Способ получения молекулярного синглетного кислорода



Способ получения молекулярного синглетного кислорода
Способ получения молекулярного синглетного кислорода
Способ получения молекулярного синглетного кислорода
Способ получения молекулярного синглетного кислорода

 


Владельцы патента RU 2572413:

Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Физический институт им. П.Н. Лебедева Российской академии наук (RU)

Изобретение относится к квантовой электронике и может быть использовано при разработке кислородно-йодных лазеров, генераторов возбужденных частиц для научных исследований. Молекулярный синглетный кислород (МСК) получают путем облучения излучением с длиной волны 200-310 нм прокачиваемой через реакционную камеру газовой смеси озона, кислорода и газа X, выбранного из He, CO2, SF6, тушащего возбужденный озон O3*, в соотношении к синглетному кислороду более чем k3/k, где k3=5×10-11 см3/с, k - константа скорости тушения в процессе X+O3*→X+O3 в единицах см3/с. Стабилизация озона позволяет уменьшить потери МСК и за счёт этого повысить его выход, а также использовать молекулу озона в последующих циклах наработки МСК. 2 ил., 3 пр.

 

Изобретение относится к квантовой электронике и может быть использовано при разработке кислородно-йодных лазеров, а также генераторов возбужденных частиц для научных исследований.

Электронно-возбужденный молекулярный синглетный кислород O2(1Δ) может быть получен ультрафиолетовым (УФ) фотолизом озона в процессе

Данный процесс имеет два канала продуктов. В первом канале, имеющем коэффициент ветвления 0,9, образуются молекулярный синглетный кислород (МСК) и электронно-возбужденый атом кислорода O(1D). Во втором канале (коэффициент ветвления 0,1) образуются молекула и атом кислорода в основных состояниях.

Известен способ получения молекулярного синглетного кислорода [1], в котором для получения молекулярного синглетного кислорода используется фотолиз озона с длиной волны 200<λ<310 нм. Авторы авторского свидетельства предложили добавлять в смесь озона с буферным газом молекулы N2O с целью увеличения выхода МСК за счет процесса

O(1D)+N2O→O2(1Δ)+N2.

Выход O2(1Δ) в этом процессе близок к единице [2]. Полученный МСК используется либо непосредственно в зоне наработки, либо транспортируется по газовому тракту к месту применения.

В работе [3] предложен проточный генератор МСК с относительно высокой производительностью. Принцип работы генератора основан на реакции (1) и рекомбинационном процессе

где М - третье тело. При поглощении фотона в области длин волн 200<λ<310 нм озон разваливается с образованием преимущественно O2(1Δ) и O(1D). Возбужденные атомы кислорода эффективно тушатся до основного состояния при столкновениях с компонентами смеси

O(1D)+М→O(3Р)+М.

В рекомбинационном процессе (2) происходит восстановление молекул озона. Преимущество данного способа получения МСК в том, что для его работы требуются относительно низкие концентрации озона в исходной смеси, поскольку в этой схеме молекула озона используется в цикле наработки МСК многократно. В работе приводятся результаты расчетов выхода молекулярного синглетного кислорода для потока газа с входными концентрациями озона 5×1016 см-3 и молекулярного кислорода 1018 см-3. Результаты расчетов показывают, что доля молекулярного синглетного кислорода на выходе такого генератора может составить 50%.

Данный способ получения МСК является наиболее близким к заявляемому изобретению и выбран в качестве прототипа. В прототипе не учитывалось, что в реакции рекомбинации атомов кислорода (2) образуется либо электронно-, либо колебательно-возбужденный озон О3* [4], который может эффективно реагировать с молекулярным синглетным кислородом в реакции

с константой скорости реакции k3=5×10-11 см3/с.

На фиг. 1, взятой из работы [5], представлены зависимости интенсивности излучения МСК (I) от времени (t) после импульсного УФ-фотолиза смеси O3-O2-CO2 при давлении кислорода 460 Торр, начальном для нескольких давлений углекислого газа.

