Способ инициирования направленных лазеро-химических радикальных реакций

 

1. СПОСОБ ИНИЦИИРОВАНИЯ НАПРАВЛЕННЫХ ЛАЗЕРО-ХИМИЧЕСКИХ РАДИКАЛЬНЫХ РЕАКЦИИ, включающий многофотонную диссоциацию молекул импульсным инфракрасным лазерным излучением с образованием химически активных радикалов , отличающийся тем, что, с целью увеличения выхода реакции и расширения диапазона обрабатываемых веществ путем понижения энергетического порога многофотонной диссоциации за счет увеличения концентрации радикалов многофотонной диссоциации, перед многофотонной диссоциацией молекул проводят их колебательное возбуждение. 2.Способ по п. 1 , о т л и ч аю щ и и с я тем, что колебательный разогрев осуществляют лазерным излуQ S чением. , 3.Способ по п. 1, о т л и ч аю щ и и с я тем, что колебательный С разогрев осуществляют посредством термического нагревания.

СОЮЗ СОВЕТСКИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУБЛИК (19) (11

3(5и В 01 J 19/08

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ ф Ю ф«ЮЮЮ., и Ю

»»ЮЮЮ \ЮЭ»» » »»Ю»

Ю

Q0

Q0

Яб

4ь

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ СССР

ПО ДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И OTHPblTHA (21) 3347845/23-26 (22) 07.09.81 (46) 30.04.84. Бюл. N 16 (72) В.Н. Баграташнили, В.Н. Буримов, Л.Е. Деев, В.С. Летохов, А.П. Свиридов, M .Â. Кузьмий, В.С. Шайдуров и Т.И. Назаренко (53) 86.023(088.8) (56) 1. Кондратьев В.H. и др. Кинетика химических реакций. М., 1958, с. 320.

2. Баграташвили В.Н., Летохов В.С., Макаров А,А. и др. Г1ногофотонные процессы в молекулах в инфракрасном .пазерном,поле. М., 1980, с. 25. (54)(57) 1. СПОСОБ ИНИЦИИРОВАНИЯ НАПРАВЛЕННЫХ ЛАЗЕРО-ХИМИЧГСКИХ РАДИКАЛHblX РЕАКЦИЙ, включающий многофотон- ную диссоциацию молекул импульсным инфракрасным лазерным излучением с образованием химически активных радикалов, отличающийся тем, что, с целью увеличения выхода реакции и расширения диапазона обрабатываемых веществ путем понижения энергетического порога многофотонной диссоциации за счет увеличения концентрации радикалов многофотонной диссоциации, перед многофотонной диссоциацией молекул проводят их колебательное возбуждение.

2. Способ по п . 1, о т л и ч аю шийся тем, что колебательный разогрев осуществляют лазерным излучением.

3. Способ по и. 1, о т л и ч аю шийся тем, что колебательный разогрев осуществляют посредством термического нагревания.

Такой метод получения высоких концентраций радикалов требует высокой интенсивности УФ-излучения и иэ г ) за низкой селективности в смеси веществ дает большой набор различных фрагментов, что, как уже отмечалось, часто нежелательно.

И вестен способ многофотонной диссоциации многоатомных молекул, основанный на поглощении молекулами большого числа фотонов инфракрасного диапазона при воздействии импульсного инфракрасного лазерного излучения.

За счет эффекта многофотонного поглощения молекула способна при достаточной плотности энергии ИК-излучения поглотить большое количество фотонов и распасться на фрагменты (продиссоциировать) (2).

Основным преимуществом метода многофотонной диссоциации молекул, например, перед традиционным пиролизом является возможность быстрого получения высоких концентраций фрагментов 45 диссоциации при селективном воздействии излучения на определенную мо- . лекулу. Это позволяет эффективно управлять химическими процессами в реакторе.

Оянако возможности известного способа часто ограничены из-за недостаточной. концентрации фрагментов диссоциации лри плотностях энергии меньше 5 Лж/см"" (предел оптической проч- 55 ности известных ИК оптических материалов при импульсном воздействии лазера), 30

1 1088

Изобретение относится к химии га- зофаэных реакций, в которых принимают участие свободные радикалы, являющиеся фрагментами диссоциации моле-. кул, когда повышение концентрации та5 ких радикалов желательно.

Широко известен способ получения свободных радикалов, основанный на диссоциации молекул при термическом нагреве газа через стенки реактора, а также. при освещении молекул ультрафиолетовым (УФ) светом (1).

Для достижения относительно высокой концентрации радикалов необходимы очень высокие температуры. Однако при высоких температурах обычно наблюдается большое разнообразие фрагментов диссоциации, что, как правило, нежелательно для проведения последующих направленных химических радикалов реакций.

