Фотокаталитический реактор, содержащий несколько фотокаталитических элементов
Изобретение относится к трем вариантам реакторной установки. Согласно одному из вариантов установка содержит корпус реакторной установки и несколько цилиндрических элементов реакторной установки с неподвижным слоем катализатора, расположенных внутри корпуса реакторной установки и окружающих по меньшей мере один источник света, размещенный в корпусе, при этом каждый из элементов реакторной установки содержит корпус и плазмонный фотокатализатор на оптически прозрачной подложке катализатора, расположенной внутри корпуса элемента, плазмонный фотокатализатор содержит катализатор, соединенный с плазмонным материалом, имеющим плазмонную резонансную частоту, для ускорения требуемой химической реакции, при этом подложка катализатора выполнена в виде неподвижного слоя, по существу заполняющего весь корпус элемента реакторной установки, при этом корпус элемента реакторной установки является оптически прозрачным и содержит по меньшей мере одно устройство ввода для подачи реактанта в элемент реакторной установки и по меньшей мере одно устройство вывода для извлечения продукта каталитического превращения из элемента реакторной установки; причем при применении по меньшей мере одного источника света каждый элемент реакторной установки выполнен с возможностью превращения реактанта в продукт каталитического превращения. Также изобретение относится к способу. Реакторная установка является эффективной и экологически приемлемым решением для многих современных промышленных процессов. 4 н. и 43 з.п. ф-лы, 16 ил.
Область техники, к которой относится изобретение Взаимосвязанные заявки
По настоящей заявке испрашивается приоритет по заявкам США на выдачу патента и ее содержание полностью раскрыто в них, при этом используются следующие ссылки: предварительная заявка на патент США №62/525,301, поданная 27 июня 2017 г., предварительная заявка на патент США №62/525,305, поданная 27 июня 2017 г., предварительная заявка на патент США №62/525,380, поданная 27 июня 2017 г., и предварительная заявка на патент США №62/586,675, поданная 15 ноября 2017 г.
Кроме того, вышеперечисленные заявки включены в следующий документ посредством ссылки: Международная патентная заявка №PCT/US 18/32375, поданная 11 мая 2018 г., Патентная заявка США №15,977,843, поданная 11 мая 2018, и международная патентная заявка №(подлежит назначению), озаглавленная «Элемент реактора с проницаемым корпусом» и поданная вместе с этой.
Область техники
Настоящее изобретение в целом относится к реакторным установкам, имеющим, по меньшей мере, один источник света и элементы реактора, каждый из которых включает в себя оптически прозрачный корпус и один или несколько плазмонных фотокатализаторов на подложке катализатора, расположенной внутри корпуса.
Уровень техники
Промышленные процессы в значительной степени зависят от гетерогенных катализаторов, предназначенных для химического производства и уменьшения загрязнения окружающей среды. Эти процессы часто зависят от металлических наночастиц, рассредоточенных в развитой поверхности удерживающих их материалов, одновременно повышающих каталитическую активность поверхности, а также для более рентабельного использования катализаторов (таких как палладий, платина, рутений или родий). Каталитические процессы с использованием наночастиц из переходных металлов энергетически интенсивны в отношении высоких температур и давлений к каталитической активности. Таким образом, существует потребность в эффективных и рентабельных каталитических установках.
СУЩНОСТЬ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Авторы изобретения создали эффективные реакторные установки, в которых используется искусственный или естественный источник света. Реакторные установки в соответствии с настоящим изобретением могут быть выполнены так, чтобы увеличить поглощение одной волны или волн с несколькими длинами и/или способствовать протеканию необходимой химической реакции. Таким образом, реакторные установки могут быть эффективными и экологически приемлемыми решениями для многих современных промышленных процессов.
Таким образом, в одном аспекте настоящее изобретение обеспечивает реакторную установку, которая включает в себя корпус реакторной установки и, по меньшей мере, один элемент реактора, расположенный внутри корпуса реакторной установки. По меньшей мере, один элемент реактора включает корпус и плазмонный фотокатализатор на подложке катализатора, расположенной внутри, по меньшей мере, одного корпуса элемента, при этом корпус элемента реактора является оптически прозрачным и содержит, по меньшей мере, одно устройство ввода для подачи реактанта в, по меньшей мере, один элемент реактора и, по меньшей мере, одно устройство вывода для извлечения продукта каталитического превращения из, по меньшей мере, одного элемента реактора. Элемент реактора выполнена с возможностью превращения реактанта в продукт каталитического превращения только при использовании, по меньшей мере, одного источника света.
Согласно другому аспекту настоящее изобретение предусматривает концентратор солнечного излучения и фотокаталитический элемент реактора, расположенный относительно концентратора солнечного излучения так, чтобы увеличить воздействие электромагнитного излучения на фотокаталитический элемент реактора.
В еще одном аспекте настоящее изобретение обеспечивает способ для превращения, по меньшей мере, одного реактанта, в по меньшей мере, один продукт каталитической реакции. Способ включает: (а) распределение, по меньшей мере, одного реактанта в несколько элементов реактора, расположенных внутри корпуса реакторной установки, при этом каждый элемент реактора имеет оптически прозрачный корпус и плазмонный фотокатализатор на подложке катализатора, расположенной внутри оптически прозрачного корпуса элемента, (б) освещение посредством, по меньшей мере, одного источника света внутреннего пространства корпуса реакторной установки для инициирования каталитической реакции в нескольких элементах реактора с целью превращения, по меньшей мере, одного реактанта в, по меньшей мере, один продукт каталитического превращения, и (с) сбор, по меньшей мере, одного продукта каталитического превращения из нескольких элементов реактора.
КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ
Прилагаемые чертежи представлены для обеспечения понимания технической сущности способов и устройств, включены в настоящее описание и составляют его часть. Чертежи не обязательно выполнены в масштабе, и размеры отдельных элементов могут быть изменены для наглядности и/или изображены в более упрощенном виде, чтобы способствовать пониманию изобретения. Чертежи иллюстрируют один или несколько вариантов изобретения и вместе с описанием позволяют объяснить принципы и процессы технического решения.
Фиг. 1А - вид сбоку в поперечном разрезе элемента реактора согласно одному варианту осуществления изобретения;
Фиг. 1 В - изображение фотокаталитического элемента в перспективе и в разобранном на части виде в соответствии с одним вариантом изобретения;
Фиг. 2А - изображение в перспективе и сбоку конструктивного выполнения реакторной установки в соответствии с одним вариантом осуществления изобретения;
Фиг. 2 В - изображение в перспективе и сбоку в разобранном виде реакторной установки, отображенной на фиг. 2;
Фиг. 3А - вид сбоку в поперечном разрезе варианта конструктивного выполнения элемента реактора в соответствии с одним вариантом осуществления изобретения.
Фиг. 3В - вид с торца в поперечном разрезе варианта конструктивного выполнения элемента реактора, отображенного на фиг. 3А;
Фиг. 4А - вид сбоку в поперечном разрезе варианта конструктивного выполнения элемента реактора в соответствии с одним вариантом осуществления изобретения;
Фиг. 4В - вид с торца в поперечном разрезе варианта конструктивного выполнения элемента реактора, отображенного на фиг. 4А.
Фиг. 5А - вид сбоку в поперечном разрезе варианта конструктивного выполнения элемента реактора в соответствии с одним вариантом осуществления изобретения.
Фиг. 5В - вид с торца в поперечном разрезе варианта конструктивного выполнения элемента реактора, отображенного на фиг. 5А;
Фиг. 6 - вид в поперечном разрезе варианта конструктивного выполнения элемента реактора, имеющего подложку катализатора в гранулированной форме.
Фиг. 7А - вид с торца в поперечном разрезе варианта конструктивного выполнения реакторной установки с фотокаталитическими элементами согласно одному из случаев осуществления изобретения;
Фиг. 7В - вид с торца в поперечном разрезе варианта конструктивного выполнения реакторной установки с фотокаталитическими элементами в соответствии с одним из случаев осуществления изобретения;
Фиг. 7С - вид с торца в поперечном разрезе варианта конструктивного выполнения реакторной установки с фотокаталитическими элементами согласно одному из случаев осуществления изобретения;
Фиг. 7D - вид с торца в поперечном разрезе варианта конструктивного выполнения реакторной установки с фотокаталитическими элементами согласно одному из случаев осуществления изобретения;
Фиг. 8 - вид в перспективе варианта конструктивного выполнения реакторной установки, имеющей концентратор солнечного излучения в соответствии с одним случаев осуществления изобретения.
ОСУЩЕСТВЛЕНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ Перед характеристикой установок и способов следует упомянуть, что изложенные аспекты не ограничены конкретными вариантами изобретения, конструктивным выполнением или расположением элементов и могут быть изменены. Также следует понимать, что используемая терминология предназначена только для описания конкретных аспектов и, если специально не указано в данном документе, не предназначена для ограничения.
