CN101947426B

CN101947426B - 一种多试管搅拌-旋转式光化学反应的方法与装置

Info

Publication number: CN101947426B
Application number: CN 201010293017
Authority: CN
Inventors: 孔令申; 孔令仁; 孔丽萍
Original assignee: XUJIANG ELECTROMECHANICAL PLANT NANJING CHINA
Current assignee: XUJIANG ELECTROMECHANICAL PLANT NANJING CHINA
Priority date: 2010-09-27
Filing date: 2010-09-27
Publication date: 2013-07-10
Anticipated expiration: 2030-09-27
Also published as: CN101947426A

Abstract

多试管搅拌-旋转式光化学反应的方法和装置，光化学反应的试管同时由磁子对试管内进行搅拌，试管围绕光源旋转，试管在旋转状态下接受光照，试管围绕的中心光源采用二种滤光方法：化学滤光液滤光或采用滤光片滤光，化学滤光液放入具有双夹层石英冷阱的外夹层内，内夹层通过冷却水，石英冷阱内腔放置光源。本发明设备至多可同时插入10～20根10～50ml试管接受光照，设有对试管内光化学反应的液体进行通气参与反应或进行通气保护，能确保反应溶液浓度的均匀性及其接受光照的均匀性，保证实验的结果可靠与高效率，特别适合用于测定光化学反应的量子产率、反应速率等动力学常数。

Description

一种多试管搅拌-旋转式光化学反应的方法与装置

技术领域

本发明涉及一种光化学反应的方法和装置。尤其是用于研究和实验的多试管搅拌-旋转式光化学反应的方法和装置。

背景技术

光化学是研究光与物质互相作用所引起的永久性化学变化的化学分支学科，光化学涉及的波长范围为100～1000nm。早期研究主要是光化学合成，例如用氧气合成臭氧，用蒽合成二蒽等，至今在有机化学品合成方面仍被广泛应用。20世纪60年代后，光化学已从一种特殊的合成化学发展到机制化学（Mechanistic photochemistry）研究阶段，从而对了解光化学发生的途径，化学变化的本质和规律起了很大的促进。

光化学反应是污染物在环境中变化的重要途径。太阳光能照射到地球的每个角落，环境中的大部分有机污染物和部分无机污染物在日光、空气、水、各种天然光催化剂、光敏化剂的作用下会发生直接光解或间接光解，生成的产物有些无毒，有些毒性更大，对环境和生态产生影响。因此，自20世纪70年代开始，环境光化学就成为最热门的环境学科之一。

依靠日光为光源研究某种化合物的光化学行为比较困难，因为光强会受到气候、云层、季节、地球维度的影响，致使测得结果的规律性、重现性很差。为此，国外上世纪70年代末就出现了光化学反应器（Photochemistry reactor），以不同功率的汞灯为光源，配置特制的反应器，使反应在稳定的光源下进行。国内1992年首次出现了NDC系列光化学反应仪，进入本世纪以来，市场上已有多种型号的光化学反应仪，但结构、性能与NDC系列基本相同，至今尚无有关光化学反应仪的专利，更未见到多试管搅拌-旋转式光化学反应仪的专利，本发明填补了这一领域额的空白。

发明内容

本发明的目的是：提供一种研究液相光化学反应的方法与装置，尤其是光化学反应的装置的设置方法，从而可进行实验研究，能使多份溶液处于搅拌状态并使它们围绕光源同步旋转，以确保反应溶液浓度的均匀性及其接受光照的均匀性。

