則，電磁輻射和反應(yīng)物之間的相互作用將極小)，并因此由于與這樣的吸收相關(guān)的指數(shù)衰減也難以由點(diǎn)光源對大量材料施加光學(xué)激發(fā)作用。然而，在本發(fā)明中，遮光板(screens)可以按這樣的一種方法定位，使得光可以較好地分布在反應(yīng)物中，避免大部分這樣的指數(shù)衰減。此外，在使用美國專利US5，222，975中所描述的技術(shù)時(shí)，人們可以控制沿光提取器的光提取速率，使之沿反應(yīng)物質(zhì)的軌跡與預(yù)期的劑量要求相匹配，以便進(jìn)一步提高使用光激活工藝的效率。
人們還可以設(shè)想一個(gè)光反應(yīng)器，如圖3所示，在其中，希望進(jìn)行一串級式反應(yīng)，例如，可以將第一組反應(yīng)物引入第一位置(如圖3所示，在反應(yīng)器的頂部)，在該過程中的稍后，而在該循環(huán)的上游部分回流之前，將另一組反應(yīng)物引入反應(yīng)器的底部。此外，如上所述，一雙發(fā)光裝置可以向兩部分串級式反應(yīng)器提供不同光譜合成的激發(fā)輻射。
在圖5中，一纖維束已標(biāo)示為37，它的纖維從光源37和復(fù)合拋物面聚光器38接受適合頻率的光，纖維束36的纖維39通向?qū)χ话咨瓷浔趁?1′設(shè)置的光提取條36。
盡管在圖3-5中反應(yīng)器具有平面光源，顯然，在其中被流體反應(yīng)物通過管之空腔的管狀結(jié)構(gòu)和管本身是由一種光學(xué)材料制成的，光在一點(diǎn)射入該光學(xué)材料并借助于如上所述的光提取裝置沿反應(yīng)區(qū)從該光學(xué)材料中被提取出來。圖6示出這種反應(yīng)器的一個(gè)例子。具體講，串級式光學(xué)反應(yīng)器40包括兩個(gè)由光學(xué)透明材料構(gòu)成的管狀結(jié)構(gòu)41和42。
管狀結(jié)構(gòu)的壁是從中提取光的光波導(dǎo)，制作得足夠厚，允許光在其近端射入。在圖7中示出一貫穿管狀反應(yīng)器41之近端的橫斷面，在其中示出光傳輸芯體43，如同所述那樣該芯體用作激發(fā)光輻射的光波導(dǎo)。在該芯體的外表面涂有光提取區(qū)(該區(qū)在遠(yuǎn)端將聚合為一固體提取區(qū))，該光提取區(qū)涂有覆蓋層44。設(shè)置內(nèi)覆蓋層45的折射率小于芯體的折射率，并且由一種能承受反應(yīng)物通過管狀反應(yīng)器之空腔48流動(dòng)的材料構(gòu)成。
透明的或半透明的氟聚合物可以用于此目的。光纖46借助于一適合的連接器和利用折光率與芯體的折光率相匹配的光學(xué)黏合劑接合于管狀反應(yīng)器的近端。光纖芯體的折光率最好接近管狀結(jié)構(gòu)芯體43的折射率。
一多叉管50接合于管狀反應(yīng)器41的內(nèi)側(cè)以便將大量反應(yīng)物供給光反應(yīng)器(盡管只示出兩個(gè)入口，顯然供料管50還可以具有許多獨(dú)立的加料裝置，每一個(gè)都具有它們自身適合的流量控制裝置)。通過供料管51收集從反應(yīng)器41排出的物料，它可能是所希望的最終產(chǎn)品或是可能需要附加的制造步驟的產(chǎn)品，例如附加的光激活反應(yīng)物，同時(shí)還通過供料管線52將其他的反應(yīng)物輸送給第二反應(yīng)器42。
在操作過程中，借助于由管狀反應(yīng)器的內(nèi)壁發(fā)射的激活輻射使第一反應(yīng)物反應(yīng)，實(shí)際上提供了一種光催化反應(yīng)。為了達(dá)到次級反應(yīng)所希望的程度，要以串級方式重復(fù)反應(yīng)器42中的過程，并可以實(shí)現(xiàn)增加附加反應(yīng)物。每一個(gè)串級排列的反應(yīng)器之動(dòng)力源的波長可以是不同的，以便增強(qiáng)所希望的特定反應(yīng)。