Во всем описании, если контекст не требует иного, слова «содержат» и «включают» и варианты (например, «содержит», «содержащий», «включает», «включающий») следует понимать как включение упомянутого компонента, характерной особенности, элемента или интервала или группы компонентов, характерных особенностей, элементов или интервалов, но не исключение другого компонента, характерной особенности, элемента или интервала или группы компонентов, характерных особенностей, элементов или интервалов.
Используемые в описании и приложенной формуле изобретения, формы единственного числа (при использовании следующих артиклей в англоязычном тексте: «а», «an» и «the») включают множество определяемых объектов, если из контекста явно не следует иное.
Используемый здесь термин «связь» включает в себя физическую, электронную, тепловую или оптическую связь одного элемента с другим элементом.
Интервалы значений могут быть выражены в данной заявке как от «около» одного конкретного значения и/или до «около» другого конкретного значения. Когда диапазон выражен таким образом, другой вариант изобретения включает в себя от одного конкретного значения и/или до другого конкретного значения. Аналогично, когда значения выражены в виде приблизительных значений с использованием предшествующего «около», будет понятно, что конкретное значение образует другой вариант. Далее будет понятно, что конечные показатели каждого из диапазонов имеют отношение как по отношению к другому конечному показателю, так и независимо от другого конечного показателя.
Все проценты, соотношения и пропорции в данной заявке являются массовыми, если не указано иное. Массовый процент (мас. %) компонента, если не определено иное, основан на общей массе композиции, в которую включен компонент (например, на общем количестве материала катализатора).
В соответствии с настоящим техническим решением способы и активные материалы, охарактеризованные в заявке, могут быть осуществлены специалистом в данной области техники для удовлетворения желаемых нужд. В целом, раскрытые установки, способы и устройства обеспечивают улучшение фотокаталитических процессов и материалов. Настоящее изобретение обеспечивает реакторную установку, которая включает в себя корпус реакторной установки, имеющий внутреннюю поверхность, которая может быть, по меньшей мере, частично светоотражающей. Реакторная установка также включает в себя, по меньшей мере, один элемент реактора, расположенный внутри корпуса реакторной установки. По меньшей мере, один элемент реактора включает корпус и плазмонный фотокатализатор на подложке катализатора, расположенной внутри, по меньшей мере, одного корпуса элемента реактора. Корпус элемента реактора является оптически прозрачным и включает в себя, по меньшей мере, одно устройство ввода для подачи реактанта в, по меньше мере, один фотокаталитический элемент реактора и, по меньшей мере, одно устройство вывода для извлечения продукта каталитического превращения из, по меньшей мере, одного фотокаталитического элемента реактора. Реакторная установка дополнительно включает в себя, по меньшей мере, один источник света, который может быть расположен внутри корпуса реакторной установки и/или снаружи нее.
В целом реакторная установка выполнена так, чтобы обеспечивать освещение фотокаталитических элементов источником света, который сам может включать один или нескольких отдельных источников света. Один из вариантов осуществления реакторной установки по настоящему изобретению изображен в поперечном разрезе на Фиг. 2А. Конструктивные элементы этой реакторной установки 200 также представлены при ее изображении в разобранном виде на Фиг. 2В. В этом варианте осуществления, по меньшей мере, один элемент реактора 100 и, по меньшей мере, один источник света 220 расположены внутри корпуса установки реактора 230. Реакторная установка 200 дополнительно содержит фитинги реактора 240, которые могут быть дополнительно соединены с другой установкой (например, другой установкой, используемой для реакции преобразования). Несколько других вариантов осуществления реакторной установки по настоящему изобретению изображены на Фиг. 3А-3В, 4А-4В и 5А-5В. В некоторых вариантах осуществления, как показано на Фиг. 7A-7D, реакторная установка может иметь несколько источников 220 света и/или средств терморегулирования 250.
По одному из вариантов осуществления фитинги 240 реактора могут содержать реакторный распределитель жидкости (для подачи) и реакторный коллектор жидкости (для вывода). Может быть использован любой реакторный распределитель или коллектор для жидкости, известный в данной области техники. Например, реакторный распределитель или коллектор для жидкости может быть подобен тем, которые описаны в патенте США №4788040 (включен сюда посредством ссылки), при этом отверстия распределителя и коллектора будут соответствовать конструкции фотокаталитических элементов реактора. В некоторых вариантах осуществления внутренние поверхности (то есть обращенные к фотокаталитическим элементам реактора) реакторного распределителя и/или коллектора жидкости могут быть светоотражающими.
По одному из вариантов осуществления изобретения, по меньшей мере, один источник света может быть удлинен и расположен соосно вдоль центральной продольной оси корпуса реакторной установки. В других вариантах осуществления, по меньшей мере, один источник света может включать, по меньшей мере, один светодиод, металлогалогенную лампу, натриевую лампу высокого давления, ксеноновую лампу, лампу накаливания, люминесцентную лампу, галогенную лампу, газоразрядную лампу высокой интенсивности, лазер или их комбинация. В дополнительном варианте осуществления изобретения, по меньшей мере, один источник света может включать в себя, по меньшей мере, одну «Корн Коб» светодиодную лампу (известное из уровня техники светодиодное устройства «Corn Cob LED» названо так из-за сходства по форме с початком кукурузы), имеющую множество светодиодов, расположенных вдоль ее длины.
По другому варианту осуществления изобретения, по меньшей мере, один фотокаталитический элемент реактора может быть удлиненным и может иметь круглое поперечное сечение. В этом варианте осуществления изобретения, по меньшей мере, один элемент реактора может быть расположен параллельно или даже соосно с, по меньшей мере, одним источником света. Например, в дополнительном варианте осуществления изобретения, по меньшей мере, один источник света может быть расположен соосно в корпусе реакторной установки, а, по меньшей мере, один элемент реактора содержит несколько фотокаталитических элементов, расположенных вокруг, по меньшей мере, одного источника света.
По одному из вариантов корпус реакторной установки имеет круглое или многоугольное поперечное сечение. В одном варианте осуществления изобретения корпус реакторной установки может иметь внутренний диаметр в диапазоне от около 12 см до около 128 см. Корпус реакторной установки может также иметь внутренний диаметр в диапазоне от около 24 см до около 72 см. Каждый из нескольких фотокаталитических элементов реактора имеет диаметр в диапазоне от около 2 см до около 4 см в соответствии с одним из вариантов осуществления изобретения. Количество фотокаталитических элементов реактора составляет, например, от 12 до 24.
По другому варианту осуществления изобретения корпус реакторной установки может иметь внутренний диаметр в диапазоне от около 12 см до около 18 см. Как изображено на Фиг. 4А-4В, каждый из нескольких элементов реактора может иметь диаметр около 2 см, а количество элементов реактора может составлять, например, от 50 до 100. В дополнительном варианте осуществления изобретения, изображенном на Фиг. 5А-5В, каждый из нескольких элементов реактора может иметь диаметр около 1 см, а количество элементов реактора составляет, например, по меньшей мере, 100 элементов реактора.
В одном варианте осуществления изобретения, изображенном на Фиг. 7В, реакторная установка включает, по меньшей мере, одну ось 255, которая расположена соосно корпусу реакторной установки и внутри него. По меньшей мере, одна ось может иметь светоотражающую внешнюю поверхность. В этом варианте осуществления изобретения несколько элементов реактора и несколько источников света расположены параллельно и вокруг, по меньшей мере, одной оси, например, в чередующемся порядке. В дополнительном варианте осуществления изобретения, по меньшей мере, одна ось 255 может быть полой и иметь впускное устройство на первом конце и выпускное устройство на втором конце, при этом, по меньшей мере, одна ось 255 сконструирована для обеспечения возможности протекания жидкости через нее для терморегулирования реакторной установки, при этом теплоноситель является, по меньшей мере, частью средства терморегулирования 250. В альтернативном варианте осуществления изобретения, по меньшей мере, одна ось включает металлический стержень и/или металлические провода для обеспечения теплообмена.
В другом варианте осуществления изобретения реакторная установка имеет корпус реакторной установки с внутренней поверхностью, связанной, по меньшей мере, с одним источником света. Реакторная установка дополнительно имеет, по меньшей мере, один элемент реактора, расположенный внутри корпуса реакторной установки. По меньшей мере, один элемент реактора включает корпус и плазмонный фотокатализатор на подложке катализатора, расположенной внутри, по меньшей мере, одного корпуса элемента реактора. Корпус элемента реактора является оптически прозрачным и включает в себя, по меньшей мере, одно устройство ввода для подачи реактанта в, по меньшей мере, один элемент реактора и, по меньшей мере, одно устройство вывода для извлечения продукта каталитического превращения из, по меньшей мере, одного элемента реактора. Реакторная установка может включать, по меньшей мере, одну ось, имеющую светоотражающую внешнюю поверхность и расположенную внутри корпуса реакторной установки. В одном варианте осуществления изобретения, по меньшей мере, одна ось расположена соосно внутри корпуса реакторной установки.
