способ интенсификации физико-химических процессов в гетерофазных системах

Формула изобретения

СПОСОБ ИНТЕНСИФИКАЦИИ ФИЗИКО-ХИМИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ В ГЕТЕРОФАЗНЫХ СИСТЕМАХ, заключающийся в том, что в ходе физико-химического процесса на систему воздействуют ультразвуковыми колебаниями, изменяют параметры колебаний до получения ускорения процесса и используют их в ходе физико-химического процесса, отличающийся тем, что ультразвуковые колебания возбуждают в режиме стоячих волн, изменяют частоту колебаний и регистрируют резонансный спектр и возникновение макроструктур системы при резонансном росте скорости физико-химического процесса, а в ходе физико-химического процесса поддерживают в системе колебания на резонансной частоте выбранной макроструктуры.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к ультразвуковой технологии в гетерофазных средах и может найти применение в научных исследованиях, а также в химической, нефтехимической и фармацевтической промышленности.

Известно, что в гетерофазных системах, например газовая реакционная среда поверхность катализатора, в ходе реакции фазового перехода наблюдается эффект возникновения поверхностных макроструктур (из островков реагентов, промежуточных продуктов), причем геометрический тип структур строго соответствует динамике реакции [1]

Наиболее близким к изобретению является способ интенсификации физико-химических процессов в гетерофазных системах, заключающийся в том, что в ходе физико-химического процесса на систему воздействуют ультразвуковыми колебаниями, изменяют параметры колебаний до получения ускорения процесса и используют их в ходе физико-химического процесса [2]

Недостатком этого способа является невозможность использования для ускорения физико-химического процесса резонансных свойств образующихся макроструктур, соответствующих динамике реакции.

Сущность изобретения заключается в создании условий выявления характерных резонансных частот гетерофазной системы с образованием макроструктур, обеспечивающих резонансный рост скорости физико-химического процесса.

Для этого в способе интенсификации физико-химических процессов в гетерофазных системах, заключающемся в том, что в ходе физико-химического процесса на систему воздействуют ультразвуковыми колебаниями, изменяют параметры колебаний до получения ускорения процесса и используют их в ходе физико-химического процесса, ультразвуковые колебания возбуждают в режиме стоячих волн, изменяют частоту колебаний и регистрируют резонансный спектр и возникновение макроструктур системы при резонансном росте скорости физико-химического процесса, а в ходе физико-химического процесса поддерживают в системе колебания на резонансной частоте выбранной макроструктуры.

На фиг. 1 представлена блок-схема установки для реализации способа; на фиг. 2 спектры акустических колебаний системы без акустического воздействия; на фиг.3 то же, при акустическом воздействии; на фиг.4 индуцированный отклик в процессе сканирования по частотам.

Установка состоит из электронного спектрометра "VGESCALAB High Pressure" 1 и устройства 2 для контроля и управления физико-химическими процессами и упругими свойствами образцов с помощью акустического воздействия, состоящего из части Б для измерения резонансных частот, управляющей части А и модуля 3 контроля и управления режимом работы устройства.

Исследуемый образец (физико-химическую гетерофазную среду) размещают в аналитической камере 4 электронного спектрометра 1, закрепляют на образце пьезокварцевые пластинки 5 и подсоединяют их к устройству 2 для контроля и управления физико-химическими процессами и упругими свойствами образцов с помощью ультразвука.

Для реализации предлагаемого способа была выбрана широко известная каталитическая реакция окисления окиси углерода молекулярным кислородом на платине. В качестве катализатора применен монокристалл платины с ориентацией поверхности (100) и размерами 10 мм, h 1 мм. К боковой поверхности монокристалла платины прикреплены нагревательные элементы, термопара Pt-Pt (10% Rh), которые подсоединены к измерительным блокам электронного спектрометра 1, и пьезокварцевые пластинки 5, которые подсоединены к устройству 2. Монокристалл платины помещают на специальном держателе в аналитическую камеру электронного спектрометра 1, где создается сверхглубокий вакуум (Р 1-2 х 10^-10 мбар).

В этой камере производят очистку поверхности монокристалла платины обычными для электронной микроскопии методами: ионным травлением и циклами попеременной обработки в O₂. Затем производят отжиг монокристалла в вакууме при Т 1100 К. Контроль за чистотой и структурой поверхности осуществляют с помощью рентгенофотоэлектронной спектроскопии (РФЭС) и термодесорбции O₂, что тоже является обычным для данного электронного спектрометра 1.

