DE2305761B2

DE2305761B2 - Photochemischer Reaktor

Info

Publication number: DE2305761B2
Application number: DE2305761A
Authority: DE
Inventors: Alfred 7500 Karlsruhe Graentzel
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1973-02-07
Filing date: 1973-02-07
Publication date: 1975-01-02
Also published as: FR2216014A1; DE2305761A1; GB1461506A; US3993911A; DE2305761C3; FR2216014B1

Description

Die Erfindung betrifft einen photochemischen Reaktor mit einem Reaktionsgefäß zur Aufnahme von zu bestrahlenden Substanzen, einer UV-Strahlungsquelle sowie Leuchtstoffen zm Umwandlung des UV-Lichtes der Strahlungsquelle in eine die photochemischeu Reaktionen der Substanzen bewirkende Wellenlänge.

Bei bekannten Reaktoren dieser Bauart werden als Strahlungsquellen Quecksilber-Niederdrut klumpen verwendet, deren Röhren mit LeuchtstoHen beschichtet sind (s. Cat. No. RPR -204-208 der Firma »The Southern New England Ultraviolet Company, 954 Newfield Street, Middletown, Connecticut 0(->457, U.S.A.). Je nach der gewünschten Wellenlänge werden dabei Lampen mit unterschiedlicher Leuchistotfbeschichtung eingesetzt. Diese Lampen haben jedoch nur eine begrenzte Lebensdauer, da insboondeie infolge der Elektrodenzerstäubun^ die Leuchtstoffe in ihrer Strahlungsleistung nach einer gewissen Betriebszeit nachlassen. Außerdem sind für die Lampen hohe Kühlleistungen erforderlich, da die Leuchtstoffe nur bei relativ niedriger Temperatur von etwa 20 C optimal arbeiten.

Die vorliegende Erfindung hat zur Aufgabe, einen photochemischen Reaktor der eingangs beschriebenen Art zu schaffen, mit dessen Komponenten wesentlich längere Betriebszeiten sowie eine erhöhte Ausnutzung der Strahlungsquelle erreicht werden können.

Die Lösung dieser Aufgabe besteht erfindungsgemäß darin, daß die Leuchtstoffe von der Strahlungsquelle räumlich getrennt zwischen dieser und dem Reaktionsgefäß in einem evakuierbaren oder mit einem Schutzgas füllbaren Zwischenraum angeordnet sind. Der Zwischenraum kann dadurch geschaffen werden, in dem das Reaktionsgefäß unter Hinhalten eines vorgegebentn Abstandes von einem Mantel aus reinem Quarzglas umschlossen ist. Das Reaktionsgefäß besteht zweckmäßig aus Glas oder einem Filterquarz, wobei die Leuchtstoffe auf dessen der Strahlungsquelle zugewandter Außenwand angebracht sind. Sollen jedoch die zu belichtenden Substanzen in flüssigen Stickstoff oder flüssige Luft getaucht werden, so wird die Innenwand des Quarzmantels mit den Leuchtstoffen versehen, iamit diess auf ihrer optimalen Arbeitstemperatur gehalten werden können.

Mit diesen erfindungsgemäßen Maßnahmen wird insbesondere erreicht, daß die Lebensdauer und die zulässige Intensität der Strahlungsquelle nicht mehr von den Leuchtstoffen bzw. deren Wirksamkeit begrenzt wird, da sich diese außerhalb des Gasentladungsraumes der Lampe befinden und hier wesentlich leichter auf ihrer optimalen Arbeitstemperatur (etwa 20⁰C) gehalten werden können. Dies wiederum gestattet sowohl eine Erhöhung der Strahlungsleistung als auch eine bessere und längere Ausnutzung der Leuchtstoffe. Das Reaktionsgefäß und der Quarzmantel sind im Normalfall mittels einander zugeordneter Flanschen lösbar miteinander yerbunden. Dadurch kann ein Reaktionsgefäß mit einer bestimmten Leuchtstoffbeschichtung leicht gegen ein Gefäß mit einer anderen Leuchtstoffschicht ausgewechselt werden, so daß die Apparatur an unterschiedliche Wellenlängen angepaßt werden kann. Dasselbe gilt auch für den Quarzmantel, sofern dieser die Leuchtstoffe trägt Wird jedoch das Reaktionsgefäß auf sehr niedrige Temperaturen gebracht, z. B. mit flüssigem Stickstoff gefüllt, so müssen, um ein Vakuum von etwa 10~^e Torr in dem Zwischenraum aufrechtzuerhalten, aus Dichtheitsgründen Gefäß und Quarzmantel fest miteinander verschmolzen werden. Dabei werden die Substanzen bzw. die Substanzlösungen in gesonderte Quarzgefäße eingefüllt, die in den flüssigen Stickstoff eintauchen, während die Leuchtstoffschicht auf der Innenseite des äußeren Quarzmantels aufgebracht wird, um die Leuchtstoffe funktionsfähig zu erhalten.