本发明的技术方案是：多试管搅拌-旋转式光化学反应的方法，即光化学反应的装置的设置方法，设有光化学反应的试管，装在试管内进行光化学反应的液体同时磁子进行搅拌，且试管围绕光源旋转，在旋转状态下接受光照，使得溶液在光照过程中充分混合，从而使所有试管内溶液光照均匀（转速为1～10r/min，尤其是4～5r/min），试管底部设有通过可调速电机（转速为0～1400r/min）带动嵌入若干磁片转盘的旋转，产生的交变磁场驱动试管内磁子搅拌，电机的转速即为搅拌磁子的转速。中心的光源采用二种滤光方法：一种是化学滤光液滤光，将CuSO₄，CoSO₄，NiSO₄，K₂Cr₂O₇，KMnO₄，CuCl₂，CaCl₂，KI，I₂，萘，NaNO₂等化合物的部分或全部按一定比例混合，配成一定浓度的水溶液，将该溶液放入具有双夹层石英冷阱的外夹层内，内夹层通过冷却水，石英冷阱内腔放置光源。滤光液可以分别从光源发出的光中滤出240±10nm，360±10nm，400±10nm，540±10nm波长的光，其透过率为20%～30%，而其它波长的光不能通过。

或采用滤光片滤光，即在石英冷阱外面套有正6面体的滤光架，6个面的部分或全部插入滤光片，每种滤光片只能透过特定波长光。

设有对试管内光化学反应的液体进行通气参与反应或进行通气保护，进行通气参与反应时采用氧化或空气等使反应加快，进行通气保护采用高纯氮、二氧化碳、氩气等，通过通气装置由导管连接气源（钢瓶或充气包）与一气体流量计的入口，流量计出口由导管通过逐级分流与多根试管塞上的微孔径管道连接（微孔径管直插试管底部，直径小于0.4mm），同时试管塞上还插有微孔径管供排气用。在气体流量计和微孔径管道的控制下，通入多根试管内气体的流速能够控制在0～50ml/min的范围内，多根试管的气流速度相对偏差小于±5%。

多试管搅拌-旋转式光化学反应装置，包括光源、石英器皿，多试管工位的搅拌旋转装置、滤光装置，通气装置，通水装置、控制器、体箱，搅拌旋转装置设有双重旋转结构：一重旋转装置是置于圆环上的多试管工位，盛有溶液的多根试管安置于相应的试管工位；由减速电机通过皮圈轮盘带动所述圆环围绕置于试管工位中心的光源旋转（转速为4～5r/min），另一重是通过可调速电机（转速为0～1400r/min）在圆环的相应试管工位底部带动嵌入若干磁片转盘的旋转，产生交变磁场驱动试管内磁子搅拌。光化学反应仪运行时试管是在围绕光源旋转状态下接受光照，试管内溶液光照均匀，试管内的磁子不停搅拌又使得溶液在光照过程中充分混合。

插有多根试管的圆环下设有环形轴承槽，设有轴承滚珠使圆环支撑在设有轴承槽的筒形固定容器壁上，固定容器下端为凹形，与凸形石英圆套组成一环状开口可用于通冷却水的夹层。插在旋转圆环上的试管处于环状夹层内运转，试管底部下端靠近嵌有磁片的转盘。

光源采用特制低压汞灯、中压汞灯、高压汞灯、金属卤素灯、氙灯、镝灯等，能产生紫外、可见、红外光，发出的光谱为连续光谱或峰形光谱，灯的功率为5～1000W。

通水装置构造为由多根试管通过旋转圆环插孔置于下端为一凹形固定容器和一凸形石英圆套组成的环状开口夹层内，在夹层下侧面设有冷却水的进口并与自来水相接，并有水流量计控制流速。上侧面设有冷却水出口，通过水泵将水排出。

本发明的有益效果是：通过提供一种研究液相光化学反应的方法与装置，提供一种从事实验研究很方便的装置，能使多份溶液处于搅拌状态并使它们围绕光源同步旋转，以确保反应溶液浓度的均匀性及其接受光照的均匀性，保证实验的结果可靠与高效率，本发明样品的试用也受到用户的良好评价。本发明设置方法和仪器特别适合用于测定光化学反应的量子产率（反应物消耗或产物产生的数量与吸收光子数量之比）、反应速率（单位时间内反应物或生成物浓度的变化值）等动力学常数。