В некоторых случаях выполнения изобретения в качестве источника света используют источник солнечного света. В качестве примера источник света может включать электромагнитное излучение солнца, другой звезды или нескольких других светоизлучающих небесных светил. В этом случае реакторная установка может включать концентратор солнечного излучения для обеспечения энергией света фотокаталитического элемента реактора, который может быть частью реакторной установки, содержащей несколько таких фотокаталитических элементов реактора.
Реакторная установка, функционирующая от источник солнечного света, может включать концентратор солнечного излучения, такой как отражатель или преломлятель, и фотокаталитический элемент реактора, расположенный относительно концентратора солнечного излучения, чтобы увеличить попадание электромагнитного излучения на фотокаталитический элемент реактора. Согласно одному примеру выполнения концентратор солнечного излучения содержит рефлектор, такой как параболоцилиндр, параболическое зеркало, отражатель Френеля, компактный линейный отражатель Френеля (CLFR), солнечную электростанцию башенного типа, пластинчатый солнечный коллектор, коллектор на основе вакуумированных труб или другой тип отражателя. Согласно другому варианту концентратор солнечного излучения содержит преломлятель, такой как линза (например, линза Френеля).
Фиг. 8 иллюстрирует один вариант осуществления изобретения, в котором концентратор солнечного излучения представляет собой параболоцилиндр 800. Как изображено, параболоцилиндр 800 содержит зеркальную поверхность 800 параболической формы, изогнутую по математически определенной фокальной линии, которой отражается падающее электромагнитное излучение солнца (или другого источника света). Параболоцилиндр 800 также содержит механизм крепления 804, такой как подставка, рама, основание или другое средство для прикрепления параболоцилиндра 800 к объекту, такому как Земля (включая объект на Земле), транспортное средство, небесное тело или спутник, например. Элемент фотокаталитического реактора расположен так, чтобы быть практически выровненным вдоль его центральной оси (то есть продольной оси для удлиненного цилиндрического элемента реактора) к фокальной линии параболоцилиндра.
Несмотря на то, что на Фиг. 8 изображен только один параболоцилиндр 800 с одним фотокаталитическим элементом реактора, в некоторых вариантах осуществления изобретения может быть более одного параболоцилиндра с одним фотокаталитическим элементом (расположенным так, чтобы обеспечить в значительной степени выравнивание вдоль его центральной оси к фокальной линии, по меньшей мере, одного из нескольких параболоцилиндров), один параболоцилиндр с более чем одним фотокаталитическим элементом реактора (расположены так, чтобы быть по существу параллельными вдоль их центральных осей к фокальной линии параболоцилиндра), при нескольких параболоцилиндров с несколькими фотокаталитическими элементами реактора (каждый из которых расположен, по существу, параллельно вдоль их центральной оси к фокальной линии, по меньшей мере, одного из нескольких параболоцилиндров).
В качестве альтернативы параболоцилиндру 800, изображенному на Фиг.8, концентратор солнечного излучения может содержать параболическую тарелку с фотокаталитическим элементом реактора, расположенного по существу в фокусе параболического зеркала. Параболическое зеркало может, например, содержать несколько светоотражающих зеркальных частей, расположенных рядом с другими соответствующими частями параболического зеркала с образованием матрицы.
В качестве другого варианта, концентратор солнечного излучения может содержать отражатель Френеля, при этом фотокаталитический элемент реактора расположен так, чтобы быть по существу выровненным вдоль его центральной оси с фокальной линии отражателя Френеля. Отражатель Френеля может содержать, например, компактный линейный отражатель Френеля (CLFR).
В качестве еще одного примера концентратор солнечного излучения может содержать солнечную электростанцию башенного типа, выполненную для приема сфокусированного электромагнитного излучения от матрицы подвижных отражателей.
При таком конструктивном выполнении фотокаталитический элемент реактора расположен в фокусе матрицы подвижных отражателей солнечной электростанции башенного типа в соответствии с одним вариантом осуществления изобретения.
Также могут использоваться другие варианты выполнения концентратора солнечного излучения, содержащего отражатели. Пластинчатый солнечный коллектор и/или коллектор на основе вакуумированных труб может быть использован в некоторых случаях выполнения.
В качестве варианта осуществления для концентратора солнечного излучения может быть использован преломлятель. Например, концентратор солнечного излучения может содержать преломляющую линзу с элементом фотокаталитического реактора, расположенного в фокусе преломляющей линзы. Например, концентратор солнечного излучения может содержать линзу Френеля, при этом фотокаталитический элемент реактора расположен в фокусе линзы Френеля.
В вышеописанных вариантах осуществления изобретения определенные солнечные концентрирующие и/или фокусирующие элементы, такие как параболоцилиндр 800 и другие, могут образовывать корпус реакторной установки или, по меньшей мере, часть этого корпуса, как описано здесь иным образом. В качестве альтернативы такие солнечные концентрирующие и/или фокусирующие элементы могут располагаться внутри отдельного корпуса реакторной установки, такого как, по меньшей мере, частично оптически прозрачный.
Для всех вариантов осуществления источников солнечного света, описанных выше, концентратор солнечного излучения может быть преимущественно ориентирован так, чтобы по существу увеличить интенсивность электромагнитного излучения, падающего перпендикулярно к концентратору солнечного излучения. В одном варианте осуществления изобретения концентратор солнечного излучения по его длине ориентирован по направлению с севера на юг, а реакторная установка может дополнительно содержать управляемую компьютером систему измерения излучения Солнца для изменения положения концентратора солнечного излучения, чтобы поддерживать оптимальный угол падения электромагнитного излучения на концентратор солнечного излучения. В общем, любой из альтернативных вариантов концентратора солнечного излучения, описанных выше, может управляться для отслеживания движения солнца (или другого источника света), чтобы по существу увеличить интенсивность электромагнитного излучения, падающего перпендикулярно к концентратору солнечного излучения.
Для, по меньшей мере, некоторых из вариантов осуществления источников солнечного света, описанных выше, фотокаталитический элемент может преимущественно иметь, по меньшей мере, часть внутренней поверхности корпуса светоотражающей (например, зеркальной), чтобы отражать свет обратно на подложку катализатора 120 (см. например, Фиг. 1А). Например, внутренняя часть / внутренняя поверхность корпуса фотокаталитического элемента реактора напротив может отражаться концентратором солнечного излучения от фотокаталитического элемента реактора. Корпус фотокаталитического элемента реактора должен быть в большей степени оптически прозрачным, по крайней мере, в направлении к концентратору солнечного излучения.
Несмотря на то, что были охарактеризованы несколько случаев выполнения источников солнечного света для реактора, возможны и другие варианты, и предполагается, что они входят в объем прилагаемой формулы изобретения.
Кроме того, варианты осуществления изобретения, описанные выше, могут быть применены с источниками света, не являющимися солнцем, включая как естественные, так и искусственные (то есть электрические) источники света.
Как указано выше, реакторная установка включает один или несколько элементов реактора. Элементы реактора согласно настоящему изобретению имеют оптически прозрачный корпус, содержащий, по меньшей мере, одно устройство ввода и, по меньшей мере, одно устройство вывода; и один или несколько плазмонных фотокатализаторов на подложке катализатора, расположенной внутри корпуса элемента. Как правило, плазмонный фотокатализатор содержит катализатор, соединенный с плазмонным материалом, например, посредством физического, электронного, термического или оптического взаимодействия. Элементы реактора по настоящему изобретению конструктивно выполнены так, что при использовании источника света осуществляется превращение, по меньшей мере, одного реактанта в, по меньшей мере, один продукт каталитического превращения.
В традиционных реакторах с неподвижным слоем катализатора не является оптически прозрачными слой катализатора (то есть свет не проникает в слой катализатора). Напротив, в соответствии с некоторыми вариантами осуществления изобретения, по меньшей мере, подложка является оптически прозрачной. В других вариантах осуществления элементы реактора дополнительно или альтернативно содержат корпус, который является оптически прозрачным. В некоторых вариантах осуществления изобретения оптически прозрачный корпус имеет коэффициент пропускания, по меньшей мере, равный 50% для волны света определенной длины. Например, в некоторых вариантах осуществления изобретения оптически прозрачный корпус имеет коэффициент пропускания от около 50% до около 100% для волны света заданной длины; или, по меньшей мере, 55%, или, по меньшей мере, 60%, или, по меньшей мере, 70%, или, по меньшей мере, 80%, или, по меньшей мере, 90%, или, по меньшей мере, 95%, или коэффициент пропускания для волны света заданной длины составляет даже, по меньшей мере, 98%.
