CN110779771A - 智能化学反应装置及取样方法 - Google Patents

智能化学反应装置及取样方法 Download PDF

Info

Publication number
CN110779771A
CN110779771A CN201911228556.5A CN201911228556A CN110779771A CN 110779771 A CN110779771 A CN 110779771A CN 201911228556 A CN201911228556 A CN 201911228556A CN 110779771 A CN110779771 A CN 110779771A
Authority
CN
China
Prior art keywords
sampling
reaction
time
peristaltic pump
chemical reaction
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Pending
Application number
CN201911228556.5A
Other languages
English (en)
Inventor
宋德安
姜晓华
宋彦哲
孙惠青
孔凡玉
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Tobacco Research Institute of CAAS
Original Assignee
Tobacco Research Institute of CAAS
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Tobacco Research Institute of CAAS filed Critical Tobacco Research Institute of CAAS
Priority to CN201911228556.5A priority Critical patent/CN110779771A/zh
Priority to PCT/CN2019/123320 priority patent/WO2021109079A1/zh
Publication of CN110779771A publication Critical patent/CN110779771A/zh
Pending legal-status Critical Current

Links

Images

Classifications

    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N1/00—Sampling; Preparing specimens for investigation
    • G01N1/02—Devices for withdrawing samples
    • G01N1/10—Devices for withdrawing samples in the liquid or fluent state
    • G01N1/14—Suction devices, e.g. pumps; Ejector devices
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01F—MEASURING VOLUME, VOLUME FLOW, MASS FLOW OR LIQUID LEVEL; METERING BY VOLUME
    • G01F23/00—Indicating or measuring liquid level or level of fluent solid material, e.g. indicating in terms of volume or indicating by means of an alarm
    • G—PHYSICS
    • G05—CONTROLLING; REGULATING
    • G05B—CONTROL OR REGULATING SYSTEMS IN GENERAL; FUNCTIONAL ELEMENTS OF SUCH SYSTEMS; MONITORING OR TESTING ARRANGEMENTS FOR SUCH SYSTEMS OR ELEMENTS
    • G05B19/00—Programme-control systems
    • G05B19/02—Programme-control systems electric
    • G05B19/04—Programme control other than numerical control, i.e. in sequence controllers or logic controllers
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N1/00—Sampling; Preparing specimens for investigation
    • G01N1/02—Devices for withdrawing samples
    • G01N1/10—Devices for withdrawing samples in the liquid or fluent state
    • G01N2001/1031—Sampling from special places

Landscapes

  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
  • Biochemistry (AREA)
  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Analytical Chemistry (AREA)
  • Health & Medical Sciences (AREA)
  • General Health & Medical Sciences (AREA)
  • Hydrology & Water Resources (AREA)
  • Immunology (AREA)
  • Pathology (AREA)
  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Automation & Control Theory (AREA)
  • Fluid Mechanics (AREA)
  • Physical Or Chemical Processes And Apparatus (AREA)

Abstract

本发明涉及一种智能化学反应装置及取样方法，属于实验用具技术领域。本发明包括取样暂存室和反应搅拌室，取样暂存室的顶部安装蠕动泵，蠕动泵下方的空腔内放置有放置架，放置架上安装有液位传感器，反应搅拌室的顶部安装有光源，光源下方的空腔内放置有自动搅拌器；蠕动泵通过软管分别连接取样试管和反应容器。本发明包括步骤：S1：取样参数的获取：取样参数根据拟合的曲线判断，判断反应类型R为零级反应还是一级反应、零级反应的取样一级反应的取样、取样时间的调整。本发明利用蠕动泵取样样品，取样精准度高；利用自动搅拌器、定时器和液位传感器，自动取样和存放，节省人力物力；利用的取样方法，取样时间可控且取样时间合理。