附图说明

图1为本发明多试管搅拌-旋转式装置及光源剖面示意图

图2 为本发明磁力旋转盘俯视图

图中：1-排气微孔管，2-进气微孔管，3-硅橡胶塞，4-试管旋转圆环，5-轴承滚珠，6-石英试管，7-排水泵，8-出水口，9-石英圆套，10-滤光片，11-固定容器，12-搅拌磁子，13-磁片（穴），14-磁力旋转盘，15-调速电机，16-冷却水出口，17-冷却水进口，18-石英冷阱冷却水夹层，19石英冷阱过滤液夹层，20-光源，21-皮圈轮盘，22-减速电机，23-冷却水进口，24-支架，25-磁力旋转盘凹底。

具体实施方式

多试管多试管搅拌-旋转式光化学反应装置，其组成包括：多试管搅拌旋转装置，光源，光（原）电(器)控制器，石英器皿，滤光装置，通气装置，通水装置，体箱等。

多试管搅拌旋转装置（见图1）采用双重旋转结构：一重是置于圆环上盛有溶液的多根试管由减速电机通过皮圈轮盘带动围绕中心光源旋转（转速为4～5r/min），另一重是通过可调速电机（转速为0～1400r/min）带动嵌入若干磁片转盘（见图2）的旋转，产生的交变磁场驱动试管内磁子搅拌，电机的转速即为搅拌磁子的转速。因此，光化学反应仪运行时试管是在围绕光源旋转状态下接受光照，从而使所有试管内溶液光照均匀，同时由于试管内的磁子不停搅拌又使得溶液在光照过程中充分混合。

插有多根试管的圆环下设有环形轴承槽，通过轴承滚珠使圆环支撑在设有轴承槽的筒形固定容器壁上，固定容器下端为凹形，与凸形石英圆套组成一环状开口夹层（也用于通冷却水）。插在旋转圆环上的试管处于环状夹层内运转，下端靠近嵌有磁片的转盘（见图2），使得仪器运转时，插有试管的圆环、嵌入磁片的转盘和试管内的搅拌磁子都能平稳运转。该装置由于将溶液分装在多根试管内接受光照，使取样操作十分简便，只要从转动的圆环上取下试管即可，特别适合光化学动力学常数测定的试验。

光电控制器设有：总电源、灯电源、灯功率、变速电机、调速电机、排水泵、灯启动开关，以及反应总时间设定、取样时间设定、灯电流表、报警指示（在主体箱电缆与控制器连接错误，或供冷却的自来水低于正常水压时，报警灯便发光并发出报警）等。开启控制器的程序为：冷却水→总电源→总时间设定→取样时间设定→灯电源→灯功率→电机→灯启动，仪器即开始运行、光化学反应进行并计时。关闭光电控制器的程序为：灯电源→电机→总电源→5分钟后关冷却水。

石英器皿包括石英夹层冷阱、石英试管、石英圆套等，制作的石英材料对紫外光的透过率大于80%，能确保紫外光透过这些器皿。通过滤光片

滤光装置采用二种滤光方法：一种是化学滤光液滤光，将CuSO₄，CoSO₄，NiSO₄，K₂Cr₂O₇，KMnO₄，CuCl₂，CaCl₂，KI，I₂，萘，NaNO₂等化合物的部分或全部按一定比例混合，配成一定浓度的水溶液，将该溶液放入具有双夹层石英冷阱的外夹层内，内夹层通过冷却水，带走光源产生的热量，石英冷阱内腔放置光源。滤光液可以分别从光源发出的光中滤出240±10nm，360±10nm，400±10nm，540±10nm波长的光，其透过率为20%～30%，而其它波长的光不能通过。方法之二是采用滤光片滤光，即在石英冷阱外面套有正6面体的滤光架，6个面的部分或全部插入滤光片，每种滤光片只能透过特定波长光。

