CN105779976B - 实验室条件下燃烧反应器的氧化硼镀膜方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种氧化硼镀膜方法，具体为实验室条件下燃烧反应器的氧化硼镀膜方法，燃烧反应器预热温度80℃，硼砂加入到乙醇水溶液配置硼砂的饱和溶液，保温60℃；将硼砂饱和溶液沿燃烧反应器上端内壁缓缓浇淋，均匀的分布在燃烧反应器内壁；燃烧反应器在180℃管式加热炉中，接入高纯氮气，真空泵抽气1小时，直至燃烧反应器内壁均匀生成一层白色结晶层；升至500℃，直至白色结晶层转为无色透明。本发明提供的实验室条件下燃烧反应器的氧化硼镀膜方法，适用于实验室内使用的较小规模甚至微型的反应器镀膜，操作方法简单易行。

Description

实验室条件下燃烧反应器的氧化硼镀膜方法
技术领域
本发明涉及一种氧化硼镀膜方法，具体为实验室条件下燃烧反应器的氧化硼镀膜方法。
背景技术
氧化硼(B2O3)是一种多功能的重要无机化工原料，多用作玻璃工业，可改善玻璃制品的耐热和透明性，提高机械强度，缩短熔融时间。
氧化硼涂层最早应用于探索氧气和氢气爆炸限的动力学研究中(Alfred Egertonand D.R.Warren,1951)。研究人员在氧气和氢气的混合容器的内表面镀一层较厚的B2O3膜，当氢气和氧气在一定比例混合发生爆炸时，B2O3膜将被破坏成为碎片，根据B2O3膜碎片的弧度，判定氢气和氧气爆炸后气流形态。此后，B2O3老化膜用于二氧化硅反应器内乙醛有氧燃烧动力学反应历程的研究，用以屏蔽二氧化硅对氧化反应的促进作用(R.R.Baldwin andR.W.Walker，1959)。近年来，在H2S高温氧化的实验中，B2O3膜在系统中用以隔绝石英反应器(二氧化硅)对H2S氧化的促进作用(Chenlai(Ryan)Zhou,Karina Sendt,Brian S.Haynes，2013)。目前，B2O3膜的制备方法并不规范，且厚度不一，分布不均，在一定程度上并不能保证实验的严谨性。比如制作硼酸的硼砂纯度较低，则杂质会对反应系统产生影响；若温度过高/过低，将导致B2O3熔融成粘稠液体或水分无法去除彻底而以硼酸的形式存在，无法起到隔离介质的作用。此外，B2O3膜镀成后应进行日常维护，否则B2O3将吸收空气中的水分逐渐转变成为B2O3。
当前，B2O3镀膜在燃烧领域种多用于屏蔽反应器本身材质对于氧化燃烧的促进作用。在实验室条件下，由于反应器的规模较小，甚至是微型反应器，因此B2O3镀膜的质量将对实验条件、参数有较明显的影响。例如在体积为10cm3的微型燃烧反应器内，若B2O3镀膜厚度不均，或过厚，均将影响有效燃烧反应发生的空间，进而影响反应停留时间。此外，目前尚未有较规范的B2O3膜的制作方法，因此在文献中的各种B2O3膜质量并不统一，从而对系统的影响也不尽相同，不利于研究成果互相比较和扩大化。
发明内容
根据以上分析，本发明拟提供一种实验室条件下燃烧反应器B2O3镀膜的制作方法。
具体技术方案为：
实验室条件下燃烧反应器的氧化硼镀膜方法，包括以下过程：
(1)欲进行镀膜的燃烧反应器放置于管式加热炉上预热，预热温度控制在80℃；
(2)在烧杯中配置乙醇水溶液,乙醇、水的体积比为1∶1，作为溶解硼砂的溶剂，将烧杯置于加热板上，使用温度计测量溶液温度，使其温度达60℃。
(3)使用纯度为99.9995％的硼砂(Alfa Aesar-trace metal basis)，缓缓加入到温度为60℃的乙醇水溶液中，并使用玻璃棒轻轻搅拌，使颗粒状硼酸完全溶解，继续添加硼砂，直至溶液底部出现颗粒状的硼酸颗粒沉淀，获得饱和的溶液，根据溶解度计算，100mL乙醇水溶液约加入25g硼砂。
(4)饱和的溶液静至于加热炉，稳定后取上层清液，置于60℃加热炉上待用。
(5)将燃烧反应器从管式加热炉中取出，将加热炉升温至180℃待用，垂直固定在铁架台上，燃烧反应器底部放置废液缸。
(6)将配置好的60℃的硼酸溶液沿燃烧反应器上端内壁缓缓浇淋，在此过程中缓缓转动燃烧反应器，保证硼酸溶液均匀的分布在燃烧反应器内壁。
(7)将覆有硼酸溶液的燃烧反应器迅速转移至180℃管式加热炉中，将燃烧反应器一端接入高纯氮气，流速为10mL/min，另一端接入真空泵，在180℃下抽气1小时，直至观察到燃烧反应器内壁均匀生成一层白色结晶层；若结晶层分布不均，则停止操作，待燃烧反应器冷却后用丙酮将反复润洗燃烧反应器，将硼酸结晶洗去，重复步骤6-7，直至观察到白色均匀分布的结晶层。
(8)关闭真空泵，将管式加热炉炉温缓缓升至500℃，升温速率1℃/min。保持载气流速在2mL/min，将燃烧反应器在反应炉中加热12小时，直至观察到白色结晶层转为无色透明。
本发明提供的实验室条件下燃烧反应器的氧化硼镀膜方法，适用于实验室内使用的较小规模甚至微型的反应器镀膜，操作方法简单易行。
附图说明
图1为实施例中2-氯苯酚在三种不同反应器中实验结果对比图。
具体实施方式
结合实施例说明本发明的具体实施方式。
本实施例的燃烧反应器以管式反应器为例，氧化硼镀膜过程为：
(1)实验室烧杯加热板预热；欲进行镀膜的管式反应器放置于管式加热炉上预热，预热温度控制在80℃。
(2)在烧杯中配置乙醇、水混合溶液，乙醇、水体积比为1∶1，作为溶解硼砂的溶剂，将烧杯置于加热板上，使用温度计测量溶液温度，使其温度达60℃。
(3)使用纯度为99.9995％的硼砂(Alfa Aesar-trace metal basis)，缓缓加入温度为60℃的乙醇水溶液中，并使用玻璃棒轻轻搅拌，使颗粒状硼酸完全溶解，重复此过程，直至溶液底部出现颗粒状的硼酸颗粒沉淀，此时溶液已饱和，根据溶解度计算，100mL乙醇水溶液约加入25g硼砂。
(4)溶液静至于加热炉，稳定后取上层清液，置于60℃加热炉上待用。
(5)将反应管从管式加热炉中取出，将加热炉升温至180℃待用，垂直固定在铁架台上，略松，可缓慢转动。反应管底部放置废液缸。
(6)将配置好的硼酸溶液沿管式反应器上端内壁缓缓浇淋，在此过程中缓缓转动管式反应器，保证硼酸溶液均匀的分布在管式反应器内壁。若管式反应器尺寸较小，也可用较多的溶液，将管式反应器反复浸泡于溶液中然后取出。
(7)将覆有硼酸溶液的管式反应器迅速转移至180℃管式加热炉中，将反应管一端接入高纯氮气，流速：10mL/min，另一端接入真空泵，在180℃下抽气1小时，直至观察到管式反应器内壁均匀生成一层白色结晶层。若结晶层分布不均，则停止操作，待管式反应器冷却后用丙酮将反复润洗反应管，将硼酸结晶洗去，重复步骤6-7，直至观察到白色均匀分布的结晶层。
(8)关闭真空泵，将管式加热炉炉温缓缓升至500℃，升温速率：1℃/min。保持载气流速在2mL/min，将管式反应器在反应炉中加热12小时，直至观察到白色结晶层转为无色透明。此时管式反应器内壁的硼酸经过水分去除，已经变为惰性的氧化硼涂层，在实验中起到隔离杂质的作用。
氧化硼镀膜，在实验室条件下探寻有机物燃烧机理的实验中，用来屏蔽反应器本身材料所含杂质对实验结果的影响。例如使用高纯度的石英管/氧化铝陶瓷管等耐高温材料做有机物(多氯联苯、多溴联苯、二噁英等)在气相条件下燃烧机理的研究，由于石英管/氧化铝陶瓷管中含有痕量的过度金属杂质，因此将导致一部分有机物分子在高温时，在石英管内表面上的过度金属的催化作用下，导致在较低温度(低于理论值)下就发生了化学反应，由此实验结果与理论计算有较大出入，难以探寻真正的有机物燃烧化学反应路径。此外，目前发现石英管本身对燃烧中的氧气具有一定的激发作用，在高温时可将氧气从基态激发成为单线态氧(激发态)，而激发态的单线态氧也将导致初始反应在比理论计算的温度要低的情况下发生。在反应管内壁镀氧化硼膜保证了整个燃烧系统的严谨性，可以屏蔽掉反应管中杂质以及反应管本身对实验结果的影响，尽最大可能保证了燃烧反应在纯气相条件下发生，保证实验条件更接近立项状态，实验结果更贴近理论计算结果，从而能够较清晰的研究有机物燃烧反应路径。
图1是2-氯苯酚在三种不同反应器中实验结果(浓度VS温度)，实验中采用三种不同反应器的4-氯联苯燃烧反应实验数据，由实验结果可知，采用本实施例制得的氧化硼镀膜石英管，其所得到的结果更贴近理论计算值。
试验的初始反应温度：
氧化铝陶瓷管：400℃
高纯石英管：525℃
氧化硼镀膜石英管625℃
理论计算起始反应温度：620℃
可见采用氧化硼镀膜的反应器能够屏反应器本身的催化作用和激发作用，使得实验条件更接近理想条件，实验结果能够与理论计算结果相符。