盡管在以上系列的光輔助催化反應(yīng)器中預(yù)期是連續(xù)流動(dòng)過程，顯然批量處理也是可行的，并且不脫離本發(fā)明的實(shí)質(zhì)。例如，人們可以使用在其中如圖2所示那樣提供了一系列管狀光提取器17的反應(yīng)容器。這樣的光提取器可以設(shè)計(jì)得輻射狀的發(fā)射光進(jìn)入該含有反應(yīng)物的容器中并分批地進(jìn)行反應(yīng)。當(dāng)然，也可以按照批量處理方式使用圖3-5中所描述的反應(yīng)器。
因?yàn)樵诒景l(fā)明的光化學(xué)反應(yīng)器中為各種光提取器提供能量的光是通過若干單獨(dú)的光纖傳輸給所述芯體的，所以人們可以提供一系列調(diào)諧光源，其作用或者是同時(shí)催化所希望的反應(yīng)，或者依順序及時(shí)地催化若干個(gè)按順序排列的反應(yīng)。
可以使用本發(fā)明之光催化化學(xué)反應(yīng)器的獨(dú)特反應(yīng)的某些例子不同于標(biāo)準(zhǔn)的加速氧化反應(yīng)，其中，分子氧通過用波長稍高1．25μm的光照射帶有目標(biāo)氧化劑的流動(dòng)氣體就部分地被轉(zhuǎn)化為δ單譜線氧，而δ單譜線氧中高于激發(fā)狀態(tài)的分子氧就從氫和氮分子的光激發(fā)混合物轉(zhuǎn)化為合成氨?？梢允褂帽景l(fā)明的光增強(qiáng)催化方法和反應(yīng)器運(yùn)行的其他反應(yīng)包括烴類的光分餾。另外一些反應(yīng)包括將各種選定基團(tuán)接枝在其他有機(jī)化合物上，或者是在流動(dòng)的大量物質(zhì)中，或者是在現(xiàn)有的表面上，以便賦予這樣的表面以獨(dú)特的性能。
其他的應(yīng)用涉及同位素分離，例如利用這樣一種事實(shí)，即根據(jù)較重的氫物種的這種分子的含量(或它們的缺乏)而含有氘的分子(例如分子氫、水蒸氣或低分子量烴類)的電離電位稍有不同，從帶有氫的物種中分離氘。通過調(diào)節(jié)激活波長可以使帶有氘的化合物之電離電位(通常稍高于較輕的同位素)得以匹配。一種這樣的方法可包括帶有目標(biāo)同位素的分子(并且只有這樣的分子)之電離并且在混合物中具有優(yōu)先與電離的物種反應(yīng)并容易從流動(dòng)的混合物中分離出來的次級物種。例如，人們可以在低溫下進(jìn)行該反應(yīng)，其中，帶有同位素的物種仍然是氣態(tài)(例如帶有氘的甲烷)和使電離物種與氧催化(包括本發(fā)明的光催化)地化合，從而使所得到的水凝結(jié)為富氘冰并將載體甲烷和二氧化碳以氣相分離出來。這樣的工藝將大大地降低在大量核反應(yīng)堆中所使用的重水的成本。
類似的同位素分離技術(shù)可以用于將相對簡單的化合物用作同位素的并在反應(yīng)器的溫度下最好呈氣態(tài)或液態(tài)的元素。這樣一些其他的同位素可包括鈾的同位素，此時(shí)氣態(tài)分子是UF6；或者鈦的同位素，此時(shí)使用TiCl4表示；和許多其他容易獲得揮發(fā)性的或液態(tài)的分子化合物之元素的同位素。此外，分離可以通過在反應(yīng)溫度下為固態(tài)的電離之物種的氧化來進(jìn)行。
例1．光增強(qiáng)化學(xué)接枝在最后的十個(gè)一組的兩組過程中，使用復(fù)合材料做為結(jié)構(gòu)材料的情況業(yè)已增加。工程熱塑性復(fù)合材料是特別優(yōu)越的，但是由于它們沒有與增強(qiáng)纖維形成共價(jià)鍵的反應(yīng)性基團(tuán)使得它們的使用受到限制。當(dāng)增強(qiáng)纖維是聚芳酰胺，例如Kevlar時(shí)特別重要。
圖8示出一個(gè)用于將熱塑性材料涂覆聚芳酰胺纖維并在芳酰胺(aramid)和熱塑性基質(zhì)的第一層之間形成一接枝化學(xué)鍵的系統(tǒng)。在這個(gè)例子中，纖維是Kevlar(Dupont)，熱塑性材料是Lexan121聚碳酸酯(General Electric，片狀)。反應(yīng)器60是一個(gè)容器，最好是一個(gè)真空容器，在其中，其上繞有Kevlar纖維70的輸出卷盤61被設(shè)置在管狀光提取反應(yīng)器62之上方。纖維用涂有Deflon的金屬圈63保持在管狀反應(yīng)器之上的正確位置上。管狀光反應(yīng)器62通過一束石英纖維65由一個(gè)UV光源64供給能量。