通气装置（进行通气参与反应时采用氧化或空气使反应加快，进行通气保护采用高纯氮、二氧化碳、氩气等），由导管连接气源（钢瓶或充气包）与一气体流量计的入口，流量计出口由导管通过逐级分流与多根试管塞上的微孔径管道连接（微孔径管直插试管底部，直径小于0.4mm），同时试管塞上还插有微孔径管供排气用。在气体流量计和微孔径管道的控制下，通入多根试管内气体的流速能够控制在0～50ml/min的范围内，多根试管的气流速度相对偏差小于±5%。

通水装置是采用水冷其特带走因磁子搅拌和光源发光产生的热，使其运转时设备内温度不变。其构造为由多根试管通过旋转圆环插孔置于下端为一凹形固定容器和一凸形石英圆套组成的环状开口夹层内（见图1），在夹层下侧面设有冷却水的进口并与自来水相接，并有水流量计控制流速。上侧面设有冷却水出口，通过水泵将水排出（水泵排水可使水流通畅，防止水从水槽上端溢出），冷却水带走试管内因磁子搅拌产生的热量，使试管内溶液温度与冷却水一致。同样，本设备的柱形光源是置于双夹层石英冷阱中央，冷却水从内夹层通过带走光源产生的高温使之正常工作，冷阱的进水口直接与自来水相接，出水经管道排掉。

箱体用于安置或连接仪器的各个部件，箱体门门有观察窗，插入有色玻璃能挡住紫外光和大部分可见光。箱体内部为黑色，以降低光反射。箱体内后板上端有散热风扇，还有若干个半圆插槽供插入活动挂钩，以固定水、气管和灯线。箱体内后板中央设有“水流开关”，可实现冷却水断水报警。后板下部有若干个洞孔，供冷却水管、气管及连接控制器的电缆通过。箱体内左侧有专用插座，分别供多试管搅拌旋转装置、水泵、光源和“水流开关”的插头使用。箱体右侧分别装有气体流量计和水流量计，分别控制通入试管气体的流速和通入环状开口夹层的冷却水流速。

本发明的有益效果是：提供了一种用于究液相光化学反应装置，能使多份溶液处于搅拌状态并使它们围绕光源同步旋转，以确保反应溶液浓度的均匀性及其接受光照的均匀性，取样也十分方便。同时由于采用化学溶液和滤光片滤光，使该仪器特别适用光化学反应的量子产率、反应速率等动力学常数的测定研究。该仪器具有控制精确度高、运行可靠、操作简便等优点。

具体实施方式

首先按照光化学反应仪要达到的性能指标，对机械和电器组件、工艺路线、材料和制作方式等制定设计和实施方案。

多试管多试管搅拌-旋转式光化学反应仪的主要组成为：多试管搅拌旋转装置，光源，光电控制器，石英器皿，滤光装置，通气装置，通水装置，体箱等，其制造方法如下：

各种光源，滤光片，高智能双数继测器，光源镇流器，交流接触器，灯触发器，继电器，电流表，调速电机，减速电机，排水泵，波段开关，灯指示开关，选择开关，水流开关等是根据规格型号在国内订购；多试管搅拌-旋转装置的固定容器、试管旋转圆环、滤光架、磁力旋转盘采用特种铝材制造，并由高精度数控车床、高精度铣床、刨床、钻床加工，外表烤黑漆；石英夹层冷阱、石英试管、置光源在内的石英圆套等器皿采用紫外光透过率大于80%的石英材料通过外协加工制造；石英试管塞采用硅橡胶制造；箱体、电器控制器壳体采用普通A3钢通过剪板机、折弯机、直流电焊机加工，箱体外表高温喷塑，箱体内烤黑漆。最后将各部件进行装配。