Um die von der Strahlungsquelle gelieferte Strahlung bestmöglich auszunutzen, reicht der Quarzmantel bis auf einen geringen Kühlspalt an die Strahlungsquelle heran.

Nach einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung sind in das Reaktionsgefäß zylindrische Verdrängungskörper einsetzbar, die zusammen mit der Innenwand des Reaktionsgefäßes die Bildung von Ringräumen unterschiedlichen Volumens gestatten, so daß auch geringe Substanzmengen in dem selben Gefäß optimal behandelt werden können. Vor allem können dadurch unabhängig von dem Volumen der zu belichtenden Substanz äußerst kurze Bestrahlungszeiten erreicht werden, da der ausnutzbare Strahlungswinkel der Quelle bei gleichbleibendem Mantelbzw. Gefäßdurchmesser immer gleich groß bleibt. Der Verdrängungskörper kann darüber hinaus auch gleichzeitig zur Kühlung der Substanzen herangezogen werden, indem er z. B. als Kühlaggregat ausgebildet ist, durch das ein Kühlmedium hindurchgeleitet wird.

Um eine gleichmäßige und optimale Reaktion der zu bestrahlenden Substanzen zu erzielen, ist es ferner von Vorteil, den zylindrischen Verdrängungskörper mit einer achsparallelen, vorzugsweise zentralen Rücklaufleitung zu versehen, die beidseitig mit dem Ringraum in Verbindung steht und an deren unterem Ende ein von außen angetriebener Magnetrührer für die Zirkulation der Substanzen angeordnet ist. Dadurch werden sehr hohe Umlaufgeschwindigkeiten der Substanzen bzw. der Substanzlösungen erzielt, die die gewünschten photochemischen Reaktion, insbesondere bei geringer Eindringtiefe der Strahlung; beschleunigen.

An Stelle des Rührers kann man auch durch ein« oder mehrere Treibieitungen ein Schutzgas, ζ. Β Stickstoff, leiten, das am unteren Ende des Verdrängungskörpers durch an dessen Peripherie angebracht« Fritten austritt, sodann durch die Substanzlösunj hindurch oben perlt und dabei die Lösung nacl oben mitreißt bis zum oberen Ende des Rücklaufs

so daß ebenfalls eine Zirkulation der Substanzen ein- obere öffnung 28 wieder auszuströmen. Dabei wird

geleitet wird. die in dem Gefäß 1 befindliche Substanzlösung

Ausführungsbeispiele und weitere Einzelheiten der (Pfeile A) entlang der Gefäßwand nach oben getrie·

Erfindung werden an Hand der Zeichnungen näher bei», um dann durch das .-rentrale Rohr 18 des Ver-

eriäutert. 5 drängungskörpers 3 wieder zum Gefäßboden 29 zu-

F i g. 1 zeigt schematisch im Längsschnitt einen rückzuströmen.

photocheraischen Reaktor, bei dem der äußere Im Verlaufe des Aufwärtsströmens der Substanz-Quarzmantel und das Reaktionsgefäß lösbar mitein- lösung trifft die von der Strahlungsquelle 4 angeregte ander verbunden sind; Sekundärstrahlung der Leuchtstoffe 12 auf die Sub-