Преимущественно оптически прозрачный корпус в соответствии с некоторыми вариантами осуществления изобретения может иметь низкое тепловое расширение. Таким образом, в одном варианте осуществления изобретения оптически прозрачный корпус содержит материал, имеющий линейный коэффициент теплового расширения (СТЕ) менее чем около 1×10-4°К-1. В другом варианте осуществления оптически прозрачный корпус содержит материал, имеющий СТЕ, менее чем около 1×10-5°К-1; или СТЕ менее чем около 5×10-6°К-1; или СТЕ менее чем около 3×10-6°К-1; или даже СТЕ менее чем приблизительно 1×10-6°К-1. Например, некоторые типовые материалы с приемлемыми значениями СТЕ включают следующие, но не ограничиваются ими: боросиликатное стекло при 3,2×10-6°К-1, стекло PYREX® при 3,2×10-6°К-1, кварц от около 0,59×10-6°К-1 до около 9×10-6°К-1, сапфир 5,3×10-6° К-1 и плавленый кварц при 0,55×10-6°К-1.
Специалисту в данной области техники очевидно, что может быть использован любой материал, имеющий необходимый коэффициент пропускания для волны света заранее определенной длины (или волн в диапазоне длин) и/или коэффициента теплового расширения (СТЕ). В некоторых вариантах осуществления изобретения оптически прозрачный корпус содержит стекло, боросиликатное стекло, кварц, плавленый кварц, алюмосиликатное стекло, литиево-алюмосиликатное стекло, сапфир или их комбинации.
В одном варианте осуществления изобретения оптически прозрачный корпус элемента реактора является оптически прозрачным со всех сторон корпуса. Но специалисту в данной области техники должно быть понятно, что в варианте осуществления изобретения оптически прозрачный корпус может не быть оптически прозрачным со всех сторон корпуса. Например, внешняя полость оптически прозрачного корпуса может включать светоотражающую поверхность, обращенную к центральной полости (которая может быть оптически прозрачной).
Фотокаталитические элементы реактора по техническому решению также предусматривают один или нескольких плазмонных фотокатализаторов, содержащих катализатор, соединенный с плазмонным материалом, например, посредством физической, электронной, термической или оптической связи. Без ограничения теорией считается, что плазмонный материал действует как оптическая антенна, способная поглощать свет благодаря особенному взаимодействию света с плазмонными материалами и, в результате, генерирует сильное электрическое поле на плазмонном материале и около него (т.е. в результате коллективных колебаний электронов в плазмонном материале). Это сильное электрическое поле на плазмонном материале и около него обеспечивает соединение катализатора с плазмонным материалом, даже когда катализатор и плазмонный материал разделены на расстояние до около 20 нм или более.
Главным образом, плазмонный материал может представлять собой любой металл, металлический сплав, металлоидный элемент или его сплав. В некоторых вариантах осуществления изобретения плазмонный материал выбран из следующих: золота, сплава золота, серебра, сплава серебра, меди, медного сплава, алюминия или алюминиевого сплава. В настоящем техническом решении термин «сплавы» предполагает охват любой возможной комбинации металлов. Например, сплавы могут быть двухкомпонентными, такими как AuAg, AuPd, AuCu, AgPd, AgCu и т.д. или они могут быть трехкомпонентными сплавами или даже четырехкомпонентными сплавами.
В некоторых вариантах осуществления изобретения плазмонный материал содержит оксидную пленку, окружающую неоксидируемую центральную часть. В одном или нескольких вариантах осуществления изобретения оксидная пленка может быть образована самостоятельно/приобретена при воздействии воздуха или воды на металл или сплав. Например, медный плазмонный материал может иметь оболочку из оксида меди (например: CuO или Cu2O), окружающую медную центральную часть, или алюминиевый плазмонный материал может иметь оболочку из оксида алюминия, окружающую алюминиевую центральную часть (сердцевину). В некоторых вариантах изобретения оксидная пленка может быть, по меньшей мере, частично искусственно создана, например, путем искусственного увеличения толщины пленки, которая образована самостоятельно/ приобретена применением соответствующих химических методов или путем химического синтезированная или другого нанесения оксидного материала вокруг предварительно сформованного плазмонного материала. В некоторых вариантах осуществления оксидная пленка может иметь толщину до около 30 нм, или до около 25 нм, или до около 15 нм. В некоторых вариантах оксидная пленка может иметь толщину, по меньшей мере, около 0,5 нм, или, по меньшей мере, 1 нм, или, по меньшей мере, 1,5 нм. В некоторых вариантах осуществления изобретения оксидная пленка имеет толщину в диапазоне от около 0,1 нм до около 5 нм; или от около 0,1 нм до около 30 нм; или от около 1 нм до около 5 нм; или от около 1 нм до около 30 нм.
Специалисту в данной области техники очевидно, что размер, форма и химическая структура плазмонного материала будут влиять на поглощение одной волны или волн нескольких длин. Таким образом, плазмонный материал или материалы могут быть выполнены так, чтобы увеличить поглощение волн необходимой длины (или спектра, или волн в диапазоне длин, например, чтобы распознавать необходимую длину волны, но при этом материал должен поглощать относительно меньшее количество волн других длин). В другом примере плазмонный материал по настоящему изобретению может быть изготовлен для обеспечения протекания желаемой химической реакции. Таким образом, в некоторых вариантах осуществления изобретения плазмонный материал может иметь плазмонную резонансную частоту или максимум оптического поглощения от ультрафиолетовой до инфракрасной области электромагнитного спектра. В некоторых вариантах осуществления плазмонный материал имеет плазмонную резонансную частоту видимого излучения спектра (например, при длине волны в диапазоне от около 380 нм до около 760 нм).
В целом материал катализатора, связанный с плазмонным материалом, может представлять собой любое соединение, способное обеспечивать протекание требуемой химической реакций (например, даже если он не был связан с плазмонным материалом). Например, катализатор может быть способен к реакции окисления и восстановления, реакциям восстановления нормальных показателей по загрязнениям воды или воздуха, разложения NOx и N2O, обеспечивает протекание реакции гидрирования, таких как гидрирование ацетилена, конверсию диоксида углерода водяным паром с получением моноксида углерода (которая может сочетаться с гидрогенизацией для создания углеводородов с использованием реакция Фишера-Тропша) и обеспечивает протекание реакции активации азота, включая синтез аммиака. В некоторых вариантах осуществления изобретения катализатор может представлять собой любой металл или металлоидный элемент и любой сплав, оксид, фосфид, нитрид или комбинацию из указанных элементов. Например, катализатор может содержать каталитически активный палладий, платину, рутений, родий, никель, железо, медь, кобальт, иридий, осмий, титан, ванадий, индий или любую их комбинацию. Катализатор согласно настоящему изобретению может содержать любой сплав, оксид, фосфид или нитрид каталитически активного палладия, платины, рутения, родия, никеля, железа, меди, кобальта, иридия, осмия, титана, ванадия или индия. В некоторых вариантах изобретения катализатор содержит каталитически активное железо или медь. В некоторых вариантах осуществления изобретения катализатор по может представлять собой интерметаллические наночастицы, наночастицы сердцевина-оболочка или полупроводниковые наночастицы (например, Cu2O).
В некоторых вариантах изобретения катализатор может быть физически соединен плазмонным материалом, в то время как в других вариантах выполнения изобретения катализатор может быть отделен небольшим промежутком от плазмонного материала (но все же соединен с ним, например, через физическую, электронную, тепловую), или оптическую связь). Разделение может быть осуществлено либо с помощью свободного пространства (то есть отчетливое физическое разделение) либо разделение может быть осуществлено тонким оксидным слоем, описанным выше. Например, плазмонный материал и катализатор могут быть разделены небольшим промежутком, когда они изготовлены литографическими методами, чтобы иметь отчетливое физическое разделение. В одном или нескольких вариантах осуществления небольшой промежуток может быть до около 30 нм, или до около 25 нм, или до около 15 нм. В некоторых вариантах осуществления изобретения разделение может составлять, по меньшей мере, около 0,5 нм или, по меньшей мере, 2 нм, или, по меньшей мере, 5 нм, или, по меньшей мере, 10 нм. В некоторых вариантах осуществления изобретения один или несколько катализаторов могут быть физически прикреплены к поверхности одного плазмонного материала, что может увеличить площадь поверхности для протекания реакций. В некоторых вариантах изобретения катализатор может образовывать пленку, которая окружает плазмонный материал.