设备的调试程序为：将设备置于有上下水的平台上，检查仪器的各部件功能是否完好，调节旋转装置的灵活性（公转旋转时通气装置可以拆除），装上所需光源、石英夹层冷阱，按照需要选择是否要滤光、采用哪种方式滤光，在旋转圆环孔内插入盛有溶液和搅拌磁子的试管，每批试管的规格、所含溶液的量应一致，接通仪器的电、水、气路，连接体箱和电器控制器电源，检查冷却水流速是否可控，各试管内通气流速是否相近，检查旋转圆环的转速是否为为4～5r/min，嵌入若干磁片转盘的转速是否为0～1400r/min等。检查调试结束后，开机的程序为：通过电气控制器面板上开关选择光源的功率、设定反应总时间、设定取样时间→开启冷却水→启动旋转装置（如需通气则不能旋转）→启动光源→按设定取样时间逐一取下试管，直至取下最后一根试管。关机程序是：关闭光源开关→关闭旋转装置开关→关闭总电源→5分钟后关冷却水。

按照上述整机设计、制作、安装和调试得到的光化学仪，其主要参数如下：

1、光源：多种特制的管状汞灯、金属卤素灯、氙灯、镝灯等，功率为5～1000W不等

2、化学滤光液滤光：滤出240±10nm，360±10nm，400±10nm，540±10nm波长的光

3、滤光片滤光：滤出365nm，330nm

4、石英试管规格：50ml，30ml，10ml

5、旋转圆环可插入石英试管：10～20根

6、试管圆环转速：4～5r/min

7、磁子搅拌转速：0～1400r/min

8、总反应时间设定区间：0～999h

9、取样时间设定：0～999 min

10、箱体尺寸：480mm×420mm×900mm

11、电器控制器尺寸：400mm×215mm×440mm

12、机体总重量：约80Kg

13、总功率（含光源）：1.2Kw

14、电源电压：220V/50Hz。

Claims

1.多试管搅拌-旋转式光化学反应的方法，其特征是光化学反应的试管同时由磁子对试管内进行搅拌，试管围绕光源旋转，试管在旋转状态下接受光照，使得溶液在光照过程中充分混合，从而使所有试管内溶液光照均匀，试管围绕光源旋转的转速为1～10r/min，并通过可调速电机带动嵌入若干磁片转盘的旋转，产生的交变磁场驱动试管内磁子搅拌，电机的转速即为搅拌磁子的转速，磁子对试管内进行搅拌的转速为0～1400r/min；试管围绕的中心光源采用二种滤光方法：化学滤光液滤光或采用滤光片滤光，化学滤光液滤光将CuSO₄，CoSO₄，NiSO₄，K₂Cr₂O₇，KMnO₄，CuCl₂，CaCl₂，KI，I₂，萘或NaNO₂化合物配成水溶液，将该溶液放入具有双夹层石英冷阱的外夹层内，内夹层通过冷却水，石英冷阱内腔放置光源。

2.根据权利要求1所述的多试管搅拌-旋转式光化学反应的方法，其特征是滤光液从光源发出的光中滤出240±10nm，360±10nm，400±10nm，540±10nm波长的光。

3.根据权利要求1所述的多试管搅拌-旋转式光化学反应的方法，其特征是采用滤光片滤光，即在石英冷阱外面套有正六面体的滤光架，六个面的部分或全部插入滤光片，每种滤光片只能透过特定波长光。

4.根据权利要求1所述的多试管搅拌-旋转式光化学反应的方法，其特征是设有对试管内光化学反应的液体进行通气参与反应或进行通气保护，通过通气装置由导管连接气源与一气体流量计的入口，流量计出口由导管通过逐级分流与多根试管塞上的微孔径管道连接，同时试管塞上还插有微孔径管供排气用；在气体流量计和微孔径管道的控制下，通入多根试管内气体的流速能够控制在0～50ml/min的范围内，多根试管的气流速度相对偏差小于±5%。