Description

智能化学反应装置及取样方法
技术领域
本发明涉及一种智能化学反应装置及取样方法，属于实验用具技术领域。
背景技术
目前，在化学实验中的取样方式多为人工取样，会增加研究人员的工作量，甚至无法完 成实验，比如在实验中要求取样的时间过长(如一个反应过程超过24小时)，取样间隔较短 (如要求取样间隔短于10秒)或间隔为连续但较不均匀的时间点(如化学反应速度随时间变 化)等。此外，还有一些化学实验的反应条件对人体有明显危害，如有害射线和辐射，紫外 光灯照射，强光照射，微波辐射等条件，因此亟需自动化的化学实验装置。但是目前的设备 还无法达到这一目的。主要原因就是化学实验装置没有将化学实验原理与模型进行耦合。此 外由于缺乏对化学实验的了解，而无法开发相应的实验装置，具体如下：
(1)化学反应一般遵循某种反应动力学规律，实验过程中如需将整个反应过程较好地考 察，需要控制一定的反应条件，并在合理的时间点取得样品，从而使后续检测得到的数据点 均匀合理，能够反映整个化学过程，而这些都需要理论模型的辅助，但到目前为止，还未见 有相关设备。
(2)现有的实验装置一般是采用取样针的方式，通过在反应器中吸取样品，转移到一定 的容器中，此外还可以通过多通道阀门的切换达到取样的目的。但是不管使用哪种方式，都 存在取样器中样品残留的问题，从而导致再次取样时的样品的污染，从而直接影响实验的精 度。即使是在取样过后使用清洗液进行清洗，也无法完全保证整个管路中既不存在残留反应 样品也不存在残留的清洗液。
(3)样品转移过程或样品接收装置采用较为复杂的机械装置如转盘或三维移动机构等， 增加了样品取样的死时间即用于机械装置运动而不能用于监控反应的时间，使反应过程中取 样的间隔时间变长，不利于考察化学反应的初始也是最关键的阶段。
(4)实验中的取样量难以控制，目前可以使用柱塞泵或定量环的方式，都比较容易受到 残留液体的污染，此外定量环的体积一般较小，不利于样品体积较大的实验。
(5)样品在收集之后需要一定的条件进行保存，特别是避光、温度、气氛等条件，目前 少有相应的设备。
发明内容
针对现有技术存在的上述缺陷，本发明提出了一种智能化学反应装置及取样方法，可以 实现定时取样、取样精度高、取样后自动放置，且取样时间合理的效果。
本发明所述的智能化学反应装置，包括外壳，以及位于外壳内并通过隔板分割而成的取 样暂存室和反应搅拌室，取样暂存室的顶部安装有若干规则排列的蠕动泵，蠕动泵下方的空 腔内放置有至少一个放置架，放置架上安装有若干个用于检测取样试管液位的液位传感器， 取样暂存室的侧部设置有密封门Ⅰ，密封门Ⅰ上设置有观察窗Ⅰ；反应搅拌室的顶部安装有 由若干UV灯和若干日光灯构成的光源，光源下方的空腔内放置有自动搅拌器，自动搅拌器包 括水浴容器，以及位于水浴容器内加热管和温度传感器，水浴容器内放置有反应容器，反应 搅拌室的侧部设置有密封门Ⅱ，密封门Ⅱ上设置有观察窗Ⅱ，以及便于移液枪插入的弹性阀； 蠕动泵通过软管分别连接取样试管和反应容器，软管通过位于取样暂存室侧壁上的管卡固定 在反应容器上方；外壳的外表面设置有定时显示板。
优选地，所述定时显示板包括控制器和定时器，控制器分别连接自动搅拌器、光源、蠕 动泵、定时器和液位传感器，控制器控制自动搅拌器的搅拌速度和时长，控制光源的开关时 间和时长；控制器通过定时器依次令蠕动泵的开启，并通过液位传感器反馈至控制器令蠕动 泵关闭。
优选地，所述外壳侧部开设有气管Ⅰ和气管Ⅱ，气管Ⅰ连接至取样暂存室的外接头Ⅰ， 气管Ⅱ连接至反应搅拌室的外接头Ⅱ，气管Ⅰ和气管Ⅱ分别与气体的进气管路相连，气管Ⅰ、 气管Ⅱ与进气管路之间开设有单向阀。
优选地，所述自动搅拌器的水浴容器的侧壁上还开设有循环口Ⅰ、循环口Ⅱ，水浴容器 通过循环口Ⅰ和循环口Ⅱ连接至温控器。
优选地，所述蠕动泵包括泵体、入液口和出液口，泵体通过挤压令管体样品沿入液口向 出液口方向运动；每个蠕动泵对应一个取样试管，至少一个蠕动泵对应一个定时器。
本发明所述的智能化学反应装置的取样方法，包括如下步骤:
S1：取样参数的获取：取样参数包括反应类型R、反应时长T、反应程度P和取样点N，具体包括如下小步：
S11：在实验之前，取样点N选择为n，并为上述n个取样点的取样时间(t1，t2，……，tn)，其中tn的取值要求达到反应程度P要求；
S12：构建纵坐标为浓度、横坐标为时间的实验结果图，将测得的tn个取样点对应的浓度标记到实验结果图中，并将tn个取值进行拟合；
S13：根据拟合的曲线，利用时间和浓度的取值得到斜率Slope，从而推断出反应时长T：
S14：根据拟合的曲线判断，反应类型R为零级反应还是一级反应；
如果曲线为直线，则反应类型R为零级反应，进入步骤S2，此时反应时长T：
如果曲线为曲线，则反应类型R为一级反应，进入步骤S3，此时反应时长T：
Figure BDA0002302919780000032
S2：零级反应的取样：由S1得到反应时长T，反应程度P通常选择取样浓度为70％-99％， 取样点N不少于8个，则零级反应的取样时间T0为：
Figure BDA0002302919780000036
其中N是大于1的整数 (3)
S3：一级反应的取样：由S1得到反应时长T，反应程度P通常选择取样浓度为70％-99％， 取样点N不少于8个，则一级反应的取样时间T1为：