F i g. 2 zeigt einen Reaktor, bei dem der äußere io stanzen und bewirkt die gewünschten photochemi-

Quarzmantel und das Reaktionsgefäß fest mitein- sehen Reaktionen. Die Strahlenquelle 4 wird dabei

ander verschmolzen sind; in an sich bekannter Weise gekühlt; die Strahlungs-

Fig. 3 zeigi schematisch eine Anordnung, bei der leistung kann jedoch mit Hilfe der Erfindung erheb-

das Reaktionsgefäß die Strahlungsquelle, die lösbar lieh höher gehalten werden als bei bekannten Reak-

mit dem leurhtstoffbeschichteten Quarzmantel ver- 15 toren dieser Bauart,

bunden ist, ringförmig umschließt; An Stelle des Spül- oder Schutzgases oder zusätz-

Fig.4 zeigt eine Anordnung, bei der der Zwi- lieh zu diesem ist am Boden 29 des Gefäßes 1 ein

schenraum durch zwei konzentrische Rohre gebildet von außen angetriebener Rührer 30 vorgesehen, der

wird, die an ihren offenen Enden vakuumdicht mit- die Substanzlösung aus dem Rohr 18 ansaugt und

einander verschmolzen sind. *o entlang der Wand des Gefäßes 1 hochdrückt

Der Reaktor besteht im wesentlichen aus dem Die obere öffnung 28 dient neben dem bereits er-

Reaktionsgefäß 1, dem Quarzmantel 2, dem Ver- läuterten Zweck zum Füllen und Entleeren des Ge-

drängungskörper 3 und der den Quarzmantel um- fäßes 1 mit bzw. von der Substanzlösung und gege-

schließenden Strahlungsquelle 4. Das Reaktions- benenfalls zum Einführen von Meßinstrumenten wie

gefäß 1 und der Quarzmantel 2 sind an ihrem oberen 25 einem Thermometer.

Ende mittels Flanschen 5, 6, einer zwischengeschal- Die F i g. 2 zeigt eine Ausführungsform, die die

teten Dichtung 7, Druckringen 8, 9, und Schrauben Behandlung der Substanzen bei sehr tiefen Tempe-

10 miteinander verbunden, so daß sie einen nach raturen gestattet. Hierzu sind der Quarzmantel 31 außen abgeschlossenen, ringförmigen Zwischenraum und das aus Quarz unterschiedlicher Durchlässig-

11 bilden, der evakuiert oder mit einem Schutzgas 30 keitsbereiche (sogenanntes Filterquarz) bestehende gefüllt ist. Auf der Außenseite des Gefäßes 1 ist die Reaktionsgefäß 32 unter Einhalten eines Zwischen-Leuchtstoffschicht 12 aufgebracht. Der Boden des raumes 33 an ihren oberen Enden miteinander verGefäßes 1 bleibt durchsichtig, damit der Reaktions- schmolzen. Das Gefäß 32 ist mit flüssigem Stickstoff raum leicht beobachtet werden kann. Das Gefäß 1 oder flüssiger Luft 34 gefüllt, in die ein weiteres hat oben und unten eine radiale Erweiterung, damit 35 Quarzgefäß 35 eintaucht, das die Substanzlösung 36 beim Einführen desselben in den Mantel 2 die emp- enthält. In diesem Fall ist die Leuchtstoffschicht 37 findltche Leuchtstoffschicht nicht beschädigt wird. auf der Innenseite des Quarzmantels 31 angebracht. An Stelle der unteren Erweiterung kann auch ein Die F i g. 3 stellt eine Ausführungsform dar, bei Silikonring treten, damit beim Verschrauben des Ge- der es möglich ist, die UV-Strahlungsquelle 38 (z. B. fäßes 1 mit dem Mantel 2 eine eventuelle Verkantung 40 eine Quecksilberhochdruck- oder Niederdrucklampe), nicht zum Bruch führt. Der Verdrängungskörper 3 anstatt an der Peripherie zentral anzuordnen und für trägt an seinem oberen Teil einen Hut 13, der mit- die zu belichtenden Substanzen einen die Quelle 38 tels eines Flansches 14, einer Dichtung 15, einem umschließenden Ringraum 39 vorzusehen, wobei die Druckring 16, Schrauben 17, und dem Druckring 9 Leuchtst {!schicht 40 dann ebenfalls zwischen Quelle mit dem G :fäß 1 verbunden ist 45 38 und Substanzraum 39 in einem gesonderten Zwi-

