DE19746343A1 - Method for photo chemical and biological reactions - Google Patents
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Abstract
Description
Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrich tung zur Einbringung solarer Strahlungsenergie in einen Photoreaktor zur Durchführung photochemischer oder photobiologischer Reaktionen mit Sonnenlicht.The invention relates to a method and a Vorrich device for introducing solar radiation energy into one Photoreactor to carry out photochemical or photobiological reactions with sunlight.
Zur Aktivierung einer photochemischen oder photobiolo gischen Reaktion muß elektromagnetische Strahlung ab sorbiert werden. Sie kann einerseits von einem Bestand teil - z. B. einer funktionellen Gruppe - der zur Reak tion zu bringenden chemischen Verbindung oder von einer Zelle bzw. einem Bestandteil einer Zelle, andererseits auch von einem Sensibilisator, der Energie oder eine Ladung auf das zur Reaktion zu bringende System über trägt, oder von einem Katalysator, der nach Aktivierung durch die Strahlung den Ablauf der Reaktion steuert, absorbiert werden. Ein derartiger Bestandteil, Sensibi lisator, Katalysator o. ä. wird im Zusammenhang mit dieser Erfindung nachfolgend als "Photoabsorber" be zeichnet.To activate a photochemical or photobiolo Reaction must electromagnetic radiation be sorbed. On the one hand, it can be from a stock part - e.g. B. a functional group - the Reak tion to be brought chemical compound or from a Cell or part of a cell, on the other hand also from a sensitizer, the energy or one Charge to the system to be reacted carries, or from a catalyst that after activation through which radiation controls the course of the reaction, be absorbed. Such a component, Sensibi lizer, catalyst or the like is in connection with this invention hereinafter as "photo absorber" be draws.
Von dem Licht eines breitbandig emittierenden Strahlers- insbesondere vom Sonnenlicht - kann häufig nur ein Teil der Strahlung für die betreffende photochemische oder photobiologische Reaktion genutzt werden. Kurzwel liges Licht kann in manchen Reaktionen unerwünschte Ne benreaktionen oder Zellschädigungen hervorrufen. Licht größerer Wellenlängen ist für die elektronische An regung nicht energiereich genug. Es gibt aber auch Fäl le, in denen kurzwellige Strahlung einen erwünschten photochemischen oder photobiologischen Effekt hervor ruft, während längerwellige Strahlung ihn teilweise oder auch vollständig wieder umkehrt. Innerhalb des für die photochemische oder photobiologische Reaktion ge eigneten Wellenlängenbereiches wird das Licht einiger Teilbereiche in höherem Grad absorbiert als das Licht anderer Teilbereiche.From the light of a broadband emitter - especially from sunlight - can often only one Part of the radiation for that photochemical or photobiological reaction can be used. Kurzwel Light in some reactions can cause unwanted Ne cause ben reactions or cell damage. light Larger wavelengths is for the electronic type excitement not energetic enough. But there are also cases le in which short-wave radiation is a desirable photochemical or photobiological effect partially calls him while longer-wave radiation or completely reversed again. Within the for the photochemical or photobiological reaction ge suitable wavelength range is the light of some Partial areas absorbed to a higher degree than light other areas.
Der Erfolg einer bestimmten photochemischen oder photo biologischen Reaktion hängt damit in erheblichem Maße von der Auswahl einer geeigneten Lichtquelle und der spektralen Selektion des Lichtes ab. Insbesondere kann die Qualität einer photochemischen oder photobiolo gischen Reaktion, die durch Umsatz, Selektivität, Raum- Zeit-Ausbeute und die erwünschte photobiologische Wir kung gegenüber einer begleitenden unerwünschten Wirkung ausgedrückt werden kann, durch die Anordnung der Strahlungsquelle, ihre Leistung und ihre spektrale Ver teilung beeinflußt werden. Fortschritte in der tech nischen Ausführung photochemischer und photobiolo gischer Anwendungen erfolgen daher parallel mit der Entwicklung geeigneter Strahlungsquellen und Methoden zur Selektion und Verstärkung des gewünschten Spektral bereiches. Eine Übersicht zum Stand der Technik der solaren photochemischen und photokatalytischen Technik wurde kürzlich publiziert. Hierin wurden auch die wich tigsten zu lösenden Probleme aufgezeigt, um eine Kom merzialisierung einzuleiten (K.-H. Funken, D.M. Blake, M. Romero, I. Spiewak, Recent Developments in Solar Photochemistry: Status and Perspektives, in: M. Becker, M. Böhmer (eds) Proc. 8th Int. Symp. Sol. Concentrating Technol., October 6-11, 1996, Köln, Germany, C.F. Mül ler Verlag Heidelberg (1997) vol. 3 1325-1336).The success of a particular photochemical or photo biological reaction depends to a large extent on the selection of a suitable light source and the spectral selection of the light. In particular, the quality of a photochemical or photobiological reaction, which can be expressed by conversion, selectivity, space-time yield and the desired photobiological effect against an accompanying undesirable effect, by the arrangement of the radiation source, its power and its spectral distribution to be influenced. Advances in the technical execution of photochemical and photobiological applications are therefore taking place in parallel with the development of suitable radiation sources and methods for the selection and amplification of the desired spectral range. An overview of the state of the art in solar photochemical and photocatalytic technology was recently published. It also identified the most important problems to be solved in order to initiate commercialization (K.-H. Funken, DM Blake, M. Romero, I. Spiewak, Recent Developments in Solar Photochemistry: Status and Perspektives, in: M. Becker , M. Böhmer (eds) Proc. 8 th Int.Symp.Sol.Sentrentrating Technol., October 6-11, 1996, Köln, Germany, CF Mül ler Verlag Heidelberg (1997) vol. 3 1325-1336).
Zu den im industriellen Maßstab verwirklichten photo chemischen Prozessen mit dem Ziel der Herstellung von Chemikalien zählen Photohalogenierungen, Photosul fochlorierungen, Photosulfoxidationen, Photonitrosie rungen, Photoisomerisierungen, Photohydrodimerisie rungen, Photodesulfonierungen, Photosulfonylierungen und Photooxygenierungen. Es sind aber auch weitere, noch nicht im industriellen Maßstab durchgeführte Reak tionstypen bekannt, die unter der Einwirkung von elek tromagnetischer Strahlung mit großer Selektivität zu veredelten Produkten führen.To the photo realized on an industrial scale chemical processes with the aim of producing Chemicals include photohalogenations, photosul chlorination, photosulfoxidation, photonitrosia stanchions, photoisomerizations, photohydrodimerization stations, photodesulfonations, photosulfonylations and photo oxygenations. But there are also more Reak not yet carried out on an industrial scale tion types known under the influence of elec tromagnetic radiation with great selectivity lead refined products.