Figure BDA0002302919780000033
S4：取样时间的调整：化学反应根据公式(3)和公式(4)自动生成取样时间，当取样时间不符合规范时，通过增加或者减少取样点、主动修改取样时间的方式进行调整。
7.根据权利要求6所述的智能化学反应装置的取样方法，其特征在于，所述步骤S1中， 反应类型R分为零级反应和一级反应，其中：
零级反应在取样时间t的浓度Ct与初始浓度C0存在如下关系：
Figure BDA0002302919780000034
一级反应在取样时间t的浓度Ct与初始浓度C0存在如下关系：
Figure BDA0002302919780000035
优选地，所述步骤S11中，取样点N选择为n，n的取值至少为3，从而在数据处理时能够理论拟合。
优选地，所述步骤S11中，反应程度P要求，至少要求P达到取样浓度为70％。
优选地，所述步骤S4中，取样时间不符合规范是指取样时间为小于取样最低精度的时间 值，通过将其调整为修正值进行合理取样。
本发明的有益效果是：本发明所述的智能化学反应装置，利用蠕动泵取样样品，取样精 度高；利用自动搅拌器、定时器、液位传感器，分别在搅拌环节、取样环节和存储环节节省 人力物力；利用本发明的智能化学反应取样方法，取样时间可控且取样时间合理。
附图说明
图1是本发明装置的剖视图。
图2是取样暂存室的敞开状态的左视图。
图3是取样暂存室的关闭状态的左视图。
图4是反应搅拌室的敞开状态的主视图。
图5是反应搅拌室的关闭状态的主视图。
图6是本发明装置的原理连接图。
图7是本发明装置的蠕动泵剖视图。
图8(a)-8(d)是本发明方法的零级反应各个阶段的拟合曲线图。
图9(a)-9(d)是本发明方法的一级反应各个阶段的拟合曲线图。
图中：1、外壳；11、定时显示板；12、气管Ⅰ；13、气管Ⅱ；2、隔板；3、取样暂存室； 31、外接头Ⅰ；32、蠕动泵；321、泵体；322、入液口；323、出液口；33、液位传感器；34、 放置架；35、取样试管；36、观察窗Ⅰ；37、密封门Ⅰ；4、反应搅拌室；41、外接头Ⅱ；42、 管卡；43、光源；44、弹性阀；45、移液枪；46、观察窗Ⅱ；47、密封门Ⅱ；48、挂钩；5、 自动搅拌器；51、加热管和温度传感器；52、水浴容器；53、反应容器；6、温控器；61、循 环口Ⅰ；62、循环口Ⅱ。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描 述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明 中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例， 都属于本发明保护的范围。
实施例1：
如图1至图7所示，本发明所述的智能化学反应装置，智能化学反应装置，包括外壳1， 以及位于外壳1内并通过隔板2分割而成的取样暂存室3和反应搅拌室4，取样暂存室3的顶部安装有若干规则排列的蠕动泵32，蠕动泵32下方的空腔内放置有至少一个放置架34，放置架34上安装有若干个用于检测取样试管35液位的液位传感器33，取样暂存室3的侧部设置有密封门Ⅰ37，密封门Ⅰ37上设置有观察窗Ⅰ36；反应搅拌室4的顶部安装有由若干UV 灯和若干日光灯构成的光源43，光源43下方的空腔内放置有自动搅拌器5，自动搅拌器5包 括水浴容器52，以及位于水浴容器52内加热管和温度传感器51，水浴容器52内放置有反应 容器53，反应搅拌室4的侧部设置有密封门Ⅱ47，密封门Ⅱ47上设置有观察窗Ⅱ46，以及便 于移液枪45插入的弹性阀44；蠕动泵32通过软管分别连接取样试管35和反应容器53，软 管通过位于取样暂存室3侧壁上的管卡42固定在反应容器53上方；外壳1的外表面设置有 定时显示板11。
本发明的原理是：所述定时显示板11包括控制器和定时器，控制器分别连接自动搅拌器 5、光源43、蠕动泵32、定时器和液位传感器33，控制器控制自动搅拌器5的搅拌速度和时 长，控制光源43的开关时间和时长；控制器通过定时器依次令蠕动泵32的开启，并通过液 位传感器33反馈至控制器令蠕动泵32关闭。
首先，关于外壳1，如图1所示。外壳1整体呈长方体设置，在长方体顶部安装有定时显示板11，定时显示板11内置有控制器和定时器。外壳1内部设置有隔板2，通过隔板2一 分为多，至少包括两个腔体，即至少包括取样暂存室3和反应搅拌室4。隔板2上开设有若 干孔，用于放置连接取样暂存室3和反应搅拌室4的若干软管。在外壳1的侧壁开设有气管 Ⅰ12和气管Ⅱ13，用于通入气体，气管Ⅰ12连接至取样暂存室3的外接头Ⅰ31，气管Ⅱ13 连接至反应搅拌室4的外接头Ⅱ41；此处的气体可以是氮气、氩气等惰性气体用以保护反应 不受氧气的影响，也可以是氧气、氯气等反应气用以控制特定反应条件。