聚芳酰胺纖維通過容納在具有一個(gè)被涂覆纖維72從中穿過退出該涂覆系統(tǒng)之底孔71的加熱容器67中的熱塑性材料(將在纖維加強(qiáng)的成品線中做為基質(zhì)的同類型材料)的熔融體66。此時(shí)，被涂覆的聚芳酰胺纖維被收集在收集卷盤68上。
在操作過程中，首先將容器60通過一個(gè)抽真空閥口抽真空至0．01毫米汞柱，而后，在保持真空的同時(shí)通過另一個(gè)引氣口73引入氧氣，使容器內(nèi)的環(huán)境達(dá)到約0．1毫米汞柱的動(dòng)態(tài)氧壓水平。UV反應(yīng)器明顯地增強(qiáng)了通常不活潑的芳酰胺表面上形成懸空氧和可能的其他鍵，并且在被激活的聚芳酰胺纖維通過熔融的聚碳酸酯熱塑性材料時(shí)，形成一共價(jià)鍵，因此增強(qiáng)了負(fù)荷從成品線基質(zhì)向聚芳酰胺纖維轉(zhuǎn)移。從而，實(shí)質(zhì)上，在聚芳酰胺纖維上實(shí)現(xiàn)了熱塑性基質(zhì)的化學(xué)接枝。
例2．長鏈聚合物的裂解在這個(gè)例子中，使用的是圖3和4所述的反應(yīng)器，具有石英光提取板(厚度約2mm，由德國Heraus出品)。提取區(qū)是用氫氟酸通過絲網(wǎng)蠟?zāi)Ｎg刻而成。蠟?zāi)Ｔ诒街腥芙獠⒂卯惐紱_洗。該光提取器涂一THV-200P覆蓋層，使用的是溶解在MEK(甲基-乙基酮)中的TFE／HPF／VDF三聚物(3M Comporation出品)。所使用的光源是CermaxXenon發(fā)光器(由ILC Technology出品)，該發(fā)光器帶有波長范圍在400至450nm的可變楔濾光器(帶寬1nm)和波長低于400nm和高于450nm的阻塞濾光器。圖3和4所描述的系統(tǒng)還在容器的底部配備有泄露孔板，通過該孔板，氫氣緩慢地泄入反應(yīng)容器中。未被使用的氫氣在容器的頂部被收集起來并通過這些圖中未示出的一個(gè)系統(tǒng)再循環(huán)。
業(yè)已發(fā)現(xiàn)，沿聚合物主鏈的鍵能不僅是鍵和參與形成鍵的物種性質(zhì)的函數(shù)，而且還是從聚合物頭到尾長度的遞減函數(shù)。這樣，調(diào)節(jié)光源至光子能量稍低于在聚合物頭和尾處的鍵強(qiáng)度將選擇性地使聚合物在光子能量等于或稍大于中等聚合物鍵之能量的鍵處斷裂，但是不會(huì)使聚合物在接近聚合物頭尾的鍵處斷裂。
原料聚合物是長鏈脂肪烴，本例是正十烷[CH3(CH2)3CH3]。如果我們利用它們從主鏈的每一端之位置，例如，第一個(gè)碳為C1而第n個(gè)為Cn，為沿主鏈的碳原子之間的鍵作出標(biāo)記，我們發(fā)現(xiàn)最強(qiáng)的鍵在鏈中第2個(gè)碳和第3個(gè)碳之間(具體講對于正十烷是3．0069ev)，這個(gè)鍵(C2-C3鍵)在鏈中是最強(qiáng)的。C3-C4鍵的強(qiáng)度比C2-C3鍵小0．2074％，而C4-C5鍵的強(qiáng)度比C3-C4鍵小0．2897％。下一個(gè)鍵是C5-C5鍵，比C4-C5鍵小0．3705％。
在這個(gè)實(shí)施例中，用旋轉(zhuǎn)楔濾光器將光源調(diào)節(jié)到波長為415．8nm。C4-C5鍵的強(qiáng)度對應(yīng)于波長414．39nm(2．992ev)，而C5-C5鍵的強(qiáng)度對應(yīng)于波長415．39nm(2．981ev)。暴露于從提取板發(fā)出的光的正十烷分子大多數(shù)斷裂為兩個(gè)正戊烷分子和一些甲烷(2．947ev的C1-C2鍵弱于C5-C5鍵并出現(xiàn)某種程度的端碳原子的斷裂)。
通常，在大約50℃下輸出流排出，此時(shí)，正十烷仍然處在液相中，但是戊烷和甲烷是氣態(tài)，使得未分解的正十烷容易與戊烷和甲烷的氣態(tài)混合物分離，這些未分解的正十烷被再循環(huán)于反應(yīng)器中的第二過程。同時(shí)氣態(tài)物流在基于水的熱交換器中冷卻至20℃，此時(shí)戊烷被液化，而甲烷以氣態(tài)形式被排出。