Auch durch photobiologische Umsetzungen kann man hoch veredelte Produkte gewinnen. Applikationsgebiete für die Produkte, die aus phototrophen Cyanobakterien, Algen und Mikroalgen gewonnen werden, bieten sich in der Medizin, der Pharmazie, der Kosmetik, der Landwirt schaft, der Ernährung sowie im Bereich der Umwelt technik. Es lassen sich beispielsweise Farbstoffe und färbende Lebensmittel (z. B. Phycocyanine, Phycobili proteine und Carotinoide), mehrfach ungesättigte Fett säuren (insbesondere Arachidonsäure, Eicosapentaen- und Docosahexaensäure), Antioxidantien (z. B. Tocopherol), Proteine und Polysaccharide herstellen. Auch pharma kologisch aktive Substanzen (Antibacterizide und Anti fungizide) wurden in verschiedenen Mikroalgen identi fiziert.One can also be high through photobiological implementations win refined products. Areas of application for the products made from phototrophic cyanobacteria, Algae and microalgae are available in medicine, pharmacy, cosmetics, the farmer society, nutrition and the environment technology. For example, dyes and coloring foods (e.g. phycocyanins, phycobili proteins and carotenoids), polyunsaturated fat acids (especially arachidonic acid, eicosapentaen and Docosahexaenoic acid), antioxidants (e.g. tocopherol), Produce proteins and polysaccharides. Also pharma ecologically active substances (antibactericides and anti fungicides) were identified in different microalgae fected.
Im Gebiet der Umwelttechnik werden photochemische und photobiologische Verfahren entwickelt, um durch Schad stoffe und/oder Mikroorganismen kontaminierte Wässer oder Gasströme zu detoxifizieren und/oder zu entkeimen. Gemeinsam ist bei diesen Verfahren, daß unter photo nischer Anregung Singulett-Sauerstoff, Hydroxyl- oder andere sauerstoffhaltige Radikale gebildet werden, die dann die abzubauenden Schadstoffe bzw. die zu inakti vierenden Mikroorganismen angreifen. So ist die Bildung angeregter Sauerstoff-Spezies möglich und bekannt durch Energietransfer von einem elektronisch angeregten Donor, durch Anregung eines Halbleiter-Materials, wie z. B. Titandioxid oder durch Foto-Fenton-Reagenzien.In the field of environmental technology, photochemical and photobiological process developed to by harmful Water contaminated with substances and / or microorganisms or to detoxify and / or sterilize gas flows. Common to these processes is that under photo African excitation singlet oxygen, hydroxyl or other oxygen radicals that are formed then the pollutants to be broken down or those too inacti attack four microorganisms. That's how education is excited oxygen species possible and known by Energy transfer from an electronically excited Donor, by excitation of a semiconductor material, such as e.g. B. titanium dioxide or by photo-Fenton reagents.
Zur Durchführung der photochemischen oder photobiolo gischen Umsetzungen stehen verschiedene Lichtquellen zur Verfügung, so z. B. Gasentladungslampen, Glühlampen, fluoreszierende Lampen oder Röhren sowie Laser. Jede dieser Lichtquellen besitzt charakteristische Eigen schaften bezüglich der Art des emittierten Spektrums und der Leuchtstärke. Das Spektrum kann nur in begrenz tem Umfang durch Manipulationen an der Lampe, wie z. B. Verwendung verschiedener Leuchtmedien, Dotierungen oder Druckänderungen, beeinflußt werden. Ferner kann durch Filtergläser oder Flüssigfilter (z. B. Lösungen be stimmter Salze oder organischer Komponenten) ein Teil des Spektrums absorbiert werden. Solche Maßnahmen kön nen jedoch eine Verkürzung der Lebensdauer der Lampen oder einen höheren apparativen Aufwand und damit höhere Kosten verursachen. Auch eine Erhöhung der Leuchtstärke ist nur begrenzt möglich und in der Regel mit höherem Stromverbrauch und einer Zunahme des Lampenvolumens verbunden. Durch fluoreszierende Zusätze in den Lampen kann man zwar das zur Verfügung gestellte Licht der Absorptionscharakteristik des photonischen Systems an passen, es ist jedoch von Nachteil, daß sie sehr dif fuse Lichtquellen sind und ihr Licht nicht effizient auf ein Reaktionsgefäß fokussiert werden kann. Mit Lasern kann man zwar intensive Strahlung einer ge wünschten Wellenlänge zur Verfügung stellen, aber ihre Installation und ihr Betrieb sind mit so hohen Kosten verbunden, daß ihr Einsatz aus wirtschaftlichen Gründen nur in sehr speziellen Fällen zu rechtfertigen ist.To carry out the photochemical or photobiolo Different light sources are available for implementation available, e.g. B. gas discharge lamps, incandescent lamps, fluorescent lamps or tubes as well as lasers. Each these light sources have characteristic properties with regard to the type of spectrum emitted and the luminosity. The spectrum can only be limited tem scope by tampering with the lamp, such as. B. Use of different lighting media, doping or Changes in pressure. Furthermore, by Filter glasses or liquid filters (e.g. solutions be certain salts or organic components) of the spectrum are absorbed. Such measures can however, shorten the life of the lamps or a higher expenditure on equipment and thus higher Cause costs. Also an increase in the luminosity is only possible to a limited extent and usually with a higher one Power consumption and an increase in lamp volume connected. With fluorescent additives in the lamps you can use the light provided Absorption characteristics of the photonic system fit, but it is disadvantageous that they are very dif fuse light sources and their light are not efficient can be focused on a reaction vessel. With Lasers can be intense radiation from a ge desired wavelength, but yours Installation and operation are so expensive connected that their use for economic reasons can only be justified in very special cases.