Как видно на фиг.1, для смеси O3-O2 (нижняя кривая) относительная концентрация МСК падает со временем почти в три раза из-за его тушения в процессе (3). Экспериментально обнаружено, что скорость тушения МСК в системе кислородно-озоновой смеси замедляется при добавлении в эту смесь компонентов, хорошо тушащих возбужденный озон, таких как углекислый газ и гелий. Например, при добавлении в смесь 13 Торр углекислого газа выход МСК увеличивается более чем в 2 раза по сравнению со смесью, не содержащей этой добавки. И наоборот, добавление слабого тушителя O3*, например Ar, практически не сказывается на скорости тушения МСК [5], [6].

Кроме того, возбужденный озон реагирует с атомарным кислородом в процессе

Данный процесс имеет два канала продуктов реакции. В первом канале продуктов (4а) из системы удаляются сразу молекула O3* и атом O(3P), что в конечном итоге приводит к уменьшению степени восстановления озона. В канале (4б) происходит стабилизация молекулы озона. Константа скорости процесса (4) близка к газокинетической 1,4×10-11 см3/с, причем коэффициент ветвления канала (4а) составляет 0,3 [7].

Таким образом, процесс (3) уменьшает выход МСК в генераторе, предложенном в прототипе. Протекание процесса (4а) приводит к удалению из смеси молекул озона и соответственно к снижению производительности генератора, предложенного в прототипе.

Добавление в исходную смесь компонента X, тушащего возбуждение в озоне, будет приводить к стабилизации озона в процессе

Потери МСК будут незначительными, если скорость процесса (5) будет превышать скорость процесса (3). Это условие будет выполняться, если отношение содержания в смеси компонента [X] к содержанию МСК на выходе генератора будет превышать величину k3/k, где k - константа скорости процесса (5) в единицах см3/с. Отметим, что при выполнении данного условия убыль молекул озона в процессе (4а) будет незначительной, поскольку константа скорости данного процесса ниже, чем для процесса (3).

Целью изобретения является увеличение производительности фотолизного генератора молекулярного синглетного кислорода. Это достигается тем, что в способе получения молекулярного синглетного кислорода, включающим фотолиз кислородно-озоновой смеси с длиной волны излучения из диапазона длин волн от 310 нм до 200 нм, в смесь добавляется газ X (Не, CO2 или SF6), тушащий возбужденный озон О3*, в соотношении к синглетному кислороду более чем k3/k.

На фиг. 2 изображена принципиальная схема фотолизного генератора молекулярного синглетного кислорода. В поток газа О32, идущего от озонатора 1, в смесительном узле 2 подмешивается газ X. Далее смесь газов О32-Х поступает в реакционную камеру 3, где подвергается воздействию излучения из диапазона длин волн 200<λ<310 нм 4. Смесь газов О3-O2-Х-О2(1Δ) с реакционной камеры транспортируется к месту использования. В качестве газа X может быть использованы газы, состоящие из атомов или молекул, эффективно тушащих возбуждение в озоне, например Не, СО2 или SF6.

Пример 1. В узле смешения газов 2 готовится смесь со следующими концентрациями компонент: озона [O3]=3×1016 см-3, кислорода - [O2]=1018 см-3, аргона [Ar]=5×1019 см-3. Значение константы скорости процесса (5) для Ar равно k=10-14 см3/с при Т=300 К [5]. Максимальная концентрация синглетного кислорода, которая может быть достигнута на выходе генератора, находится из соотношения [Ar]/[О2(1Δ)]=k3/k. Отсюда следует, что [O2(1Δ)]=[Ar]k/k3. Деля обе части неравенства на общую концентрацию кислорода, находим долю синглетного кислорода ηΔ=[O2(1Δ)]/[O2], которую можно достичь на выходе генератора: ηΔ=([Ar]/[O2])(k/k3). Подставляя в полученное соотношение вышеприведенные величины, находим ηΔ≤10-2. Таким образом, доля синглетного кислорода на выходе генератора не будет превышать одного процента.