Плазмонные фотокатализаторы могут иметь диаметр в диапазоне от около 5 нм до около 300 нм. В некоторых вариантах изобретения плазмонный фотокатализатор может иметь диаметр в диапазоне от около 10 нм до около 300 нм; или от около 50 нм до около 300 нм; или от около 80 нм до около 300 нм; или от около 100 нм до около 300 нм; или от около 5 нм до около 250 нм; от около 10 нм до около 250 нм; или от около 50 нм до около 250 нм; или от около 80 нм до около 250 нм; или от около 100 нм до около 250 нм; или от около 5 до около 200 нм; от около 10 нм до около 200 нм; или от около 50 нм до около 200 нм; или от около 80 нм до около 200 нм; или от около 100 нм до около 200 нм; или от около 80 нм до около 200 нм.
Фотокаталитические элементы реактора согласно, по меньшей мере, некоторым вариантам изобретения также включают один или несколько плазмонных фотокатализаторов, распределенных на подложке катализатора. Как и в случае корпуса, в некоторых вариантах осуществления изобретения подложка катализатора имеет низкое поглощение и, в частности, достаточно низкое поглощение (для волны конкретной длины излучения или волн с диапазоном длины), при этом реактанты подвергаются достаточному воздействию освещения, что приводит к необходимой каталитической реакции для фотокаталитического элемента конкретной формы.
Специалисту в данной области техники очевидно, что материал, имеющий желаемые поглощение или пропускание для волны определенной длины (или спектра, или волн с диапазоном длины), может быть использован в качестве подложки катализатора. В некоторых вариантах осуществления изобретения подложка катализатора содержит диоксид кремния, кварц, плавленый кварц, стекло, боросиликатное стекло, алюмосиликатное стекло, литиево-алюмосиликатное стекло, сапфир, алмаз или их комбинации. Подложка катализатора по настоящему изобретению может быть любой формы, известной в данной области техники, например в форме гранул, микропористых гранул, волокон, сфер, таблеток, цилиндров (полых или иных), сот, или симметричной или асимметричной три-четырехлепестковой формы (например, с использованием методов экструзии или таблетирования). Например, Фиг.6 отображает вид в поперечном сечении подложки катализатора с формой гранул. В некоторых вариантах осуществления изобретения подложка катализатора может быть аэрогелем. Подходящие аэрогели включают, но не ограничиваются аэрогелями на основе диоксида кремния, аэрогелями на основе оксида алюминия, аэрогелями на основе диоксида титана, аэрогелями на основе диоксида циркония, аэрогелями на основе оксида гольмия, аэрогелями на основе оксида самария, аэрогелями на основе оксида эрбия, аэрогелями на основе оксида неодима(III) или их комбинацию. В некоторых вариантах осуществления изобретения подложкой катализатора по настоящему изобретению является аэрогель на основе диоксида кремния. Специалисту в данной области техники очевидно, что когда подложной катализатора является аэрогель, плазмонный фотокатализатор может быть распределен по всему аэрогелю (например, плазмонный фотокатализатор может быть внедрен в аэрогель). В некоторых вариантах осуществления изобретения подложка катализатора может представлять собой прозрачный оксид алюминия в виде кристаллов (такой как α-фазный оксид алюминия или γ-фазный оксид алюминия).
Плазмонный фотокатализатор может присутствовать на носителе катализатора в любом количестве, необходимом для желаемого использования. Например, плазмонный фотокатализатор может присутствовать на подложке катализатора в количестве между от около 0,01 мас. % и около 30 мас. %; или около 0,01 мас. % и около 80 мас. %; или около 10 мас. % и около 80 мас. %; или около 0,01 мас. % и около 70 мас. %; или около 10 мас. % и около 70 мас. %. В некоторых вариантах осуществления плазмонный фотокатализатор может присутствовать на носителе катализатора в количестве между около 0,01 об. % и около 30 об. %; или около 0,01 об. % и около 20 об. %; или около 10 об. % и около 50 об. %; или около 0,01 об. % и около 70 об. %; или около 10 об. % и около 70 об. %.
В конкретном варианте выполнения изобретения плазмонный фотокатализатор может присутствовать на подложке катализатора в виде тонкого покрытия на внешней поверхности подложки (например, в виде одного или нескольких слоев). В одном или нескольких вариантах осуществления изобретения слой плазмонного фотокатализатора, который нанесен на подложку, может иметь длину до около 30 нм, или до около 25 нм, или до около 15 нм; или, по меньшей мере, около 0,5 нм, или, по меньшей мере, 2 нм, или, по меньшей мере, 5 нм, или, по меньшей мере, 10 нм; или от около 5 до около 300 нм; или от около 10 нм до около 300 нм; или от около 50 нм до около 300 нм; или от около 80 нм до около 300 нм; или от около 100 нм до около 300 нм; или от примерно 5 до около 200 нм; от около 10 нм до около 200 нм; или от около 50 нм до около 200 нм; или от около 80 нм до около 200 нм; или от около 100 нм до около 200 нм; или от около 80 нм до около 200 нм; или от около 5 нм до около 100 нм; от около 10 нм до около 100 нм; или от около 50 нм до около 100 нм; или от около 10 нм до около 50 нм; или от около 1 до около 50 нм.
В некоторых вариантах осуществления изобретения фотокаталитический элемент содержит один плазмонный фотокатализатор на подложке катализатора, расположенной внутри корпуса (например, один тип нанесенного плазмонного фотокатализатора будет расположен внутри корпуса). В некоторых вариантах осуществления изобретения фотокаталитический элемент содержит два или более плазмонных фотокатализатора на подложке катализатора, расположенной внутри корпуса (например, два или более различных плазмонных фото катализатор а на подложке будут расположены внутри корпуса). На подложке катализатора могут быть предусмотрены два или более плазмонных фотокатализатора, либо смешанные, либо в отдельных слоях. Например, каждый слой будет иметь один тип поддерживаемого плазмонного фотокатализатора, имеющего требуемую плазмонную резонансную частоту и/или требуемый диаметр. В неограничивающем объем прав примере один слой будет поглощать волны с длинами первого диапазона относительно других длин волн, следующий слой будет поглощать волны с длинами второго диапазона, а конечный слой (например, промежуточный слой) будет поглощать волны других длин, таких волны, которые имеют длины, не входящие в первый и второй диапазоны длин волн.
В целом фотокаталитический элемент создан с обеспечением освещения плазмонных фотокатализаторов источником света. По частному случаю выполнения фотокаталитический элемент отображен в поперечном сечении на фиг. 1А. Те же фотокаталитические элементы 100 также показаны в разобранном виде на фиг. 1В. На иллюстрации изображен фотокаталитический элемент 100, содержащий плазмонный фотокатализатор на подложке катализатора 120, расположенной в оптически прозрачном корпусе ПО. Фото каталитический элемент 100 может дополнительно содержать фитинги 160, сконструированные для присоединения фотокаталитического элемента к, по меньшей мере, одному каналу подачи для, по меньшей мере, одного устройства ввода 130 реактанта и, по меньшей мере, одного устройства вывода 140 продукта каталитического превращения. Фотокаталитический элемент 100 может дополнительно содержать один или несколько уплотняющих поддерживающих элементов 150, выполненных с возможностью удержания катализатора в оптически прозрачном корпус ПО.
Размер и форма корпуса элемента реактора могут быть изменены для удовлетворения желаемой потребности. В некоторых вариантах осуществления изобретения корпус имеет внутренний диаметр в диапазоне от около 0,2 см до около 10 см; или от около 0,5 см до около 3 см. В некоторых вариантах осуществления изобретения корпус имеет длину в диапазоне от около 10 см до около 2 м; или от около 50 см до около 1 м. Корпус фотокаталитического элемента реактора может иметь, например, круглое или многоугольное поперечное сечение.
Как упомянуто выше, элемент реактора может дополнительно содержать один или несколько фитингов (таких как фитинги 160 на фиг. 1А-1В), выполненных с возможностью присоединения элемента реактора к, по меньшей мере, одному каналу подачи для поступления, по меньшей мере, одного реактанта в корпус элемента или, по меньшей мере, одного продукта каталитического превращения из корпуса. Например, фитинги могут содержать первый фитинг, соединенный с устройством ввода реактанта, и второй фитинг, соединенный с устройством вывода продукта каталитического превращения. Фитинги по настоящему изобретению могут содержать, например, низколегированную сталь, высоколегированную сталь, хромовые сплавы, никелевые сплавы, пластмассы, стекло, боросиликатное стекло, кварц, плавленый кварц, алюмосиликатное стекло, литиево-алюмосиликатное стекло или их комбинации. В зависимости от необходимости фитинги могут дополнительно содержать уплотнительное кольцо или другое уплотнительное средство. Другие фитинговые материалы и/или уплотнительные средства также возможны, и предполагается, что они находятся в пределах объема настоящего изобретения.