Anstelle elektrisch betriebener Lichtquellen kann auch die Sonnenstrahlung zur Durchführung photochemischer und photobiologischer Umsetzungen genutzt werden. Seit langem ist die Verwendung voluminöser, transparenter oder auch offener oder durch transparente Abdeckungen gegenüber der Umgebung abgeschirmter Reaktionsgefäße bekannt, die der Sonnenstrahlung ausgesetzt werden. In jüngerer Zeit wurden auch linien- oder punktfokus sierende Konzentratoren genutzt, um die Direktstrahlung der Sonne in den Reaktionsapparat zu bündeln.Instead of electrically powered light sources, too the solar radiation to carry out photochemical and photobiological implementations. since For a long time, the use of voluminous, transparent or even more open or through transparent covers reaction vessels shielded from the environment known to be exposed to solar radiation. In more recently, line or point focus has also become concentrators used to direct radiation to bundle the sun into the reaction apparatus.
In der Patentschrift DE 44 23 302 C1 wird eine Vorrich tung zur Einkopplung von Strahlungsenergie in einen Photoreaktor beschrieben, die von holographischen Vor richtungen Gebrauch macht, um aus dem von der jewei ligen Lichtquelle gelieferten Bereich nur einen Teil in das Innere des Reaktors zu bündeln. Dies bringt die Vorteile mit sich, daß nur die Strahlung in den Reaktor geleitet wird, die für die betreffende photochemische Reaktion nützlich ist. Somit können Nebenreaktionen, die durch zu kurzwelliges Licht ausgelöst würden, und eine unerwünschte Erwärmung aufgrund der Absorption von zu langwelligem Licht, die zu erhöhten Aufwendungen für die Kühlung führen würde, vermieden werden. Allerdings ist eine Nutzung der ausgeblendeten Strahlung für die interessierende Photoreaktion nicht möglich.In the patent DE 44 23 302 C1 a Vorrich device for coupling radiation energy into one Photoreactor described by holographic pre direction uses to derive from that of the respective only a part of the light source supplied to bundle the inside of the reactor. This brings the Advantages that only the radiation in the reactor is directed to the photochemical in question Response is useful. So side reactions, that would be triggered by light that is too short, and an undesirable heating due to the absorption of too long-wave light, which leads to increased expenses for cooling would be avoided. Indeed is a use of the hidden radiation for the photoreaction of interest not possible.
Sowohl für photochemische als auch für photobiologische Anwendungen sind die Kosten zur Bereitstellung des Lichtes von erheblicher Bedeutung. Bei elektrisch be triebenen Lichtquellen fallen vor allem hohe Investi tionskosten für Lampen, Leistungsversorgung und Sicher heitsmaßnahmen sowie Betriebskosten für den Lampener satz, der durch die begrenzte Lebensdauer der Lampen bedingt wird, Kühlung und elektrischen Strom an. Ein weiterer Nachteil liegt darin, daß in der Regel nur ein häufig geringer Teil des von dem Strahler emittierten Lichtes für die betreffende Umsetzung nutzbar ist. Mit Sonnenlicht betriebene Systeme weisen nicht alle diese Nachteile auf. Insbesondere entfallen die hohen In vestitionskosten für Lampen und Leistungsversorgung sowie Betriebskosten für Lampenersatz und elektrischen Strom. Der Aufwand für die Kühlung ist außerdem deut lich geringer als bei lampenbetriebenen Systemen. Von Nachteil gegenüber den lampenbetriebenen Systemen ist es aber, daß die solare Photochemie und Photobiologie nur während der Sonnenscheinstunden durchführbar ist. Es besteht die Chance, daß an geeigneten Standorten mit Sonnenlicht betriebene photochemische oder photobiolo gische Systeme in einer Gesamtbetrachtung kosten günstiger arbeiten als mit Kunstlicht betriebene. So werden bereits heute einige photobiologische Synthesen von hochveredelten Produkten industriell mit Sonnen licht durchgeführt. Es ist für die solare Photochemie, aber auch für die solare Photobiologie von Nachteil, daß nur ein Teil des Sonnenspektrums für die betref fende photonische Umsetzung genutzt werden kann. Ein besserer photonischer Nutzungsgrad würde die Wirt schaftlichkeit nachhaltig steigern können.For both photochemical and photobiological Applications are the cost of deploying the Light of considerable importance. With electrical be Driven light sources primarily involve high investments costs for lamps, power supply and security safety measures and operating costs for the Lampener set by the limited life of the lamps cooling and electrical current. A Another disadvantage is that usually only one often a small part of that emitted by the emitter Light can be used for the relevant implementation. With Systems powered by sunlight do not have all of these Disadvantages. In particular, the high In investment costs for lamps and power supply and operating costs for lamp replacement and electrical Electricity. The effort for cooling is also significant less than with lamp-powered systems. From The disadvantage compared to the lamp-operated systems is but that solar photochemistry and photobiology can only be carried out during the hours of sunshine. There is a chance that at suitable locations with Sunlight powered photochemical or photobiolo overall systems cost work cheaper than those operated with artificial light. So are already some photobiological syntheses of highly refined products industrially with suns light done. It’s for solar photochemistry, but also disadvantageous for solar photobiology, that only a part of the solar spectrum affects the fende photonic implementation can be used. A the host would have better photonic efficiency sustainably increase profitability.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren und eine Vorrichtung anzugeben, um eine bessere Aus nutzung des Sonnenspektrums für photochemische und/oder photobiologische Anwendungen zu ermöglichen.The invention has for its object a method and provide a device to better out use of the solar spectrum for photochemical and / or enable photobiological applications.
Die Lösung dieser Aufgabe erfolgt erfindungsgemäß mit dem Verfahren nach Patentanspruch 1 und mit der Vor richtung nach Patentanspruch 5.This object is achieved with the invention the method according to claim 1 and with the front direction according to claim 5.