Пример 2. При тех же условиях, что и в примере 1, аргон заменяется на углекислый газ с концентрацией [СО2]=5×1019 см-3. Значение константы скорости процесса (5) для CO2 равно k=2×10-13 см3/с [5]. В этом случае находим, что ηΔ≈0,2. Таким образом, доля синглетного кислорода на выходе генератора может достигать 20%.

Пример 3. При тех же условиях, что и в примере 1, аргон заменяется на гексафторид серы с концентрацией [SF6]=1019 см-3. Значение константы скорости процесса (5) для SF6 равно k=2,7×10-12 см3/с [8]. Для данного примера доля синглетного кислорода составляет ηΔ≈0,54.

Литература

1. Золатарев В.А., Крюков П.Г., Подмарьков Ю.П., Фролов М.П., Юрышев Н.Н. «Способ получения молекулярного синглетного кислорода», Авторское свидетельство SU 1668288 A1, от 27.03.1989.

2. Azyazov V.N., Antonov I.О., Kabir М.Н., Heaven M.C. "Kinetics of O2(а 1Δg) and I(2P1/2) in the photochemistry of N2O/I2 mixtures", J. Phys. Chem. A., 2007, vol.111, p.6592-6599.

3. Дидюков А.И., Краснощеков Ю.И., Кулагин Ю.А., Морозов В.А., Решетняк С.А., Шелепин Л.А. «Фотолизный генератор возбужденного кислорода O2(a 1Δg)», Квантовая электроника, том 9, №4, с.731-738, 1982.

4. Shi J., Barker J.R. "Emission from ozone excited electronic states", J. Phys. Chem., vol.94, 8390-8393, 1990; C.W. vonRosenberg, D.W. Trainor. "Vibrational excitation of ozone formed by recombination", J. Chem. Phys., vol.61, 2442-2456, 1974.

5. Azyazov V.N., Mikheyev P.A., Heaven M.C. "On the O2(а 1Δ) quenching by vibrationally excited ozone", Proc. SPIE 7751, 77510E (2010).

6. Azyazov V.N., Mikheyev P.A., Postell D., Heaven M.C. "O2(a 1Δ) quenching in the O/O2/O3 system", Chem. Phys. Lett. 482 (1-3), 56-61 (2009).

7. West G.A., Jr. Weston R.E., Flynn G.W. "The influence of reactant vibratinal excitation on the O(3P)+O3* bimolecular reaction rate", Chem. Phys. Lett., vol.56, p.429 (1978).

Способ получения молекулярного синглетного кислорода, включающий фотолиз кислородно-озоновой смеси излучением с длинами волн из диапазона от 200 нм до 310 нм, отличающийся тем, что в смесь добавляется газ X (Не, CO2 или SF6), тушащий возбужденный озон O3*, в соотношении к синглетному кислороду более чем k3/k, где k3=5×10-11 см3/с, k - константа скорости тушения в процессе X+O3*→X+O3 в единицах см3/с.



 

Похожие патенты:

Изобретение относится к способу получения водорода низкого давления для последующего сжигания и получения водяного пара с помощью низковольтного электролиза щелочного электролита раствора солей галогенводородных кислот и их смесей постоянным током, с помощью алюминиевых электродов, с дальнейшим извлечением кислорода в отдельный накопитель из образовавшихся алюминиевых комплексов, с поддержанием состава электролита и контролем температуры и давления в электрохимической ячейке.

Изобретение относится к области энергетики и предназначено для производства водорода и кислорода из водяного пара методом термической диссоциации и может быть использовано в сельском хозяйстве, коммунально-бытовой отрасли для работы двигателей внутреннего сгорания и газотурбинных установок.

Изобретение относится к области энергетики и может быть использовано для частичного или полного замещения углеводородного топлива на различных видах транспорта, в отопительных системах жилых и производственных помещений, в генераторах производства пара и для раздельного получения чистого кислорода и водорода для производственных, медицинских и других нужд.