После очистки и отжига поверхности монокристалла Pt (100) с помощью устройства 2 (его измерительной части Б) производят запись акустического спектра монокристалла платины в диапазоне 167 гГц 7,6 МГц с разрешением / ^-6 5 х 10^-6, который считывается модулем 3 контроля и управления режимом работы устройства и передается в память внешнего компьютера. Во всем диапазоне частот наблюдались резонансные полосы с 100-1000 Гц (в качестве примера на фиг.2 приведен диапазон 2,6-7,6 МГц). Фиг.2 демонстрирует наличие большого количества резонансных полос после структурирования поверхности грани (100) с помощью отжига кристалла в вакууме при Т 1100 К (спектр 2 на фиг. 2), а при аморфизации поверхности с помощью ионной бомбардировки происходит исчезновение резонансов (спектр 1 на фиг.2), что подтверждает поверхностное происхождение наблюдаемых на спектре 2 резонансных пиков.

После производился напуск газов (СО и О₂) в аналитическую камеру 4 электронного спектрометра "VG ESCALAB High Pressure" 1. Для реакционной среды СО + О₂ в данном случае были выбраны давления Р_со 4 х 10^-5 мбар и Р_o2 5 х 10^-4 мбар. Давления реагентов для проведения реакции были выбраны таким образом, чтобы заведомо исключить процессы кавитации в реакционной среде. Затем, произведя сканирование по частотам с помощью устройства 2 для контроля и управления физико-химическими процессами и упругими свойствами образцов с помощью ультразвука и одновременно регистрируя изменение работы выхода Pt (100) как отклик химической реакции с помощью электронного спектрометра 1 определяют характерные для реакции СО + О₂ частоты и возникновение для этой частоты макроструктуры системы. На фиг.3 приведено сопоставление двух фрагментов изменения работы выхода при стационарном осциллирующем протекании реакции СО + О₂на Pt (100) при Т 520 К. Фрагмент 1 относится к ходу химической реакции без какого-либо акустического возбуждения, фрагмент 2 отвечает многократному (повторному) сканированию в диапазоне частот 2,6-7,6 МГц. Сопоставление фрагментов свидетельствует о неслучайности и систематичности откликов химической реакции. Принимая во внимание экспериментальные условия: скорость сканирования по частоте (5 х 10⁵Гц/с), добротность резонансных колебаний 5 х 10³ 5 х 10⁴ и величину отклика поверхностной концентрации 1 х 10¹⁸ мол/м² ( 0,6 еv соответствует 7 х 10¹⁸ атм/м²), получаем, что индуцированная акустическим резонансным воздействием в диапазоне частот 2,6-7,6 МГц скорость химической реакции составила 10²¹-10²² мол СО₂/м² с. Теоретически возможная максимальная скорость реакции в стационарных условиях при указанных выше давлениях реагентов составляет 1,6х10²⁰ мол СО₂/м² с. Таким образом, экспериментально полученный эффект импульсного ускорения химической реакции СО + О₂/Pt (100) при прохождении характерных резонансных акустических колебаний составил 10²¹-10²²/1,6х10²⁰ 6-60 раз. Учитывая, что эффективность стационарной реакции СО+О₂ на платине обычно составляет величину порядка 0,1, то реально полученный эффект индуцированного акустическим возбуждением ускорения химической реакции в условиях осцилляции на 2 порядка больше, чем скорость стационарной реакции.

Точное синхронное сопоставление откликов изменения работы выхода и частот в процесс однократного сканирования представлено на фиг.4. Здесь резонансные характерные частоты для данного физико-химического процесса реакции СО + О₂ на Pt (100) частоты помечены на фиг.4 стрелками, обозначенными цифрами 1-7. Выбрав любую из найденных характерных резонансных частот выбранной макроструктуры и настроив на них устройство 2, можно с помощью управляющей части А устройства 2 создать в монокристалле платины стационарные ультразвуковые колебания с выбранной частотой и получить длительное искусственное ускорение химической реакции (при условии нелимитированного внешней диффузией подвода реагентов к поверхности).

Предлагаемый способ дает возможность на его основе создавать новые высокоэффективные технологии в области химии, нефтехимии и фармакологии посредством воздействия на гетерофазные химические реакции волновой энергии, выявления характерных резонансных частот и создания в реакционной среде искусственной макроструктуры с помощью стоячих волн, что в значительной степени может повысить эффективность химических реакций (выход, селективность, скорость).