784 2

В ряде случаев для достижения известным методом порога многофотонной диссоциации и необходимой концентрации фрагментов требуются плотности энергии, превыщающие предел прочнос- . ти оптических элементов. Чтобы преодолеть эти препятствия излучение фокусируют внутри реактора. При этом существенно уменьшается полезный объем реактора и ограничиваются возможности использования метода. Достижения условий, когда для обеспечения .необходимой концентрации фрагментов диссоциации возможно использование несфокусированного излучения, позволяет при одной и той же энергии лазера в импульсе создать выгодные условия для проведения технологических химических процессов.

Целью изобретения является увеличе ние выхода реакции и расширение диапазона обрабатываемых веществ путем понижения энергетического порога многофотонной диссоциации за счет увеличения концентрации радикалов многофотонной диссоциацин.

Поставленная цель достигается тем, что согласно способу инициирования направленных лазеро-химических

Радикальных реакций, включающем много-. фотонную, диссоциацию молекул импульсным инфракрасным лазерным излучением с .образованием химически активных радикалов, перед многофотонной . диссоциацией молекул проводят их колебательное возбуждение.

При этом колебательный разогрев осуществляют лазерным излучением и термическим нагреванием.

Экспериментальную проверку предлагаемого способа проводят на примере молекул CF Вг н СГ „1. В обоих примерах увеличение внутренней энергии молекул до эффективной температуры приблизительно 1800 К осуществляют колимированным пучком изЛучения непрерывного СО -лазера Затеи под воздействием импульсного СО. — азера осуществляют многофотонную дис социацию предварительно возбужденных молекул с образованием радикала CF<, который в дальнейшем втсупает в реакцию r. ".1, образуя СР 3.

П р и и е р 1. Реактором служит кювета лз нержавеющей стали и с окнами из NaC1 для ввода излучения СО<лазеров. В отросток кюветы помещают кристаллический 3 . Д.1я обеспечения давления Л 1С торр кювету нагреваСоставитель Э. Скачкова

Редактор М, Янович Техред О.Неце Корректор А. Зимокосов

Заказ 2758/6 . Тираж 533 Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета СССР по делам изобретений и открытий

113035, Москва, Ж-35, Раушская наб., д. 4/5

Филиал ППП "Патент", г. Ужгород, ул. Проектная, 4 з 10887 о. ют в термостате до 75 С. Давление

CF Br в кювете составляет 1 торр, Многофотонную диссоциацию молекул СР Вг осуществляют излучением импуль" сного СО -лазера с длительностью им 5 пульса примерно 800 нс. В отсутствии предварительного нагрева при плотности энергии 1У.= 2 Дж/см и длине вол1 ны. 7 = 9,27 мкм излучения импульсного СО -лаэера выход реакции 10

CF Br + Л Ф СК Ч составляет примерно 2 .

При предварительном нагреве молекул CF>Br в реакторе излучением непрерывного CO -лазера до температуры

1 приблизительно 1800 К выход реакции при той же плотности энергии импульсного СО0-лазера, настроенного на частоту максимального поглощения, при такой температуре стал близок р0 . к 100 ..

Ъ

Пример 2. При условиях эксперимента, как в примере 1, осуществляют многофотонную диссоциацию молекул, СР С1. Для этой культуры моле- 25 кулы полоса поглощения с максимумом на у " 1105 см расположена с корот1 коволновой стороны относительно области излучения СО -лазеров.

При плотности энергии излучения З0 импульсного СО -лазера (= 4,5 Дж/см на линии Р32 (O = 1085,77 см 1 ). Выход реакции СР, С1 О< O С!, Э без предварительного нагрева весьма мал (4 4%) тогда как с предварительным на-! 35 гревом непрерывным лазербм возрастает более, чем в 10 раз. Объясняется это тем, что увеличение колебательной энергии молекулы CF>Cl приводит к благоприятному изменению спектра поглощения

40 молекулы относительно линии Р32

84 4 (М = .1085,77 см ) C0 -лазера, что вносит основной вклад в рост выхода продуктов диссоциации СР С1. Т.е. стало возможным эффективно использовать молекулу СГ Cl для проведеВ ния реакции СР СТ + Л Ф СГ J, Такого же эффекта можно достичь c помощью термического нагрева газовой смеси в реакторе, поскольку при нагреве растет колебатЕльная энергия молекул.

Следует отметить, что в предлагаемом способе в отличие от известных способов происходит возбуждение электронных уровней молекулы с. последующей ее диссоциацией. При этом к моменту воздействия лазерным излучением для .достижения порога диссоциации молекуле достаточно поглотить меньшее. количество фотонов, что в итоге приводит к уменьшению требуемой пороговой плотности энергии излучения, а при одной и той же плотности энергии лазерного излучения к увеличению выхода фотодиссоциации и, соответственно, к увеличению выхода химической реакции.

Увеличение энергии колебательного движения молекул приводит также к сдвигу ее спектра поглощения в длинноволновую сторону. Это позволяет эффективно проводить химические реакции, осуществляя фотодиссоциацию, даже тех молекул, у которых полосы поглощения в отсутствии предварительного возбуждения не совпадают с линиями излучения известных мощных лазеров, и, следовательно, расширить диапазон веществ, используемых для осуществления таких газофазных реакций.