Фотокаталитический элемент может дополнительно содержать один или несколько уплотняющих поддерживающих элементов (таких как уплотняющие поддерживающие элементы 150 на фиг. 1А-1В), выполненных с возможностью удерживания катализатора внутри корпуса. В некоторых вариантах осуществления уплотняющие поддерживающие элементы предусмотрены на входном конце и на выходном конце элемента реактора. В некоторых вариантах осуществления уплотняющие поддерживающие элементы предусмотрены на входном конце, выходном конце и расположены на определенном расстоянии по всему элементу реактора. Могут быть применены обычные материалы для использования в качестве уплотняющего поддерживающего элемента, такие как, например, металлическая сетка, стеклянные гранулы (имеющие больший диаметр, чем подложка катализатора), стекловата, монолит, полимер или эластомер.
В некоторых вариантах осуществления изобретения оптически прозрачный корпус дополнительно содержит внешнюю полость и центральную полость, расположенную соосно с внешней полостью, причем внешняя полость содержит плазмонный фотокатализатор на подложке катализатора, а центральная полость выполнена с возможностью размещения в ней источника света или средства терморегулирования. В некоторых вариантах осуществления изобретения источник света расположен в центральной полости оптически прозрачного корпуса. В некоторых вариантах осуществления изобретения источник света проходит вдоль или по длине корпуса. Может быть использован любой подходящий источник света такой, как, но не ограничиваясь: светодиод, металлогалогенная лампа, натриевая лампа высокого давления, ксеноновая лампа, лампа накаливания, люминесцентная лампа, галогенная лампа, газоразрядная лампа высокой интенсивности, лазер или их комбинация. Естественный свет такой, как солнечный свет, также может быть направлен в центральную полость, чтобы служить источником света. В некоторых вариантах осуществления средство терморегулирования расположено в центральной полости оптически прозрачного корпуса. Может использоваться любое терморегулирующее устройство, известное в данной области техники. Например, средство терморегулирования может включать средство ввода жидкости, соединенное с первым концом центральной полости, и средство вывода жидкости, соединенное со вторым концом центральной полости, при этом жидкость может протекать через элемент реактора для обогрева или отвода тепла от элемента реактора; или средство терморегулирования может содержать металлический стержень или металлические провода, выполненные для теплопроводности.
В одном альтернативном варианте осуществления изобретения ни корпус реакторной установки, ни корпус каждого элемента реактора не являются оптически прозрачными. В этом альтернативном варианте реакторная установка содержит корпус реакторной установки и несколько элементов реактора, каждый из которых имеет свой собственный источник света. Поскольку в этом варианте осуществления изобретения каждый элемент реактора имеет свой собственный источник света, корпус каждого элемента реактора не является оптически прозрачным, а вместо этого может быть светоотражающим, чтобы отражать свет источника света назад, во внутреннюю часть корпуса. Каждый элемент реактора может также включать устройства ввода и вывода, а каждый элемент реактора содержит, по меньшей мере, один плазмонный фотокатализатор на подложке катализатора, расположенной внутри корпуса, при этом плазмонный фотокатализатор включает катализатор, соединенный с плазмонным материалом. Реакторная установка может дополнительно включать в себя распределитель для внесения, по меньшей мере, одного реактанта в несколько элементов реактора посредством устройства ввода каждого элемента реактора и коллектор для сбора, по меньшей мере, одного продукта каталитического превращения из нескольких элементов реактора посредством устройства вывода каждого элемента реактора.
В другом аспекте предлагаются способы использования реакторных установок для превращения реактантов. В частности, в описании раскрываются способы превращения, по меньшей мере, одного реактанта в, по меньшей мере, один продукт каталитического превращения, при этом способ включает: введение, по меньшей мере, одного реактанта в реакторную установку согласно настоящему изобретению; и освещение посредством, по меньшей мере, одного источника света внутреннюю часть реакторной установки и/или элемента реактора (элементов реактора).
В частном случае выполнения способов освещение осуществляют от источника света, внешнего по отношению к реакторной установке.
В некоторых частных случаях выполнения способа наружный обогрев (например, от специально предназначенного источника нагрева) не применяется. В некоторых вариантах осуществления способы дополнительно включают в себя наружный обогрев элемента реактора. Наружный обогрев может осуществляться с помощью средства терморегулирования, как описано выше, или с помощью некоторой другой технологии обогрева.
Представленные способы раскрытия изобретения включают, но не ограничиваются ими, окисление и восстановление, реакции восстановления до приемлемых характеристик загрязненной воды или воздуха, разложения NOx и N2O, гидрирование, в частности гидрирование ацетилена, конверсия диоксида углерода и активация азота, включая синтез аммиака. Некоторые из представленных химических превращений включают:
CH4+H2O → H2+CO
CH4+CO2 → H2+CO
H2O+CO → H2+CO2
CO2+H2 → CO+H2O
CO2+H2 → CH4+H2O
N2O → N2+O2
С2Н2+H2 → С2Н4
Н2+N2 → NH3
CO2+H2 → CH4OH+H2O
Таким образом, в некоторых вариантах осуществления изобретения реактанты представляют собой метан и воду; или реактанты представляют собой метан и диоксид углерода; или реактанты представляют собой монооксид углерода и воду; или реактанты представляют собой диоксид углерода и газообразный водород; или реактанты представляет собой закись азота; или реактанты представляют собой ацетилен и газообразный водород; или реактанты представляют собой газообразный водород и газообразный азот; или реактанты представляют собой диоксид углерода и газообразный водород.
Способы согласно настоящему изобретению могут быть выполнены при любой подходящей температуре. Например, в некоторых вариантах изобретения способы осуществляются при температуре в диапазоне от около 100°С до около 300°С; или от около 100 до около 250°С; или от около 100 до около 200°С; или от около 150 до около 300°С; или от около 150 до около 250°С; или от около 150 до около 200°С; или от около 200 до около 300°С; или от около 200 до около 250°С; или от около 180 до около 220°С; или от около 190 до около 210°С; или от около 20 до около 300°С; или от около 20 до около 250°С; или от около 20 до около 200°С; или от около 20 до около 150°С; или от около 20°С до около 100°С.
Способы могут быть осуществлены при любом подходящем давлении. Например, в некоторых вариантах способы осуществляются при давлении в диапазоне от около 9,65251×104 Па (14 фунт/кв. дюйм) до около 2,06840×106 Па (300 фунт/кв. дюйм), или от около 9,65251×104 Па (14 фунт/кв. дюйм) до около 1,37893×106 Па (200 фунт/кв. дюйм), или от около 9,65251×104 Па (14 фунт/кв. дюйм) до около 6,89465×105 Па (100 фунт/кв. дюйм), или около от 9,65251×104 Па (14 фунт/кв. дюйм) до от около 3,44733×105 Па (50 фунт/кв. дюйм), или от около 6,89465×105 Па (100 фунт/кв. дюйм) до около 2,06840×106 Па (300 фунт/кв. дюйм), или от около 6,89465×105 Па (100 фунт/кв. дюйм) до около 1,37893×106Па (200 фунт/кв. дюйм).
В способах по изобретению реактанты могут вводиться в элемент реактора при любой подходящей температуре. В некоторых вариантах осуществления реактант имеет температуру в диапазоне от около 200°С до около 300°С; или от около 200 до около 270°С; или от около 200 до около 250°С; или от около 230°С до около 270°С, когда его вводят в элемент реактора.
Очевидно, что примеры и варианты осуществления, описанные в данной заявке, предназначены только для иллюстративных целей, с их учетом различные модификации или изменения будут предложены специалистам в данной области техники и должны быть включены в сущность и область применения по этой заявке и объем прилагаемой формулы изобретения. Все публикации, патенты и патентные заявки, упомянутые в описании, включены в настоящую заявку посредством ссылки при любых обстоятельствах.
1. Реакторная установка, содержащая корпус реакторной установки и несколько цилиндрических элементов реакторной установки с неподвижным слоем катализатора, расположенных внутри корпуса реакторной установки и окружающих по меньшей мере один источник света, размещенный в корпусе, при этом каждый из элементов реакторной установки содержит корпус и плазмонный фотокатализатор на оптически прозрачной подложке катализатора, расположенной внутри корпуса элемента, плазмонный фотокатализатор содержит катализатор, соединенный с плазмонным материалом, имеющим плазмонную резонансную частоту, для ускорения требуемой химической реакции, при этом подложка катализатора выполнена в виде неподвижного слоя, по существу, заполняющего весь корпус элемента реакторной установки, при этом корпус элемента реакторной установки является оптически прозрачным и содержит по меньшей мере одно устройство ввода для подачи реактанта в элемент реакторной установки и по меньшей мере одно устройство вывода для извлечения продукта каталитического превращения из элемента реакторной установки; причем при применении по меньшей мере одного источника света каждый элемент реакторной установки выполнен с возможностью превращения реактанта в продукт каталитического превращения.