其次，关于取样暂存室3，如图2至图3所示。取样暂存室3位于外壳1的后部，其主要包括蠕动泵32和放置架34。蠕动泵32的优点是可以避免取样过程中样品残留的问题，由于其包括泵体321、入液口322和出液口323，如图7所示，泵体321通过挤压令管体样品沿 入液口322向出液口323方向运动，实际上样品不跟蠕动泵32发生过多接触，明显区别于其 他驱动泵。放置架34分为两排，每排设置有若干取样试管35，在每个取样试管35对应的放 置架34中部安装有一个液位传感器33，即液位传感器33与取样试管35的数量相一致。而 蠕动泵32的数量也与取样试管35的数量相一致，要求一个蠕动泵32连接一个取样试管35， 一一对应。通过一一对应，取样的蠕动泵32将样品放置到取样试管35后即停止使用，避免 软管中残留的样品对于紧接而来的下次取样造成污染。在取样暂存室3的侧部开设有一个比 放置有取样试管35的放置架34尺寸还要大的密封门Ⅰ37，为了便于从外部观察取样的状态，密封门Ⅰ37上还开设了一个茶色的透明观察窗。采用茶色的原因是避免外部光源43对于取样试管35内的样品造成影响。
再次，关于反应搅拌室4，如图4至图5所示。反应搅拌室4位于外壳1的前部，其主要包括光源43和自动搅拌器5。光源43为复合式结构，至少包括UV灯和日光灯，满足不同 的实验环境需求；光源43位于自动搅拌器5的反应容器53正上方。反应搅拌室4的前面开 设有一个密封门Ⅱ47，当需要进行试验反应时，通过关闭密封门Ⅱ47营造密封环境，避免外 界干扰。自动搅拌器5通常采用常见的磁搅拌器。自动搅拌器5包括带有温度传感器和加热 器的底盘，在底盘上设有水浴容器52。当反应需要不同的反应温度时，通过控制器控制加热器的加热时间来实现。水浴容器52内放置反应容器53，反应容器53内放置有连接蠕动泵32的软管。连接蠕动泵32的软管需要固定于反应容器53的上方，因此在反应搅拌室4的侧壁上设置有两个挂钩48，通过挂钩48固定有一根横向的管卡42，管卡42上设置有若干凹槽，软管通过凹槽的固定作用，由隔板2的水平伸展方向发生变向改为朝向反应容器53的内部。在上面提及的密封门Ⅱ47上，也设置有观察窗Ⅱ46，观察窗Ⅱ46也采用茶色透明玻璃，降低外界光源43对于反应造成的影响。同时，由于实验过程中，需要通过移液枪45加入特定的催化剂，因此在观察窗或者密封门Ⅱ47上向下倾斜开设有弹性阀44，弹性阀44在移液枪45的推动作用下向内开启，在移液枪45抽走后在弹簧作用下复位。弹性阀44的倾斜方向满足，沿倾斜通道移液枪45能伸到反应容器53的正上方。
最后，关于温控器6，如图6所示。在自动搅拌器5本身的加热管满足不了的情况下，利用温控器6实现对于温度的精准调节。尤其是快速实现低温的情况。在自动搅拌器5的水浴容器52侧部开设有循环口Ⅰ61、循环口Ⅱ62，水浴容器52通过循环口Ⅰ61和循环口Ⅱ62 连接至温控器6。温控器6根据需要可以通过串口连接至控制器，通过控制器对于温度进行 调节。
本发明所述的智能化学反应装置的使用过程如下：根据反应类型R、反应时长T、反应程 度P和取样点N，设定自动搅拌器的搅拌时间以及对应的温度，设定定时器的取样时间和取 样次数，放置架34上的取样试管35通过活动平台移动到对应的蠕动泵32处。例如，第一个 取样时间t1到达时，定时器控制对应的蠕动泵32启动，蠕动泵32一端伸入反应容器53内 通过入液口322将样品取样至取样试管35中，直至所有取样工作完成；此时，放置架34上的取样试管35存放有各个取样时间的样品，暂存于装置内部，待人员拿取。
需要说明的是：
自动搅拌器5可以选择常见的机械搅拌器。反应容器53通常选择为烧杯。定时器，配合 蠕动泵32，定时将需要取样的样品输送到取样试管35中；定时器选择为时间继电器。通过 定时器定时取样，取样时间可控且取样时间合理，在取样环节节省人力物力。
当实验完毕，同时打开密封门Ⅰ和密封门Ⅱ，将软管的两端分别从腔体内拉出，将末端 全部放置于清水或特定清洗液，如酸碱溶液中，开启蠕动泵反复循环冲洗即可完成清洗工作， 简单方便。
实施例2：
本发明所述的智能化学反应装置的取样方法，包括如下步骤:
S1：取样参数的获取：取样参数包括反应类型R、反应时长T、反应程度P和取样点N，具体包括如下小步：
S11：在实验之前，取样点N选择为n，并为上述n个取样点的取样时间(t1，t2，……，tn)，其中tn的取值要求达到反应程度P要求；
S12：构建纵坐标为浓度、横坐标为时间的实验结果图，将测得的tn个取样点对应的浓度标记到实验结果图中，并将tn个取值进行拟合；
S13：根据拟合的曲线，利用时间和浓度的取值得到斜率Slope，从而推断出反应时长T：
S14：根据拟合的曲线判断，反应类型R为零级反应还是一级反应；
如果曲线为直线，则反应类型R为零级反应，进入步骤S2，此时反应时长T：
Figure BDA0002302919780000071
如果曲线为曲线，则反应类型R为一级反应，进入步骤S3，此时反应时长T：
Figure BDA0002302919780000072
S2：零级反应的取样：由S1得到反应时长T，反应程度P通常选择取样浓度为70％-99％， 取样点N不少于8个，则零级反应的取样时间T0为：
Figure BDA0002302919780000073
S3：一级反应的取样：由S1得到反应时长T，反应程度P通常选择取样浓度为70％-99％， 取样点N不少于8个，则一级反应的取样时间T1为：
Figure BDA0002302919780000074