Изобретение относится к способу получения углеводородов, водорода и кислорода с использованием диоксида углерода и воды. Согласно способу насыщают воду диоксидом углерода с получением карбонизированной воды; пропускают карбонизированную воду, по меньшей мере, через один реактор, содержащий катализатор, с осуществлением реакции: n C O 2 + [ 4 n + 2 ( k + 1 ) ] H 2 O = C n H 2 n + 2 + [ 3 n + 2 k + 1 ] H 2 + [ 3 n + k + 1 ] O 2   , где k - целое число, большее или равное 0, n - целое число, большее или равное 1, с получением углеводородов, водорода и кислорода, поступающих далее, по меньшей мере, в один разделитель; по меньшей мере, в одном разделителе отделяют продукты реакции от исходной карбонизированной воды путем сепарации газообразной и жидкой фаз, при этом из жидкой и газообразной фаз выделяют углеводороды, а из газообразной фазы дополнительно выделяют водород и кислород.

Изобретение относится к приводимому в действие электричеством узлу отделения кислорода, включающему в себя по меньшей мере один трубчатый мембранный элемент, имеющий слой анода, слой катода, слой электролита, расположенный между слоем анода и слоем катода, и два слоя токоприемника, расположенные смежными с и в контакте со слоем анода и слоем катода и размещенные на внутренней стороне и наружной стороне упомянутого по меньшей мере одного трубчатого мембранного элемента; комплект проводников, соединенных с одним из двух слоев токоприемника в двух центральных разнесенных местоположениях упомянутого по меньшей мере одного трубчатого мембранного элемента и с другим из двух слоев токоприемника по меньшей мере в противоположных концевых местоположениях упомянутого по меньшей мере одного трубчатого мембранного элемента, разнесенных наружу от упомянутых двух центральных разнесенных местоположений, так что источник питания способен прикладывать электрический потенциал через набор проводников между двумя центральными разнесенными и по меньшей мере двумя противоположными концевыми местоположениями, а вызванный приложенным электрическим потенциалом электрический ток, текущий через упомянутый по меньшей мере один трубчатый мембранный элемент, делится на две части, текущие между двумя центральными разнесенными и противоположными концевыми местоположениями.

Изобретение относится к способам создания дыхательных атмосфер в различных рабочих пространствах, включая тренажерные помещения, медицинские камеры, дыхательные устройства и больничные палаты.

Изобретение относится к способу получения холодного газообразного кислорода и химическому кислородному генератору для его осуществления. .

Изобретение относится к области пожаротушения, а именно к устройствам, действие которых основано на использовании в качестве ингибиторов горения взвешенных высокодисперсных твердых частиц - аэрозоля, образующегося при горении шашки пиротехнического состава и выделяющегося в защищаемый объем.

Изобретение относится к области мембранных технологий и касается устройств, осуществляющих выделение кислорода из смеси газов на керамических мембранах со смешанной ионно-электронной проводимостью. Газохимический мембранный реактор включает модуль из кислородпроницаемых мембран (2), собранный из трубок, выполненных из оксидов со смешанной кислород электронной проводимостью с общей формулой S r 1 − x A x B 1 − y − z B y / M z O 3 − δ , где А=Са, Ва, Ln; x=0-1; В=Со; В/=Fe; y=0-1; М - металлы d и p блоков Периодической таблицы элементов, предпочтительно: Nb, Та, Mo, W; z=0-0.3; a δ является числом, которое обеспечивает нейтральность заряда, края мембран подсодинены к источнику переменного тока, пропускаемого непосредственно через мембраны и нагревающего их. Технический результат - заключается в снижении энергозатратности, уменьшении времени запуска устройства и инерционности при регулировании температурного режима синтеза, увеличении производительности и устойчивости работы газохимического мембранного реактора. 1 з.п. ф-лы, 7 ил.
Наверх