2. Реакторная установка по п.1, характеризующаяся тем, что по меньшей мере один источник света выполнен удлиненным и расположенным соосно вдоль центральной продольной оси корпуса реакторной установки.
3. Реакторная установка по п.1, характеризующаяся тем, что по меньшей мере один источник света расположен соосно с несколькими элементами реакторной установки внутри корпуса реакторной установки.
4. Реакторная установка по п.1, характеризующаяся тем, что по меньшей мере один источник света включает по меньшей мере один источник света, выбранный из группы, состоящей из светодиода, металлогалогенной лампы, натриевой лампы высокого давления, ксеноновой лампы, лампы накаливания, люминесцентной лампы, галогенной лампы, газоразрядной лампы высокой интенсивности, лазера или их комбинации.
5. Реакторная установка по п.1, характеризующаяся тем, что каждый из нескольких элементов реакторной установки содержит корпус, имеющий внешнюю полость и центральную полость, расположенную соосно с внешней полостью, причем внешняя полость каждого элемента реакторной установки содержит плазмонный фотокатализатор на подложке катализатора, а центральная полость выполнена с возможностью размещения в ней по меньшей мере одного источника света или средства терморегулирования.
6. Реакторная установка по п. 5, характеризующаяся тем, что средство терморегулирования является по меньшей мере одним металлическим стержнем, металлическими проводами или системой терморегулирования с жидким теплоносителем.
7. Реакторная установка по п.1, характеризующаяся тем, что дополнительно содержит реакторный распределитель жидкости, соединенный по меньшей мере с одним устройством ввода каждого элемента реакторной установки, и коллектор жидкости, соединенный с по меньшей мере одним устройством вывода каждого элемента реакторной установки.
8. Реакторная установка по п.1, характеризующаяся тем, что дополнительно содержит один или несколько фитингов, соединяющих по меньшей мере один элемент реакторной установки с по меньшей мере одним каналом подачи для поступления по меньшей мере одного реактанта или по меньшей мере одного продукта каталитического превращения из корпуса по меньшей мере одного элемента реакторной установки.
9. Реакторная установка по любому из пп. 1-7, характеризующаяся тем, что оптически прозрачный корпус каждой из нескольких элементов реакторной установки имеет пропускание по меньшей мере 50% для по меньшей мере одной заданной длины волны света.
10. Реакторная установка по любому из пп. 1-7, характеризующаяся тем, что оптически прозрачный корпус каждой из нескольких элементов реакторной установки содержит стекло, боросиликатное стекло, кварц, плавленый кварц, алюмосиликатное стекло, литий-алюмосиликатное стекло, сапфир или их комбинации.
11. Реакторная установка по любому из пп. 1-7, характеризующаяся тем, что подложка катализатора каждой из нескольких элементов реакторной установки выбрана таким образом, чтобы обеспечить поглощение, достаточно низкое для ускорения преобразования по меньшей мере одного поступающего реактанта в по меньшей мере один выходящий продукт для по меньшей мере одной заданной длины волны света.
12. Реакторная установка по любому из пп. 1-7, характеризующаяся тем, что подложка катализатора каждой из нескольких элементов реакторной установки содержит диоксид кремния, кварц, плавленый кварц, стекло, боросиликатное стекло, сапфир, алмаз или их комбинацию.
13. Реакторная установка по любому из пп. 1-7, характеризующаяся тем, что подложка катализатора каждой из нескольких элементов реакторной установки представляет собой аэрогель, содержащий диоксид кремния, оксид алюминия, диоксид титана, диоксид циркония, оксид гольмия, оксид самария, оксид эрбия, оксид неодима (III) или их комбинацию.
14. Реакторная установка по п. 5, характеризующаяся тем, что средство терморегулирования включает (а) средство ввода жидкости, соединенное с первым концом центральной полости каждого элемента реакторной установки, и (b) средство вывода жидкости, соединенное со вторым концом центральной полости каждого элемента реакторной установки, при этом обеспечивается возможность протекания подаваемой жидкости через каждый из нескольких элементов реакторной установки для изменения температуры реакторной установки.
15. Реакторная установка по п. 5, характеризующаяся тем, что средство терморегулирования содержит по меньшей мере один металлический стержень или металлические провода.
16. Реакторная установка по любому из пп. 1-7, характеризующаяся тем, что фотокатализатор является первым фотокатализатором, при этом каждый из нескольких элементов реакторной установки дополнительно содержит второй плазмонный фотокатализатор, нанесенный на подложку катализатора, и второй плазмонный фотокатализатор отличается от первого плазмонного фотокатализатора.
17. Реакторная установка по п. 16, характеризующаяся тем, что второй плазмонный фотокатализатор имеет частоту плазмонного резонанса, отличную от частоты первого плазмонного фотокатализатора.
18. Реакторная установка по п. 16 или 17, характеризующаяся тем, что второй плазмонный фотокатализатор имеет диаметр, отличный от диаметра первого плазмонного фотокатализатора.
19. Реакторная установка по любому из пп. 16-18, характеризующаяся тем, что первый плазмонный фотокатализатор и второй плазмонный фотокатализатор расположены в разных слоях друг от друга.
20. Реакторная установка по любому из пп. 16-19, характеризующаяся тем, что первый плазмонный фотокатализатор поглощает первый диапазон длин волн относительно других длин волн, в то время как второй плазмонный фотокатализатор поглощает второй диапазон длин волн относительно других длин волн, а первый диапазон длин волн отличается от второго диапазона длин волн.
21. Способ превращения по меньшей мере одного рактанта, включающий: распределение по меньшей мере одного подаваемого реактанта в несколько цилиндрических элементов реакторной установки с неподвижным слоем катализатора, расположенных внутри корпуса реакторной установки, несколько элементов реакторной установки выполнены окружающими по меньшей мере один источник света, при этом каждый элемент реакторной установки содержит оптически прозрачный корпус; оптически прозрачную подложку катализатора, выполненную в виде неподвижного слоя, по существу, заполняющего весь корпус элемента реакторной установки; и плазмонный фотокатализатор, нанесенный на подложку катализатора, на которой плазмонный фотокатализатор содержит катализатор, соединенный с плазмонным материалом, имеющим плазмонную резонансную частоту, для ускорения требуемой химической реакции; освещают по меньшей мере одним источником света внутреннюю часть корпуса реакторной установки, в то время как по меньшей мере один поступающий реактант распределяется по нескольким элементам реакторной установки, чтобы инициировать превращение несколькими элементами реакторной установки по меньшей мере одного поступающего реактанта в по меньшей мере один выходящий продукт каталитического превращения посредством по меньшей мере одного поступающего реактанта, реагирующего по меньшей мере с плазмонным фотокатализатором; и собирают по меньшей мере один выходящий продукт каталитического превращения из нескольких элементов реакторной установки.
22. Способ по п. 21, характеризующийся тем, что корпус реакторной установки содержит светоотражающую внутреннюю поверхность, при этом способ дополнительно обеспечивает отражение света по меньшей мере от одного источника света от светоотражающей внутренней поверхности корпуса реакторной установки на несколько элементов реакторной установки.
23. Способ по п. 21, характеризующийся тем, что оптически прозрачный корпус каждого элемента реакторной установки содержит внешнюю полость и центральную полость, расположенную соосно с внешней полостью, причем внешняя полость каждого элемента реакторной установки содержит по меньшей мере первый плазмонный фотокатализатор на подложке катализатора, а центральная полость каждого элемента реакторной установки содержит источник света, при этом освещение обеспечивают по крайней мере частично от источника света, расположенного в центральной полости каждого из нескольких элементов реакторной установки.
24. Способ по п. 21, характеризующийся тем, что оптически прозрачный корпус каждого из нескольких элементов реакторной установки содержит внешнюю полость и центральную полость, расположенную соосно с внешней полостью, причем внешняя полость каждого элемента реакторной установки включает по крайней мере первый плазмонный фотокатализатор на подложке катализатора, а центральная полость каждого элемента реакторной установки имеет средство терморегулирования, при этом способ дополнительно включает нагревание посредством средства терморегулирования в каждом из нескольких элементов реакторной установки для способствования превращению по меньшей мере одного поступающего реактанта.