S4：取样时间的调整：化学反应根据公式(3)和公式(4)自动生成取样时间，当取样时间不符合规范时，通过增加或者减少取样点、主动修改取样时间的方式进行调整。
优选地，所述步骤S1中，反应类型R分为零级反应和一级反应，其中：
零级反应在取样时间t的浓度Ct与初始浓度C0存在如下关系：
Figure BDA0002302919780000075
一级反应在取样时间t的浓度Ct与初始浓度C0存在如下关系：
Figure BDA0002302919780000081
需要说明的是：
反应时长Time T：对于未知反应需要初始假定，例如假定为1h＝60min＝3600s，这里注意 单位，需要可以调整到s。
反应程度Percentage P：一般可认为反应达到70％时，即可反应出整个反应的过程，达 到90％时即监控全部反应；如需更加精确考察反应后期的变化，可设定为95％，98％，99％，甚 至是100％等。
数据密度Number N：即取样点的密度，如整个反应中取样8次或10次等；注意取样点 理论取样数最少3次，从而在后期数据处理时能够理论拟合处理；但理论取样数实际应用时 依然较少，难以达到准确实验的效果，一般认为最少8次。
实施例3：
如图8(a)至图9(d)所示，下面通过具体案例对本发明所述的智能化学反应装置的取 样方法进行说明。
一、零级反应：
在在初次进行反应，即预实验时使用手动修正取样点，如上述反应可将N设定为4，此 时取样点默认值为(0min，840s，1680s，2520s)，这样可以通过减少取样点，从而减少后续 分析检测次数。虽然减少取样点使监控反应过程的精确度下降，但是可以更小的代价初步估 计反应的重要参数T和P，以利于在后续实验中得到手动修正设定更加精确的取样点。如图8 (a)所示，仅需取4个点即可得到反应的概况。特别的是，当实验数据反映的结果超过总反 应进度的50％时，即可从图8(a)的斜率Slope较为肯定的推测总反应时间T，具体公式如 下：
Figure BDA0002302919780000082
由上可知，这里所述的手动修正取样点仅限于完全掌握设备性能及原理的操作人员在特 定情况下使用，一般不需要进行手动设定，仅通过仪器本身的默认值即可得到所需的取样点， 如图8(b)所示。当进行实验时，通过与图4相同的实验过程，可以初步确定T，从而根据 需要，设定参数得到与图8(b)或图8(d)类似的数据结果。
通过上述参数的确定，取样点的默认值可通过以下公式计算：
Figure BDA0002302919780000091
如上所述，假设(T＝3600s，P＝70％，N＝8)，如表1所示。
表1零级反应的取样参数表
Figure BDA0002302919780000092
则取样时间分别是(0s，360s，720s，1080s，1440s，1800s，2160s，2520s)，如果换算成分钟则是(0min，6min，12min，18min，24min，30min，36min，42min)，此时默认值自 动通过预先设定好的公式得出取样时间，设备即可以据此运行，如表2所示。如图8(b)所 示，环境中有机污染物四环素的光解过程即可以使用此设备与方法进行实验。
表2零级反应的自动取样参数表
取样点N 取样时间
取样点1 0min
取样点2 6min
取样点3 12min
取样点4 18min
取样点5 24min
取样点6 30min
取样点7 36min
取样点8 42min
但是对于工作经验丰富，设备运用熟练的技术人员，可以手动修正取样时间，从而在基 本不影响实验结果的基础上，采用人类更加熟悉的取样时间而不是纯粹公式中计算得到的相 对不是整数点的取样时间，如可以修正为(0min，5min，10min，20min，25min，30min，35min， 40min)，如表3所示。实验结果如图8(c)所示。
表3零级反应的修正值一参数表
Figure BDA0002302919780000093
Figure BDA0002302919780000101
可见，修正后更接近于人类对时间的使用习惯，但也有缺点，即都是以5min递进的情况 下，出现了15min取样点的缺失，此外总反应时间也从42min减少到40min，可能导致反应 没有达到70％。因此，可以继续修改参数N＝10，然后手动修正取样时间为(0min，5min，10min， 15min，20min，25min，30min，35min，40min，45min)，通过加入15min，45min两个点使取 样时间更加合理，如表4所示。实验结果如图8(d)所示。
表4零级反应的修正值二参数表
取样点N 取样时间 修正值一 修正值二
取样点1 0min 0min 0min
取样点2 6min 5min 5min
取样点3 12min 10min 10min
取样点4 18min 20min 15min
取样点5 24min 25min 20min
取样点6 30min 30min 25min
取样点7 36min 35min 30min
取样点8 42min 40min 35min
取样点9 - - 40min
取样点10 - - 45min
二、一级反应：