不用說，任何種類的長鏈聚合物的選擇性裂解的相同原理都是可以預(yù)料的，只是光源要調(diào)到適合的波長，并聚合物顯示出與沿聚合物主鏈的鍵的位置相類似的變化。類似地，可以調(diào)節(jié)供給化學(xué)反應(yīng)器能量的光源之波長以在更復(fù)雜的結(jié)構(gòu)中使特定的懸空基團(tuán)斷裂。
權(quán)利要求
1．一種用于實(shí)現(xiàn)化學(xué)反應(yīng)的方法，該方法包括如下步驟(a)使反應(yīng)容器中的至少一種化學(xué)反應(yīng)物實(shí)體(body)與至少一個(gè)光提取器相接觸，該光提取器具有一個(gè)在至少一個(gè)方向上延長的并且可以在所述的光提取器長度范圍內(nèi)發(fā)光的發(fā)射表面；(b)在所述的容器的外側(cè)的一個(gè)位置產(chǎn)生光并且所發(fā)出的光包括至少一個(gè)可以促進(jìn)包括所述的反應(yīng)物的化學(xué)反應(yīng)的光頻率；以及(c)調(diào)整所產(chǎn)生的光，以便將所述頻率的光傳送給所述的光提取器。
2．根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于使兩種化學(xué)反應(yīng)物在所述的容器中、在被所述的光頻率的光的促進(jìn)的化學(xué)反應(yīng)中反應(yīng)，所述的方法進(jìn)一步包括使所述的反應(yīng)物質(zhì)中至少一種沿所述的表面通過。
3．根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于所述的光在步驟(b)產(chǎn)生于遠(yuǎn)離所述容器的一位置，所述的方法進(jìn)一步包括使光由所述的位置傳送至所述的容器的步驟，至少有一部分穿過光波導(dǎo)。
4．根據(jù)權(quán)利要求3所述的方法，其特征在于該方法進(jìn)一步包括在光通過所述的波導(dǎo)之前的聚光的步驟。
5．根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于在所述的容器中設(shè)置多個(gè)所述的光提取器，傳送給所述的光提取器的光是由相應(yīng)的光波導(dǎo)提供的。
6．一種用于進(jìn)行化學(xué)反應(yīng)的反應(yīng)器，該反應(yīng)器包括一容納至少一種化學(xué)反應(yīng)物實(shí)體的容器；至少一個(gè)在所述的容器處、具有一個(gè)在至少一個(gè)方向上延長的并且可以在所述的光提取器長度范圍上發(fā)光的發(fā)射表面的光提取器；所述化學(xué)反應(yīng)物的實(shí)體與所述表面相接觸；處在所述的容器的外側(cè)、用于產(chǎn)生光的裝置并且所發(fā)出的光包括至少一種可以促進(jìn)所述反應(yīng)物之化學(xué)反應(yīng)的光頻率之光；以及處在所述的用于產(chǎn)生光的裝置和所述的用于調(diào)制所產(chǎn)生的光的裝置之間的裝置，以便將所述頻率的光傳送給所述的光提取器。
7．根據(jù)權(quán)利要求6所述的反應(yīng)器，其特征在于所述的光提取器包括一帶有光提取區(qū)的芯體和一折射率低于所述芯體之折射率的覆蓋層。
8．根據(jù)權(quán)利要求7所述的反應(yīng)器，其特征在于所述的芯體的折射率大于約1．5。
9．根據(jù)權(quán)利要求7所述的反應(yīng)器，其特征在于所述的芯體由選自包括石英、聚甲基丙烯酸甲酯、聚碳酸酯聚合物和聚苯乙烯的一組材料中的一種材料構(gòu)成。
10．根據(jù)權(quán)利要求7所述的反應(yīng)器，其特征在于所述的覆蓋層是硅基聚合物或者氟碳基聚合物。
11．根據(jù)權(quán)利要求6所述的反應(yīng)器，其特征在于所述的反應(yīng)器帶有多個(gè)提取器，其呈至少一個(gè)平行條(strips)共平面陣列的形式。
12．根據(jù)權(quán)利要求6所述的反應(yīng)器，其特征在于所述的反應(yīng)器帶有呈相互平行的板形的多個(gè)提取器。