Das grundsätzliche Merkmal des erfindungsgemäßen Lö sungsweges besteht darin, daß entweder der gesamte Spektralbereich der Sonnenstrahlung oder ein für die interessierende photonische Umsetzung nicht nutzbarer Teil des Spektralbereichs mit einem Wellenlängen ver schiebenden Medium in Wechselwirkung gebracht wird, um Strahlung zu emittieren, die in dem interessierenden Spektralbereich liegt. Das wellenlängenverschiebende Medium absorbiert einen Teil der Solarstrahlung und strahlt daraufhin seinerseits Strahlung ab, die in einem anderen Wellenlängenbereich liegt. Ein typisches wellenlängenverschiebendes Medium ist fluoreszierendes Material. Erfindungsgemäß wird ein in den bisher be kannten Vorrichtungen nicht nutzbarer Teil der Sonnen strahlung in den für die photonische Reaktion günstigen Spektralbereich verschoben. Somit wird der auf die integrale Strahlungsleistung der Sonnenstrahlung bezo gene nutzbare Anteil der photonischen Energie deutlich gesteigert.The basic feature of the Lö according to the invention solution path is that either the entire Spectral range of solar radiation or one for that interesting photonic conversion not usable Part of the spectral range with a wavelength ver interacting pushing medium To emit radiation in the interested Spectral range lies. The shifting wavelength Medium absorbs part of the solar radiation and then in turn emits radiation which in another wavelength range. A typical one Wavelength-shifting medium is fluorescent Material. According to the invention in the previously be knew devices of unusable part of the suns radiation in the favorable for the photonic reaction Spectral range shifted. Thus, the on integral radiation power of solar radiation bezo gene usable portion of the photonic energy clearly increased.
Im allgemeinen werden fluoreszierende Additive verwen det, die kurzwelliges Licht in längerwelliges Licht transformieren, wie z. B. UV-Strahlung in blaues, grü nes, gelbes oder rotes Licht (down-conversion). Nütz lich und interessant ist aber auch im Falle der Sonnen strahlung die Umwandlung von Infrarot-Licht in den sichtbaren Spektralbereich (up-conversion). Günstiger weise werden die Additive so gewählt, daß ihr Emis sionsspektrum eine möglichst effektive photonische Re aktion induziert und der Anteil der für die Reaktion nicht benötigten Spektralbereiche klein ist. Das Emis sionsspektrum der Additive fällt also günstigerweise mit dem Absorptionsspektrum des Chromophors zusammen, insbesondere in den Bereich, in dem einerseits das Ab sorptionsspektrum einen möglichst hohen Extinktions koeffizienten besitzt, und in dem andererseits die pho tonische Umsetzung mit möglichst hoher Quantenausbeute erfolgt.Fluorescent additives are generally used det, the short-wave light into longer-wave light transform such. B. UV radiation in blue, green nes, yellow or red light (down-conversion). Useful But is also interesting and interesting in the case of the suns the conversion of infrared light into the radiation visible spectral range (up-conversion). Cheaper the additives are chosen so that their Emis sion spectrum a most effective photonic Re action induced and the proportion of the response spectral ranges not required is small. The Emis sion spectrum of the additives falls favorably together with the absorption spectrum of the chromophore, especially in the area where the Ab sorption spectrum the highest possible extinction has coefficients, and in which on the other hand the pho Tonic implementation with the highest possible quantum yield he follows.
Durch die Wirkung der erfindungsgemäßen Merkmale findet eine deutliche Steigerung des Lichtstromes gegenüber der einfallenden Strahlung in dem für die gewünschte Reaktion benötigten Spektralbereich der Sonnenstrahlung statt auf Kosten ungewünschter Strahlungsanteile. Die Verschiebung von kurzwelliger Strahlung, insbesondere des UV-Anteils, kann in bestimmten Fällen von beson derem Vorteil sein, in denen sie zu Nebenreaktionen oder Produktschädigung führen würde. Die Verschiebung langwelliger Strahlung, insbesondere des infraroten Anteils, kann dann von besonderem Vorteil sein, wenn sie durch Bestandteile des Reaktionsgemisches, absor biert würde, ohne zu der gewünschten photonischen Um setzung zu führen, und somit in einer ungewünschten Erwärmung resultierte.Due to the effect of the features of the invention compared to a significant increase in luminous flux the incident radiation in the for the desired Response required spectral range of solar radiation instead of at the expense of unwanted radiation. The Displacement of short-wave radiation, in particular of the UV component, can in certain cases be particularly their advantage in which they lead to side reactions or cause product damage. The postponement long-wave radiation, especially infrared Share, can be particularly advantageous if it by components of the reaction mixture, absor would be without the desired photonic order lead, and thus in an unwanted Warming resulted.
Das wellenlängenverschiebene Medium besteht vorzugs weise aus Polymerformkörpern und/oder Polymerschicht systemen, in die fluoreszierende Additive eingebracht wurden. Das Volumen des Polymers und die Konzentration der fluoreszierenden Additive können so gewählt werden, daß eine Lichtumwandlung hinsichtlich des für die photonische Umsetzung günstigsten Spektralbereichs mit einem hohen Wirkungsgrad abläuft und eine genügend hohe Konzentration der Strahlung bewirkt wird.The wavelength-shifting medium is preferred as made of polymer moldings and / or polymer layer systems into which fluorescent additives are incorporated were. The volume of the polymer and the concentration of the fluorescent additives can be chosen that a light conversion with regard to that for the photonic implementation with the cheapest spectral range high efficiency and a sufficiently high one Concentration of radiation is effected.
Zur Steigerung der Effektivität der Lichtumwandlung können mehrere fluoreszierende Additive benutzt werden, die sich in ihren Absorptions- und Emissionseigenschaf ten unterscheiden und ergänzen. Ferner besteht die Mög lichkeit, eine mehrstufige Lichtumwandlung vorzunehmen, bei der in einer ersten Stufe ein Teil des Solarspek trums auf einen ersten Spektralbereich umgesetzt wird, und in einer zweiten Stufe der zweite Spektralbereich auf einen dritten Spektralbereich umgesetzt wird.To increase the effectiveness of light conversion several fluorescent additives can be used, which differ in their absorption and emission properties distinguish and complement. There is also the possibility possibility to carry out a multi-stage light conversion, in the first stage, part of the solar spec is implemented on a first spectral range, and in a second stage the second spectral range is converted to a third spectral range.