同样对于初次进行反应时，可在预实验时使用手动修正取样时间，如上述反应可将N设 定为4，此时取样时间默认值为(0min，30min，60min)，这样可以通过减少取样点，从而减 少后续分析检测次数。虽然减少取样点使监控反应过程的精确度下降，但是可以更小的代价 初步估计反应的重要参数T和P，以利于在后续实验中得到手动修正设定更加精确的取样时 间。如图8所示，仅需取4个点即可得到反应的概况。特别的是，当实验数据反映的结果超 过总反应进度的50％时，即可从图9(a)中预估反应的半衰期t，从而较为准确的推测总反 应时间T(如以反应完成度P＝90％为标准)，具体公式如下：
Figure BDA0002302919780000111
由上可知，这里所述的手动修正取样时间仅限于完全掌握设备性能及原理的操作人员在 特定情况下使用，一般不需要进行手动设定，仅通过仪器本身的默认值即可得到所需的取样 时间，如图9(b)所示。当进行实验时，通过与图9(a)相同的实验过程，可以初步确定T， 从而根据需要，设定参数得到与图9(b)-图9(d)类似的数据结果。
如上所述，假设(T＝3600s，P＝70％，N＝8)，如表5所示。
表5一级反应的取样参数表
则取样时间分别是(0s，220s，467s，746s，1069s，1450s，1917s，2520s)，如表6所示。此时默认值自动通过预先设定好的公式得出取样时间，设备即可以据此运行。如图9(b)所示，环境中有机污染物二氯喹啉酸的氧化降解过程即可以使用此设备与方法进行实验。
表6一级反应的自动取样参数表
取样点N 取样时间
取样点1 0s
取样点2 220s
取样点3 467s
取样点4 746s
取样点5 1069s
取样点6 1450s
取样点7 1917s
取样点8 2520s
与零级反应的情况相似，对于工作经验丰富，设备运用熟练的技术人员，可以手动修正 取样时间，从而在基本不影响实验结果的基础上，采用人类更加熟悉的取样时间而不是纯粹 公式中计算得到的相对不是整数点的取样时间，如可以修正为(0min，5min，10min，15min， 20min，25min，30min，40min)，如表7所示。实验结果如图9(c)所示。
表7一级反应的修正值一参数表
取样点N 取样时间 修正值一
取样点1 0s 0min
取样点2 220s 5min
取样点3 467s 10min
取样点4 746s 20min
取样点5 1069s 25min
取样点6 1450s 30min
取样点7 1917s 35min
取样点8 2520s 40min
可见，修正后更接近于人类对时间的使用习惯，但也有缺点，即都是以5min递进的情况 下，出现了35min取样时间的缺失，此外总反应时间也从42min减少到40min，可能导致反 应没有达到70％，更重要的是初始取样点时的样品浓度已经小于90％。由于对于一级反应来说， 反应初始阶段较快，因此应保证初始取样点的样品浓度在90％及以上。此时，除了如零级反 应类似修改参数N，然后手动修正取样时间外，还可以手动修正取样时间如(0min，3min， 8min，12min，18min，25min，35min，42min)，从而使取样时间更加合理，如图9(d)所示。 当然，不论如何手动修正参数，其取样的合理性与默认值仍有差距。
表8一级反应的修正值二参数表
取样点N 取样时间 修正值一 修正值二
取样点1 0s 0min 0min
取样点2 220s 5min 3min
取样点3 467s 10min 8min
取样点4 746s 20min 12min
取样点5 1069s 25min 18min
取样点6 1450s 30min 25min
取样点7 1917s 35min 35min
取样点8 2520s 40min 42min
需要说明的是，本发明中所述的零级反应和一级反应是最常见的化学反应，因此可以通 过本发明中预先提出的理论公式进行简便设定，即使用者仅需提供反应类型，反应时长，反 应程度，数据密度等要求即可，无需担心实验中取样的合理性。
当遇到个别情况，即化学反应中不常见的其他类型反应时，亦可以通过先选择接近的模 型，然后手工修正的方式对取样时间进行更改，从而适用于个性化的实验过程。
本发明可广泛运用于实验用具场合，尤其是适用于化学反应实验用具场合。
需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者 操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这 种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他 性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且 还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的 要素。
尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在 不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型， 本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。