Claims (1)

1.实验室条件下燃烧反应器的氧化硼镀膜方法，其特征在于，包括以下过程：
(1)欲进行镀膜的燃烧反应器放置于管式加热炉上预热，预热温度80℃；
(2)配置乙醇水溶液,乙醇、水的体积比为1∶1，乙醇水溶液加热保温在60℃；
(3)使用纯度为99.9995％的硼砂，缓慢加入到乙醇水溶液中，并搅拌配置硼砂的饱和溶液；
(4)硼砂饱和溶液取上层清液，保温60℃；
(5)将燃烧反应器从管式加热炉中取出，垂直固定；
(6)将硼砂饱和溶液沿燃烧反应器上端内壁缓缓浇淋，转动燃烧反应器，保证硼酸溶液均匀的分布在燃烧反应器内壁；
(7)将覆有硼砂饱和溶液的燃烧反应器迅速转移至180℃管式加热炉中，将燃烧反应器一端接入高纯氮气，流速为10mL/min，另一端接入真空泵抽气1小时，直至观察到燃烧反应器内壁均匀生成一层白色结晶层；
(8)关闭真空泵，将管式加热炉炉温缓慢升至500℃，升温速率1℃/min，保持载气流速在2mL/min，加热12小时，直至观察到白色结晶层转为无色透明。
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