Zweckmäßigerweise ist ein Konzentrator vorgesehen, der die Solarstrahlung auf das wellenlängenverschiebende Medium konzentriert. Ein solcher Konzentrator besteht beispielsweise aus einem Rinnenreflektor, insbesondere einem Parabolrinnenreflektor, in dessen Brennlinie das Medium angeordnet ist. Bei Verwendung eines Konzen trators sind wesentlich höhere Raum-Zeit-Ausbeuten des Reaktors realisierbar. A concentrator is expediently provided, which the solar radiation on the wavelength shifting Medium concentrated. Such a concentrator exists for example from a channel reflector, in particular a parabolic trough reflector, in the focal line of which Medium is arranged. When using a conc trators are much higher space-time yields of the Reactor feasible.
Die Vorrichtung kann auch mit einer holographischen Vorrichtung kombiniert werden, die einen Teil des Lichts ausblendet, der zu unerwünschten Begleiter scheinungen, z. B. Neben- und Folgereaktionen oder Er wärmung infolge Absorption von Strahlung, führen würde und nicht zu der Photoreaktion beiträgt und auch nicht wirtschaftlich sinnvoll in den gewünschten Spektralbe reich verschoben werden kann.The device can also be used with a holographic Combine device that is part of the Hides light that becomes an unwanted companion appearances, e.g. B. side and follow-up reactions or Er warming due to absorption of radiation and does not and does not contribute to the photoreaction economically sensible in the desired spectral spectrum can be moved richly.
Die Polymerformkörper und/oder Polymerschichtsysteme bestehen je nach Anwendungsfall aus den unterschied lichsten optischen transparenten Polymermaterialien, wie z. B. Polymethylmethacrylat, Polymethacrylsäure ester, Polymethacrylsäuren, Polyacrylsäuren und deren Ester, aus Kopolymeren dieser Materialien, wie Polymethacrylmethylimiden, Methylmethacrylat-Acryl nitril-Vinylestern, Polymethylpenten, Acrylsäure-Sty ren-Acrylsäure-Vinylacetat-Kopolymeren, aus Polystyren, Polyvinyltoluen, Polycarbonaten, Polyethylenen, Poly proylen, Cellulosederivaten, Polyacetalen, Polyamiden, fluorierten Acrylsäure-Polymeren, Cycloolefin-Polyme ren, Polyimiden, Polyallylphthalaten, Acetatbutyraten, Polyvinylchlorid, Polyestern sowie Kopolymeren dieser Materialien.The polymer moldings and / or polymer layer systems consist of the difference depending on the application most optical transparent polymer materials, such as B. polymethyl methacrylate, polymethacrylic acid esters, polymethacrylic acids, polyacrylic acids and their Esters, from copolymers of these materials, such as Polymethacrylic methylimides, methyl methacrylate acrylic nitrile vinyl esters, polymethylpentene, acrylic acid sty ren-acrylic acid-vinyl acetate copolymers, made of polystyrene, Polyvinyltoluen, polycarbonates, polyethylenes, poly proyls, cellulose derivatives, polyacetals, polyamides, fluorinated acrylic acid polymers, cycloolefin polymers ren, polyimides, polyallyl phthalates, acetate butyrates, Polyvinyl chloride, polyesters and copolymers of these Materials.
Die in die optisch transparenten Polymerformkörper und/oder Polymerschichtsysteme eingelagerten fluores zierenden Additive sind beispielsweise p-Terphenyle, p-Quaterphenyle, p-Quinquephenyle, Oxadiazole, Oxazole, Diphenylfurane, Stilbene, Stryryle, Stryrylpyrane, Coumarine, Furane, Fluoresceine, Fuorole, Rhodamine, Uranine, Pyrane, Cyanin-Derivate, Cresyl-Violett, Malachit-Grün, Oxazone, Oxazine, Pyridine, Carbazine, Benzoxanthen-Derivate, Thioxanthen-Derivate, Sulfaflavine, Chinolone, Azachinolone, Pyrromethene, Benzimidazole, Diphenylanthracene, Thiophene, Phenyl vinylene, Perylene, Perylenimide, Naphthalate, Naphthalimide, Naphthole, Phthalo- und Naphtalocyanine, Porphyrine, 4-Dicanomethylen-2-methyl-6-p- dimethylamino-styryl-4H-pyron, Perchlorate, Iodide, wie z. B. DODC- oder DTTC-Iodide oder weitere katalogisierte fluoreszierende Stoffe wie z. B. IR-26, IR-125, IR-132, IR-140, IR-144, Kodak Dye 26, Nil Blue A Perchlorat, POPOP, HPTS, sowie DCM, HITCI, DOCI, DMETCI oder Pyridinphenylborate (ASPT) und Aminophenylsul fonylstilbene (APSS).The in the optically transparent polymer moldings and / or polymer layer systems embedded fluores decorative additives are, for example, p-terphenyls, p-quaterphenyls, p-quinquephenyls, oxadiazoles, oxazoles, Diphenylfurans, stilbenes, stryryle, stryrylpyrans, Coumarins, furans, fluoresceins, fuoroles, rhodamines, Uranines, pyrans, cyanine derivatives, cresyl violet, Malachite green, oxazones, oxazines, pyridines, carbazines, Benzoxanthene derivatives, thioxanthene derivatives, Sulfaflavins, quinolones, azaquinolones, pyrromethenes, Benzimidazoles, diphenylanthracenes, thiophenes, phenyl vinylenes, perylenes, perylenimides, naphthalates, Naphthalimides, naphthols, phthalo- and naphthalocyanines, Porphyrins, 4-dicanomethylene-2-methyl-6-p- dimethylamino-styryl-4H-pyrone, perchlorates, iodides, such as e.g. B. DODC or DTTC iodides or other cataloged fluorescent substances such as B. IR-26, IR-125, IR-132, IR-140, IR-144, Kodak Dye 26, Nil Blue A Perchlorate, POPOP, HPTS, as well as DCM, HITCI, DOCI, DMETCI or Pyridinphenylborate (ASPT) and Aminophenylsul fonylstilbene (APSS).
Im folgenden werden unter Bezugnahme auf die Zeich nungen Ausführungsbeispiele der Erfindung näher er läutert.In the following with reference to the drawing Solutions embodiments of the invention he closer purifies.