Claims (10)

1.一种智能化学反应装置，其特征在于，包括外壳(1)，以及位于外壳(1)内并通过隔板(2)分割而成的取样暂存室(3)和反应搅拌室(4)，取样暂存室(3)的顶部安装有若干规则排列的蠕动泵(32)，蠕动泵(32)下方的空腔内放置有至少一个放置架(34)，放置架(34)上安装有若干个用于检测取样试管(35)液位的液位传感器(33)，取样暂存室(3)的侧部设置有密封门Ⅰ(37)，密封门Ⅰ(37)上设置有观察窗Ⅰ(36)；反应搅拌室(4)的顶部安装有由若干UV灯和若干日光灯构成的光源(43)，光源(43)下方的空腔内放置有自动搅拌器(5)，自动搅拌器(5)包括水浴容器(52)，以及位于水浴容器(52)内加热管和温度传感器(51)，水浴容器(52)内放置有反应容器(53)，反应搅拌室(4)的侧部设置有密封门Ⅱ(47)，密封门Ⅱ(47)上设置有观察窗Ⅱ(46)，以及便于移液枪(45)插入的弹性阀(44)；蠕动泵(32)通过软管分别连接取样试管(35)和反应容器(53)，软管通过位于取样暂存室(3)侧壁上的管卡(42)固定在反应容器(53)上方；外壳(1)的外表面设置有定时显示板(11)。
2.根据权利要求1所述的智能化学反应装置，其特征在于，所述定时显示板(11)包括控制器和定时器，控制器分别连接自动搅拌器(5)、光源(43)、蠕动泵(32)、定时器和液位传感器(33)，控制器控制自动搅拌器(5)的搅拌速度和时长，控制光源(43)的开关时间和时长；控制器通过定时器依次令蠕动泵(32)的开启，并通过液位传感器(33)反馈至控制器令蠕动泵(32)关闭。
3.根据权利要求1所述的智能化学反应装置，其特征在于，所述外壳(1)侧部开设有气管Ⅰ(12)和气管Ⅱ(13)，气管Ⅰ(12)连接至取样暂存室(3)的外接头Ⅰ(31)，气管Ⅱ(13)连接至反应搅拌室(4)的外接头Ⅱ(41)，气管Ⅰ(12)和气管Ⅱ(13)分别与气体的进气管路相连，气管Ⅰ(12)、气管Ⅱ(13)与进气管路之间开设有单向阀。
4.根据权利要求1所述的智能化学反应装置，其特征在于，所述自动搅拌器(5)的水浴容器(52)的侧壁上还开设有循环口Ⅰ(61)、循环口Ⅱ(62)，水浴容器(52)通过循环口Ⅰ(61)和循环口Ⅱ(62)连接至温控器(6)。
5.根据权利要求1所述的智能化学反应装置，其特征在于，所述蠕动泵(32)包括泵体(321)、入液口(322)和出液口(323)，泵体(321)通过挤压令管体样品沿入液口(322)向出液口(323)方向运动；每个蠕动泵(32)对应一个取样试管(35)，至少一个蠕动泵(32)对应一个定时器。
6.一种基于权利要求1-5任意一项所述的智能化学反应装置的取样方法，其特征在于，包括如下步骤:
S1：取样参数的获取：取样参数包括反应类型R、反应时长T、反应程度P和取样点N，具体包括如下小步：
S11：在实验之前，取样点N选择为n，并为上述n个取样点的取样时间(t1，t2，……，tn)，其中tn的取值要求达到反应程度P要求；
S12：构建纵坐标为浓度、横坐标为时间的实验结果图，将测得的tn个取样点对应的浓度标记到实验结果图中，并将tn个取值进行拟合；
S13：根据拟合的曲线，利用时间和浓度的取值得到斜率Slope，从而推断出反应时长T：
S14：根据拟合的曲线判断，反应类型R为零级反应还是一级反应；
如果曲线为直线，则反应类型R为零级反应，进入步骤S2，此时反应时长T：
如果曲线为曲线，则反应类型R为一级反应，进入步骤S3，此时反应时长T：
Figure FDA0002302919770000022
S2：零级反应的取样：由S1得到反应时长T，反应程度P通常选择取样浓度为70％-99％，取样点N不少于8个，则零级反应的取样时间T0为：
Figure FDA0002302919770000023
S3：一级反应的取样：由S1得到反应时长T，反应程度P通常选择取样浓度为70％-99％，取样点N不少于8个，则一级反应的取样时间T1为：
Figure FDA0002302919770000024
S4：取样时间的调整：化学反应根据公式(3)和公式(4)自动生成取样时间，当取样时间不符合规范时，通过增加或者减少取样点、主动修改取样时间的方式进行调整。
7.根据权利要求6所述的智能化学反应装置的取样方法，其特征在于，所述步骤S1中，反应类型R分为零级反应和一级反应，其中：
零级反应在取样时间t的浓度Ct与初始浓度C0存在如下关系：
Figure FDA0002302919770000025
一级反应在取样时间t的浓度Ct与初始浓度C0存在如下关系：
Figure FDA0002302919770000031
8.根据权利要求6所述的智能化学反应装置的取样方法，其特征在于，所述步骤S11中，取样点N选择为n，n的取值至少为3，从而在数据处理时能够理论拟合。
9.根据权利要求6所述的智能化学反应装置的取样方法，其特征在于，所述步骤S11中，反应程度P要求，至少要求P达到取样浓度为70％。
10.根据权利要求6所述的智能化学反应装置的取样方法，其特征在于，所述步骤S4中，取样时间不符合规范是指取样时间为小于取样最低精度的时间值，通过将其调整为修正值进行合理取样。
CN201911228556.5A 2019-12-04 2019-12-04 智能化学反应装置及取样方法 Pending CN110779771A (zh)