Der Verdrängungskörper 3 besteht im wesent- schenraum 41 untergebracht wird. Hierzu sind die liehen aus zwei konzentrischen Rohren 18, 19, die beiden Quarzmäntel 42, 43 unter Einhalten eines einen abgeschlossenen Ringraum 20 bilden. In die- Zwischenraumes 41 an ihren oberen Enden miteinsen Ringraum 20 ist eine Kühlmittelzufuhrleitung 21 ander verschmolzen. In diesem Fall ist die Leuchtgeführt, die mit ihrer Mündung bis in die Nähe des 50 Stoffschicht 40 auf der Innenseite des Quarzmantels Ringraumbodens 22 ragt. An den oberen Abschluß 42 angebracht. Quarzmantel 42 ist mit Flanschen 44

23 des Rangraumes 20 ist eine Rücklaufleitung 24 lösbar mit dem Bestrahlungsgefäß 45 verbunden,
angeschlossen, so daß das Kühlmittel nach seinem Dadurch kann die Strahlungsausbeute noch weiter Austritt aus der Leitung 21 den Ringraum 20 von erhöht werden. Für die Kühlung der Quelle sind unten nach oben durchströmt und durch die Leitung 55 Kühlluftzu- und -ableitungen 46, 47 vorgesehen.

24 abgeführt wird. In der F i g. 4 wird der Zwischenraum 48 aus zwei Ein weiteres Rohr 25 ist ebenfalls durch den Hut in Abstand voneinander gehaltenen, konzentrischen

13 und den Ringraum 20 hindurchgeführt und mün- Quarzrohrcn 49. 50 gebildet, die an ihren Stirnseiten det in einer unteren Kammer 26, die an ihrer Peri- vakuumdicht miteinander verschmolzen sind. Die pherie gasdurchlässige Fritten 27 trägt. Alle drei So Leuchtstoflschicht 51 ist innerhalb dieses Zwischen-Rohre 21, 24 und 25 sind mit dem Hut 13 verlötet, raumes 48 auf dem inneren Rohr 49 aufgebracht,
so daß eine feste Verbindung zwischen dem Hut 13 Das Gefäß 52 aus Quarzrohrglas für die zu be- und dem Körper 3 besteht. lichtenden Substanzen ist zentral innerhalb des Dop-Wird nun durch das Rohr 25 ein Spüi- oder pelrohrs 49, 50 angeordnet, während die Strahlungs-Schutzgas (für Photoreaktionen unter Sauerstoff- 65 quelle 4 die Rohre 49, 50 umschließt. Diese Anordausschluß), z. B. Stickstoff, geleitet, so tritt es durch nung kann mit Vorteil bei relativ langen Bestrahdie Fritten 27 aus und perlt durch die in dem Ge- lungsgefäßen angewendet werden, da hierdurch vor faß 1 befindliche Substanzlösung, um durch die allem die Bruchgefahr vermindert wird.

Hierzu 4 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentanspruch:

Photochemischer Reaktor mit einem Reaktionsgefäß zuF Aufnahme von zu bestrahlenden Substanzen, einer UV-Strahlungsquelle sowie Leuchtstoffen zur Umwandlung des UV-Lichtes der Strahlungsquelle in eine die photochemischen Reaktionen der Substanzen bewirkende Wellenlänge, dadurch gek eηλζeLe h Qct, daß die Leuchtstoffe (12) von der Strahlungsquelle (4) räumlich getrennt zwischen dieser und dem Reaktionsgefäß (1) in einem evakuierbaren oder mit einem Schutzgas füUbaren Zvisdn-nraum (11) angeordnet sind.