Es zeigen:Show it:
Fig. 1 ein erstes Ausführungsbeispiel einer Vorrich tung mit zweistufiger Spektralumsetzung, Fig. 1 shows a first embodiment of a Vorrich tung with two-stage Spektralumsetzung,
Fig. 2 ein weiteres Ausführungsbeispiel mit einstu figer Spektralumsetzung und seitlicher Ein leitung der wellenlängenverschobenen Strahlung in den Reaktor, Fig. 2 shows another embodiment with clas figer Spektralumsetzung and lateral line A of the wavelength-shifted radiation in the reactor,
Fig. 3 ein drittes Ausführungsbeispiel der Vorrichtung mit einem mäanderförmigen verlaufenden Kanal, Fig. 3 shows a third embodiment of the device having a meandering extending channel,
Fig. 4 einen Schnitt entlang der Linie IV-IV von Fig. 3, Fig. 4 shows a section along the line IV-IV of Fig. 3,
Fig. 5 ein Ausführungsbeispiel, bei dem die Solar strahlung zuerst einen Teil des Reaktionsme diums durchläuft und dann auf das wellenlängen verschiebende Medium auftrifft, und Fig. 5 shows an embodiment in which the solar radiation first passes through part of the reaction medium and then strikes the wavelength-shifting medium, and
Fig. 6 ein Ausführungsbeispiel, bei dem der Photoab sorber aus im Reaktor enthaltenen Einbauten besteht. Fig. 6 shows an embodiment in which the Photoab sorber consists of internals contained in the reactor.
Bei dem Ausführungsbeispiel nach Fig. 1 besteht der Photoreaktor 10 aus einer Reaktorröhre 11, die von dem Reaktionsmedium durchströmt wird. Die Reaktorröhre 11 besteht aus Glas oder einem anderen transparenten Ma terial. Das in der Reaktionsröhre strömende Reaktions medium enthält einen (nicht dargestellten) Photoabsor ber, der im Reaktionsmedium in flüssiger Phase rein, homogen in einem beliebigen Lösungsmittel gelöst oder heterogen in einem beliebigen Fluid dispergiert, als Trägergas getragene Partikel oder Aerosole oder als Dampfrein oder mit einem Trägergas vermischt durch den Reaktor 10 geleitet wird.In the exemplary embodiment according to FIG. 1, the photoreactor 10 consists of a reactor tube 11 through which the reaction medium flows. The reactor tube 11 is made of glass or another transparent Ma material. The reaction medium flowing in the reaction tube contains a (not shown) photoabsorber, which is pure, homogeneously dissolved in any solvent or dispersed heterogeneously in any fluid in the reaction medium in the liquid phase, as carrier gas carried particles or aerosols or as vapor clean or with a Carrier gas mixed is passed through the reactor 10 .
Die Reaktorröhre 11 wird im Tauchverfahren zunächst mit einer Polycarbonat-Schicht 12, die 10 Gewichts-Prozente Perylen-Rot - bezogen auf den Gewichtsanteil des Poly carbonats - enthält, beschichtet. Danach erfolgt eine Beschichtung mit einer Schicht 13 aus PMMA, das 8 Ge wichts-Prozente eines fluoreszierenden Coumarins oder Phthalimids als Additiv enthält. Die Schichtdicken der einzelnen Polymerschichten liegen im Bereich zwischen 10 µm und 1000 µm.The reactor tube 11 is first immersed in the immersion process with a polycarbonate layer 12 , which contains 10 percent by weight of perylene red - based on the weight fraction of the polycarbonate. This is followed by coating with a layer 13 made of PMMA, which contains 8 percent by weight of a fluorescent coumarin or phthalimide as an additive. The layer thicknesses of the individual polymer layers are in the range between 10 µm and 1000 µm.
Die Sonnenstrahlung 14 trifft zunächst auf die dotierte PMMA-Schicht 13, wobei ihr UV-Anteil und Strahlung im blauen Spektralbereich in größere Wellenlängen trans formiert werden. Die transformierte Strahlung und ur sprüngliche Sonnenstrahlen höherer Wellenlänge gelangen dann auf die dotierte Polycarbonat-Schicht 12. Nach ihrer Absorption erfolgt eine Emission im roten Spek tralbereich mit hoher Lichtverstärkung, wobei die Be strahlungsstärke im UV- und blauen sowie im grünen und gelben Spektralbereich deutlich verringert sind. Hier bei erfolgt also eine zweistufige Spektralverschiebung.The solar radiation 14 first strikes the doped PMMA layer 13 , its UV component and radiation in the blue spectral range being transformed into longer wavelengths. The transformed radiation and original sun rays of higher wavelength then reach the doped polycarbonate layer 12 . After absorption, there is an emission in the red spectral range with high light amplification, the radiation intensity in the UV and blue as well as in the green and yellow spectral range being significantly reduced. So there is a two-stage spectral shift at.
Bei dem Ausführungsbeispiel von Fig. 2 besteht das wel lenlängenverschiebene Medium aus einem Polymerformkör per 15 in Form einer flachen Platte, auf deren Ober seite 16 die Solarstrahlung 14 auftrifft. An der Ober fläche 16 wird ein geringer Anteil 17 der Solarstrah lung reflektiert. Durch Aufbringen einer antireflek tierenden Schicht kann dieser Anteil vermindert werden. Die Solarstrahlung gelangt unter Lichtbrechung an der Grenzschicht in den transparenten Polymerformkörper 15, wo sie unter einem anderen Winkel weiterläuft und trifft auf ein fluoreszierendes Farbstoffzentrum Z. Bei einem hinreichend großen Einfallswinkel wird das vom Farbstoffzentrum Z ungerichtet emittierte Fluoreszenz licht an den Grenzschichten zwischen Polymerformkörper 15 und Luft totalreflektiert und trifft ggf. nach mehr facher Totalreflexion auf die Grenzschicht 18 zum Reak tionsraum 20 des Photoreaktors 10. An der Grenzschicht 18 findet aufgrund des geringen Unterschiedes im Brechungsindex keine Totalreflexion statt, so daß das Licht in das im Photoreaktor strömende Reaktionsmedium eintreten kann.In the embodiment of Fig. 2, the wel lenlängenverschiebes medium from a Polymerformkör by 15 in the form of a flat plate, on the upper side 16, the solar radiation 14 strikes. At the upper surface 16 , a small portion 17 of the solar radiation is reflected. This proportion can be reduced by applying an antireflective layer. The solar radiation reaches the transparent polymer molded body 15 with refraction of light at the boundary layer, where it continues at a different angle and strikes a fluorescent dye center Z. With a sufficiently large angle of incidence, the fluorescence emitted undirected by the dye center Z becomes light at the boundary layers between polymer molded bodies 15 and Air totally reflected and possibly hits the boundary layer 18 to the reaction space 20 of the photoreactor 10 after more total reflection. Due to the small difference in the refractive index, no total reflection takes place at the boundary layer 18 , so that the light can enter the reaction medium flowing in the photoreactor.