Priority Applications (2)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN201911228556.5A CN110779771A (zh) 2019-12-04 2019-12-04 智能化学反应装置及取样方法
PCT/CN2019/123320 WO2021109079A1 (zh) 2019-12-04 2019-12-05 智能化学反应装置及取样方法

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN201911228556.5A CN110779771A (zh) 2019-12-04 2019-12-04 智能化学反应装置及取样方法

Publications (1)

Publication Number Publication Date
CN110779771A true CN110779771A (zh) 2020-02-11

Family

ID=69393853

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
CN201911228556.5A Pending CN110779771A (zh) 2019-12-04 2019-12-04 智能化学反应装置及取样方法

Country Status (1)

Country Link
CN (1) CN110779771A (zh)

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN112552359A (zh) * 2020-12-21 2021-03-26 北京大学 一种磺达肝葵钠五糖中间体自动化制备方法

Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN112552359A (zh) * 2020-12-21 2021-03-26 北京大学 一种磺达肝葵钠五糖中间体自动化制备方法
WO2022135319A1 (zh) * 2020-12-21 2022-06-30 北京大学 一种磺达肝葵钠五糖中间体自动化制备方法

Similar Documents

Publication Publication Date Title
CN104764693B (zh) 带自动量程校准的便携式红外气体分析仪及校准方法
CN105136671B (zh) 一种含氟气体红外光谱的检测应用方法
CN110779771A (zh) 智能化学反应装置及取样方法
CN211122138U (zh) 智能化学反应装置
WO2021109079A1 (zh) 智能化学反应装置及取样方法
CN110095424B (zh) 一种黑臭水体四参数在线监测一体化装置
CN116298165A (zh) 一种五日生化需氧量全自动分析仪
CN111289711A (zh) 一种水质生物毒性在线监测装置及方法
CN111781131A (zh) 一种高精度智能化多功能周期浸润腐蚀箱
CN111272532A (zh) 一种全自动消解赶酸仪
CN215288127U (zh) 一种工业废水ph自动调节装置
CN214894378U (zh) 一种环境检测用空气取样设备
EP0087028A1 (en) Automatic chemical analyzer
CN216050560U (zh) 一种检测产品密封完整性的设备
CN114114370A (zh) 一种基于自动化控制的液体中镭含量检测方法及检测系统
CN209927570U (zh) 一种用于烃源岩中总有机碳含量测定前的处理装置
CN210269610U (zh) 活性污泥在线监控装置
CN113693591A (zh) 一种全自动蒸发与熏显隔离的502熏显柜
CN209055354U (zh) 一种新型在线监测河流饮用水水质便携装置
CN113176375A (zh) 氧化亚铁测定专用智能试验系统
CN208026631U (zh) 一种便携式铀定量分析仪
CN219625350U (zh) 一种水质检测装置
CN214621995U (zh) 海水化学需氧自动消解装置
CN214201349U (zh) 一种食品理化检验用滴定装置
FR2343239A1 (fr) Appareil autonome de prelevement automatique programme de liquides a analyser

Legal Events

Date Code Title Description
PB01 Publication
PB01 Publication
SE01 Entry into force of request for substantive examination
SE01 Entry into force of request for substantive examination