25. Способ по п. 24, характеризующийся тем, что нагрев с помощью средства терморегулировния в каждом из нескольких элементов реакторной установки включает подачу жидкого теплоносителя через устройство ввода жидкости, соединенного с первым концом центральной полости каждого из нескольких элементов реакторной установки, к устройству вывода жидкости, соединенного со вторым концом центральной полости каждого из нескольких элементов реакторной установки, при этом жидкий теплоноситель нагревает каждый из нескольких элементов реакторной установки.
26. Способ по п. 21, характеризующийся тем, что дополнительно включает нагревание нескольких элементов реакторной установки посредством по меньшей мере одного поступающего реактанта, реагирующего с по крайней мере первым плазмонным фотокатализатором в каждом из нескольких элементов реакторной установки.
27. Способ по п. 21, характеризующийся тем, что по меньшей мере один источник света включает в себя источник света, внешний по отношению к корпусу реакторной установки, при этом корпус реакторной установки является по меньшей мере частично оптически прозрачным, при этом освещение внутренней части корпуса реакторной установки включает в себя направление электромагнитного излучения от источника света через корпус реакторной установки на несколько фотокаталитических элементов реакторной установки.
28. Реакторная установка, содержащая: корпус реакторной установки; несколько цилиндрических элементов реакторной установки с неподвижным слоем катализатора, расположенных внутри корпуса реакторной установки, причем каждый элемент реакторной установки включает корпус, имеющий светоотражающую внутреннюю поверхность, устройство ввода, устройство вывода и источник света, расположенный в корпусе элемента реакторной установки; и по меньшей мере один плазмонный фотокатализатор на оптически прозрачной подложке катализатора, расположенный внутри корпуса элемента реакторной установки и окружающий источник света, при этом подложка катализатора выполнена в виде неподвижного слоя, по существу, заполняющего весь корпус элемента реакторной установки, и, кроме того, плазмонный фотокатализатор содержит катализатор, соединенный с плазмонным материалом, имеющим плазмонную резонансную частоту, для ускорения требуемой химической реакции; распределитель для ввода по меньшей мере одного реактанта в несколько элементов реакторной установки через устройство ввода каждого элемента реакторной установки; и коллектор для сбора по меньшей мере одного продукта каталитического превращения из нескольких элементов реакторной установки через устройство вывода каждого элемента реакторной установки.
29. Реакторная установка по п. 28, характеризующаяся тем, что подложка катализатора каждой из нескольких элементов реакторной установки выбрана таким образом, чтобы обеспечить поглощение, достаточно низкое для ускорения преобразования по меньшей мере одного поступающего реактанта в по меньшей мере один выходящий продукт для по меньшей мере одной заданной длины волны света.
30. Реакторная установка по п. 28 или 29, характеризующаяся тем, что подложка катализатора каждой из нескольких элементов реакторной установки содержит диоксид кремния, кварц, плавленый кварц, стекло, боросиликатное стекло, сапфир, алмаз или их комбинацию.
31. Реакторная установка по любому из пп. 28, 29, характеризующаяся тем, что подложка катализатора каждой из нескольких элементов реакторной установки представляет собой аэрогель, содержащий диоксид кремния, оксид алюминия, диоксид титана, диоксид циркония, оксид гольмия, оксид самария, оксид эрбия, оксид неодима (III) или их комбинацию.
32. Реакторная установка по любому из пп. 28-31, характеризующаяся тем, что фотокатализатор является первым фотокатализатором, при этом каждый из нескольких элементов реакторной установки дополнительно содержит второй плазмонный фотокатализатор, нанесенный на подложку катализатора, и второй плазмонный фотокатализатор отличается от первого плазмонного фотокатализатора.
33. Реакторная установка по п. 32, характеризующаяся тем, что второй плазмонный фотокатализатор имеет частоту плазмонного резонанса, отличную от частоты первого плазмонного фотокатализатора.
34. Реакторная установка по п. 32 или 33, характеризующаяся тем, что второй плазмонный фотокатализатор имеет диаметр, отличный от диаметра первого плазмонного фотокатализатора.
35. Реакторная установка по любому из пп. 32-34, характеризующаяся тем, что первый плазмонный фотокатализатор и второй плазмонный фотокатализатор расположены в разных слоях друг от друга.
36. Реакторная установка по любому из пп. 32-35, характеризующаяся тем, что первый плазмонный фотокатализатор поглощает первый диапазон длин волн относительно других длин волн, в то время как второй плазмонный фотокатализатор поглощает второй диапазон длин волн относительно других длин волн, а первый диапазон длин волн отличается от второго диапазона длин волн.
37. Реакторная установка для преобразования одного или нескольких реактантов, содержащая корпус реакторной установки и несколько элементов реакторной установки с неподвижным слоем катализатора, расположенных внутри корпуса реакторной установки и окружающих источник света, размещенный в корпусе реакторной установки, причем каждый из нескольких элементов реакторной установки включают оптически прозрачный корпус, первый фитинг, выполненный с возможностью присоединения элемента реакторной установки на первом конце корпуса элемента реакторной установки по меньшей мере к одному каналу подачи для ввода по меньшей мере одного поступающего реактанта; второй фитинг, выполненный с возможностью присоединения элемента реакторной установки на втором конце корпуса элемента реакторной установки по меньшей мере к одному каналу подачи для вывода по меньшей мере одного продукта каталитического превращения; подложку катализатора, выполненную в виде неподвижного слоя, по существу, заполняющего весь корпус элемента реакторной установки; и плазмонный фотокатализатор, нанесенный на подложку катализатора, при этом плазмонный фотокатализатор содержит катализатор, соединенный с плазмонным материалом, имеющим плазмонную резонансную частоту, для ускорения требуемой химической реакции, при этом при применении источника света к каждому из нескольких элементов реакторной установки, в то время как по меньшей мере один поступающий реактант пропускают через корпус элемента реакторной установки, каждый элемент реакторной установки выполнен для преобразования по меньшей мере одного поступающего реактанта в по меньшей мере один выходящий продукт каталитического превращения посредством по меньшей мере одного поступающего реактанта, реагирующего по меньшей мере с первым плазмонным фотокатализатором.
38. Реакторная установка по п. 37, характеризующаяся тем, что оптически прозрачный корпус каждой из нескольких элементов реакторной установки имеет пропускание по меньшей мере 50% для по меньшей мере одной заданной длины волны света.
39. Реакторная установка по п. 37 или 38, характеризующаяся тем, что оптически прозрачный корпус каждой из нескольких элементов реакторной установки содержит стекло, боросиликатное стекло, кварц, плавленый кварц, алюмосиликатное стекло, литий-алюмосиликатное стекло, сапфир или их комбинации.
40. Реакторная установка по любому из пп. 37-39, характеризующаяся тем, что подложка катализатора каждой из нескольких элементов реакторной установки выбрана таким образом, чтобы обеспечить поглощение, достаточно низкое для ускорения преобразования по меньшей мере одного поступающего реактанта в по меньшей мере один выходящий продукт для по меньшей мере одной заданной длины волны света.
41. Реакторная установка по любому из пп. 37-40, характеризующаяся тем, что подложка катализатора каждой из нескольких элементов реакторной установки содержит диоксид кремния, кварц, плавленый кварц, стекло, боросиликатное стекло, сапфир, алмаз или их комбинацию.
42. Реакторная установка по любому из пп. 37-40, характеризующаяся тем, что подложка катализатора каждой из нескольких элементов реакторной установки представляет собой аэрогель, содержащий диоксид кремния, оксид алюминия, диоксид титана, диоксид циркония, оксид гольмия, оксид самария, оксид эрбия, оксид неодима (III) или их комбинацию.
43. Реакторная установка по любому из пп. 37-42, характеризующаяся тем, что фотокатализатор является первым фотокатализатором, при этом каждый из нескольких элементов реакторной установки дополнительно содержит второй плазмонный фотокатализатор, нанесенный на подложку катализатора, и второй плазмонный фотокатализатор отличается от первого плазмонного фотокатализатора.
44. Реакторная установка по п. 43, характеризующаяся тем, что второй плазмонный фотокатализатор имеет частоту плазмонного резонанса, отличную от частоты первого плазмонного фотокатализатора.
45. Реакторная установка по п. 43 или 44, характеризующаяся тем, что второй плазмонный фотокатализатор имеет диаметр, отличный от диаметра первого плазмонного фотокатализатора.
46. Реакторная установка по любому из пп. 43-45, характеризующаяся тем, что первый плазмонный фотокатализатор и второй плазмонный фотокатализатор расположены в разных слоях друг от друга.
47. Реакторная установка по любому из пп. 43-46, характеризующаяся тем, что первый плазмонный фотокатализатор поглощает первый диапазон длин волн относительно других длин волн, в то время как второй плазмонный фотокатализатор поглощает второй диапазон длин волн относительно других длин волн, а первый диапазон длин волн отличается от второго диапазона длин волн.