13．根據(jù)權(quán)利要求6所述的反應(yīng)器，其特征在于所述的反應(yīng)器還包括用于使所述的反應(yīng)物沿所述的光提取器通過的裝置。
14．根據(jù)權(quán)利要求6所述的反應(yīng)器，其特征在于所述的反應(yīng)器還包括至少一個(gè)處在所述的用于產(chǎn)生光的裝置和所述的光提取器之間的光波導(dǎo)。
15．根據(jù)權(quán)利要求14所述的反應(yīng)器，其特征在于所述的反應(yīng)器還包括至少一個(gè)處在所述的用于產(chǎn)生光的裝置和所述的光波導(dǎo)之間的聚光器。
16．根據(jù)權(quán)利要求6所述的反應(yīng)器，其特征在于在所述的容器中提供多個(gè)所述的光提取器，所述的反應(yīng)器進(jìn)一步包括相應(yīng)的光波導(dǎo)以將每一個(gè)所述的光提取器連接于所述產(chǎn)生光的裝置。
17．根據(jù)權(quán)利要求6所述的反應(yīng)器，其特征在于所述的容器被制成一個(gè)形成所述光提取器的光波導(dǎo)中的腔室。
18．根據(jù)權(quán)利要求17所述的反應(yīng)器，其特征在于所述的容器是由管狀結(jié)構(gòu)制成的，該管狀結(jié)構(gòu)的壁是光波導(dǎo)并且具有向管狀結(jié)構(gòu)的中空部分提取光的若干光提取區(qū)。
19．根據(jù)權(quán)利要求6所述的反應(yīng)器，其特征在于所述的反應(yīng)器進(jìn)一步包括一用于向所述的容器輸送一系列反應(yīng)物的多叉管。
20．根據(jù)權(quán)利要求6所述的反應(yīng)器，其特征在于所述的用于調(diào)整的裝置包括至少一個(gè)濾光器。
21．根據(jù)權(quán)利要求6所述的反應(yīng)器，其特征在于所述的用于調(diào)整的裝置包括至少一個(gè)分色鏡。
22．根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于所述的反應(yīng)物是其上被接枝一化合物的聚合物，進(jìn)一步使所述的聚合物承受由所述的光提取器發(fā)射的所述頻率光的照射，以便激活所述的聚合物并且將所述的化合物涂到被激活的聚合物上。
23．根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于所述的化學(xué)反應(yīng)是長鏈聚合物的裂解。
24．根據(jù)權(quán)利要求6所述的反應(yīng)器，其特征在于所述的化學(xué)反應(yīng)是將一個(gè)化合物接枝到聚合物上，所述的反應(yīng)器包括用于使所述的聚合物通過所述的容器的裝置和用于將所述的化合物涂到所述的聚合物上的裝置，從而使得所述的聚合物承受由所述的光提取器發(fā)射的光照射，以便激活所述的聚合物。
25．一種管狀光提取器，該光提取器與一光源連接并沿具有在至少一個(gè)方向上延長的若干發(fā)光表面的至少一個(gè)圓筒狀表面設(shè)置，以及可以在光提取器的一長度范圍內(nèi)發(fā)光。
26．根據(jù)權(quán)利要求25所述的管狀光提取器，其特征在于所述的表面之一是一內(nèi)表面，而該內(nèi)表面形成一個(gè)可以接納一反應(yīng)物的容器，該反應(yīng)物經(jīng)受被由所述的表面之一發(fā)射的光增強(qiáng)的化學(xué)反應(yīng)。
全文摘要
利用一適合頻率的光來完成化學(xué)反應(yīng),所述的光最好經(jīng)由光纖提供給一個(gè)或多個(gè)具有與反應(yīng)物接觸的發(fā)光表面的光提取器。光在傳輸之前可以被聚集?？梢栽谌萜髦性O(shè)置若干波導(dǎo)和一系列這樣的光提取器。
文檔編號F21V7/00GK1289399SQ99802543
公開日2001年3月28日 申請日期1999年1月25日 優(yōu)先權(quán)日1998年1月29日
發(fā)明者A·Z·赫德 申請人:蓋茨技術(shù)國際公司