An dem dem Photoreaktor 10 abgewandten Ende des Poly merformkörpers 15 befindet sich eine Spiegelschicht 19, die dafür sorgt, daß die Strahlung in den Polymerform körper zurückreflektiert wird und nicht aus diesem aus tritt. Ein kleiner Teil des von den Farbstoffzentren Z emittierten Fluoreszenzlicht tritt allerdings aus dem Polymerformkörper aus und geht verloren, was durch die Pfeile 21 angedeutet ist.At the end of the poly merform body 15 facing away from the photoreactor 10 there is a mirror layer 19 which ensures that the radiation is reflected back into the polymer molded body and does not emerge from it. However, a small part of the fluorescent light emitted by the dye centers Z emerges from the polymer molded body and is lost, which is indicated by the arrows 21 .
Ein weiteres Ausführungsbeispiel der Vorrichtung ist in den Fign. 3 und 4 dargestellt. Hier besteht der Poly merformkörper 15 aus einer Platte aus Polymethyl- Methycrylat (PMMA) oder Polycarbonat (PC) mit einem eingebrachten fluoreszierenden Additiv von ca. 0,05 Gewichts-Prozent. Die Grundfläche der Platte beträgt beispielsweise 100 cm × 20 cm und die Dicke beträgt 20 mm. Der Polymerformkörper 15 enthält einen in der Plat tenebene mäanderförmig verlaufenden Kanal, der sich zwischen zwei gegenüberliegenden Seitenkanten 31 er streckt. Die Seitenkanten 31 sind mit lichtreflek tierenden Schichten, z. B. aus Silber oder Aluminium, versehen. Die der Sonnenstrahlung zugewandte Oberfläche 32 ist mit einer Antireflexionsschicht 33 beschichtet. Auf der Unterseite des Polymerformkörpers 15 befindet sich eine reflektierende Schicht 34.Another embodiment of the device is shown in FIGS. 3 and 4. Here, the poly merformkörper 15 consists of a plate made of polymethyl methacrylate (PMMA) or polycarbonate (PC) with an incorporated fluorescent additive of about 0.05 weight percent. The base area of the plate is, for example, 100 cm × 20 cm and the thickness is 20 mm. The polymer molded body 15 contains a meandering channel in the plat tenplane extending between two opposite side edges 31 he stretches. The side edges 31 are with light reflecting layers, z. B. made of silver or aluminum. The surface 32 facing the solar radiation is coated with an anti-reflection layer 33 . A reflective layer 34 is located on the underside of the molded polymer body 15 .
Trifft die diffuse oder direkte Sonnenstrahlung auf die Oberfläche 32 des Polymerformkörpers, so gelangt sie mit Ausnahme von Reflexionsverlusten in den Kanal 30, in das Volumen des Polymerformkörpers und wird dort zu einem großen Anteil absorbiert und mit ihrer Wellen länge verschoben nahezu isotrop emittiert. Aufgrund von Totalreflexion und Reflexion an den Hauptflächen des Polymerformkörpers wird der größte Teil der Strahlung wellenleitend in dem Polymerformkörper 15 geführt, wo bei bei genügender geometrischer Ausdehnung der Hauptflächen - im Verhältnis zu den Flächen der Seiten kanten 31 - eine hohe Konzentration der Strahlung an den Oberflächen des mäanderförmigen Kanals 30 erreicht wird. So kann man eine Konzentration der Strahlung an dem das Reaktionsgemisch führenden Kanal 30 nahezu um den Faktor 10 erreichen, wenn die Abmessungen D1 und D2 etwa 70 mm, die Abmessung D3 etwa 10 mm und die Dicke D4 des Polymerformkörpers etwa 18 mm beträgt. Beliebig viele hintereinander und/oder parallelgeschaltete Reak torelemente können zu einem Photoreaktor zusammenge setzt werden.If the diffuse or direct solar radiation hits the surface 32 of the polymer molding, it arrives with the exception of reflection losses in the channel 30 , in the volume of the polymer molding and is absorbed there to a large extent and emitted with its wavelength shifted almost isotropically. Due to total reflection and reflection on the main surfaces of the molded polymer body, most of the radiation is guided in a wave-guiding manner in the molded polymer body 15 , where with sufficient geometric expansion of the main surfaces - in relation to the surfaces of the side edges 31 - a high concentration of radiation on the surfaces of the meandering channel 30 is reached. A concentration of the radiation on the channel 30 carrying the reaction mixture can thus be achieved almost by a factor of 10 if the dimensions D1 and D2 are approximately 70 mm, the dimensions D3 are approximately 10 mm and the thickness D4 of the polymer molding is approximately 18 mm. Any number of consecutive and / or parallel reactors can be put together to form a photoreactor.
Der das Reaktionsgemisch führende Kanal 30 kann durch Glasröhren gebildet werden. Dies hat den Vorteil, daß auch Reaktionsgemische oder Lösungsmittel verwendet werden können, denen gegenüber PMMA nicht resistent ist. Bei ihrer Herstellung wurde die PMMA-Platte mit 0,02 Gewichts-Prozent mit dem fluoreszierenden Farb stoff Perylen-Rot 300 dotiert.The channel 30 carrying the reaction mixture can be formed by glass tubes. This has the advantage that reaction mixtures or solvents which are not resistant to PMMA can also be used. In its manufacture, the PMMA plate was doped with 0.02 percent by weight with the fluorescent dye perylene red 300.
Durch die Anwesenheit des Fluoreszenzfarbstoffes ent steht an den Oberflächen des Kanals eine Lichtverstär kung im roten Spektralbereich oberhalb 600 nm. Diese Lichtemission kann mit Vorteil beispielsweise für photochemische Reaktionen genutzt werden, die durch Methylenblau sensibilisiert werden, denn das Absorp tionsmaximum von Methylenblau liegt bei 660 nm. Von besonderem technischen Interesse ist die durch Methylenblau sensibilisierte Bildung von Singulett- Sauerstoff. Terpenolefine reagieren selektiv und unter hoher Wertschöpfung mit Singulett-Sauerstoff unter Bil dung von Peroxiden und Hydroperoxiden, die Zwischen produkte für die Herstellung von Riechstoffen sind. Derartige Terpenolefine umfassen sowohl acyclische Ter pene, die ggf. Hydroxylgruppen enthalten können (z. B. Citronellol, Myrcen, Myrcenol, Nerol, Geraniol, Lina lool, Lavandulol, Ocimen), monocyclische Terpene (z. B. Limonen, α- und γ-Terpinen, Terpinolen, α- und β-Phel landren) und bicyclische Terpene (z. B. α- und β-Pinen, Camphen, Caren, α-Thujen). Beispielsweise ist auch die sehr selektive Reaktion von Singulett-Sauerstoff mit Furfural oder mit Furan-2-carbonsäure für eine einfache Synthese von Maleinaldehydpseudosäure von technischem Interesse. Das Produkt kann zur Synthese einer großen Palette von Feinchemikalien eingesetzt werden.Due to the presence of the fluorescent dye there is a light intensifier on the surfaces of the channel kung in the red spectral range above 600 nm Light emission can be advantageous for example photochemical reactions can be used by Be sensitized to methylene blue because the absorb tion maximum of methylene blue is 660 nm is of particular technical interest Methylene blue sensitized formation of singlet Oxygen. Terpene olefins react selectively and under high added value with singlet oxygen under bil formation of peroxides and hydroperoxides, the intermediate products for the manufacture of fragrances. Such terpene olefins include both acyclic ter penes, which may contain hydroxyl groups (e.g. Citronellol, myrcene, myrceneol, nerol, geraniol, lina lool, lavandulol, ocimen), monocyclic terpenes (e.g. Limonene, α- and γ-terpinene, terpinolene, α- and β-phel landren) and bicyclic terpenes (e.g. α- and β-pinene, Camphen, Caren, α-Thujen). For example, the very selective reaction of singlet oxygen with Furfural or with furan-2-carboxylic acid for easy Synthesis of maleic aldehyde pseudo acid from technical Interest. The product can be used to synthesize a large Range of fine chemicals can be used.
Bei dem Ausführungsbeispiel von Fig. 5 ist wie bei dem ersten Ausführungsbeispiel eine Reaktionsröhre 11 vor gesehen. Ein Konzentrator 40 in Form eines Parabolrin nenreflektors konzentriert das Sonnenlicht auf den Zen tralbereich der aus transparentem Material bestehenden Reaktorröhre 11. In diesem Zentralbereich befindet sich in einem Polymerformkörper 41 das wellenlängenver schiebende Medium und der Photoabsorber. Das Licht wird zunächst unter Absorption eines Teils des Lichts durch das Reaktionsmedium 42 geleitet. Der nicht absorbierte Teil des Lichts tritt in Wechselwirkung mit dem wellen längenverschiebenden Medium, welches sich in dem Poly merformkörper 41 befindet. Die dann von diesem Medium emittierte wellenlängenverschobene Strahlung tritt in das Reaktionsmedium 42 ein und wird in diesem absor biert.In the embodiment of FIG. 5, a reaction tube 11 is seen as in the first embodiment. A concentrator 40 in the form of a parabolic reflector concentrates the sunlight on the central area of the reactor tube 11 made of transparent material. In this central area, the wavelength-shifting medium and the photo-absorber are located in a polymer molding 41 . The light is first passed through the reaction medium 42 with absorption of some of the light. The non-absorbed part of the light interacts with the wavelength-shifting medium, which is located in the polymeric molded body 41 . The wavelength-shifted radiation then emitted by this medium enters the reaction medium 42 and is absorbed therein.
Bei dem Ausführungsbeispiel von Fig. 6 ist ebenfalls ein Photoreaktor 10 in Form einer transparenten Reak torröhre 11 vorhanden. Ferner ist ein Konzentrator 40 in Form eines Parabolrinnenreflektors vorgesehen, der die Solarstrahlung auf das Zentrum der Reaktorröhre konzentriert. Die Reaktorröhre 11 enthält einen ko axialen längslaufenden Stab 45. Sowohl an der Innenwand der Reaktorröhre 11 als auch an dem Stab 45 befinden sich Photoabsorber 46 in Form von Einbauten, die fester Bestandteil des Photoreaktors sind. Diese Einbauten bestehen hier aus Plättchen, die durch Stege mit der Wand der Reaktorröhre bzw. dem inneren Stab 45 verbun den sind. Der Photoabsorber, der hier aus Einbauten des Reaktors besteht und von dem Reaktionsmedium umströmt wird, kann auch an der dem Medium zugewandten Ober fläche des Reaktors chemisch gebunden sein. Er kann sich auch auf der Oberfläche einer Schüttung von Füll körpern beliebiger Geometrie, einer Struktur beliebiger Geometrie, z. B. eines Netzwerkes, Geflechtes oder eines Schaumes, befinden. Das wellenlängenverschiebene Medium ist in Fig. 6 nicht dargestellt. Es kann aus einer Be schichtung auf der Außenseite der Reaktorröhre 11 be stehen.In the embodiment of FIG. 6, a photoreactor 10 in the form of a transparent reactor tube 11 is also present. A concentrator 40 in the form of a parabolic trough reflector is also provided, which concentrates the solar radiation on the center of the reactor tube. The reactor tube 11 contains a coaxial longitudinal rod 45 . Both on the inner wall of the reactor tube 11 and on the rod 45 there are photoabsorbers 46 in the form of internals which are an integral part of the photoreactor. These internals consist of platelets, which are connected to the wall of the reactor tube or the inner rod 45 by webs. The photo absorber, which consists of internals of the reactor and flows around the reaction medium, can also be chemically bound to the surface of the reactor facing the medium. He can also on the surface of a bed of filler bodies of any geometry, a structure of any geometry, for. B. a network, braid or foam. The wavelength-shifted medium is not shown in FIG. 6. It can be made of a coating on the outside of the reactor tube 11 be.
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