генератор синглетного кислорода для химического иодно- кислородного лазера непрерывного действия

Формула изобретения

ГЕНЕРАТОР СИНГЛЕТНОГО КИСЛОРОДА ДЛЯ ХИМИЧЕСКОГО ИОДНО-КИСЛОРОДНОГО ЛАЗЕРА НЕПРЕРЫВНОГО ДЕЙСТВИЯ, включающий корпус с нижним патрубком для ввода газообразного реагента и верхним патрубком для отвода готового продукта, газораспределитель в виде гидрофобного газопроницаемого поддона, жидкий реагент и газообразный реагент, подаваемый извне через газораспределитель, отличающийся тем, что в жидкий реагент водный раствор хлорида щелочного металла погружен генератор молекулярного хлора Cl₂ хлорный электрод, под ним над газораспределителем установлен генератор анионов HO^-₂ кислородный электрод, а в качестве газообразного реагента использован кислород.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к квантовой электронике и может быть использовано при создании химических иодно-кислородных лазеров непрерывного действия различного назначения.

В настоящее время известны генераторы синглетного кислорода для химического иодно-кислородного лазера непрерывного действия, включающие корпус с патрубками рециркуляции жидкого реагента, с патрубком ввода газообразного реагента, с патрубком отвода готового продукта и устройством, обеспечивающим прохождение гетерогенной реакции между жидким реагентом щелочным раствором пероксида водорода и газообразным реагентом газообразным хлором. В качестве такого устройства используют или газораспределитель для проведения реакции в жидком реагенте на поверхности пузырьков газа, или смоченную жидким реагентом поверхность для проведения реакции на поверхности жидкой пленки, контактирующей с газообразным реагентом, или форсунку для проведения реакции на поверхности капелек жидкого реагента в среде газообразного реагента, или некоторую комбинацию из этих трех типов [1]

Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому генератору синглетного кислорода является генератор, конструкция которого отличается от конструкций описанных аналогов наличием газоpаспределителя, выполненного в виде гидрофобного газопроницаемого поддона, обеспечивающего барботирование газообразного хлора через щелочной раствор пероксида водорода [2]

К существенным недостаткам известных генераторов синглетного кислорода следует отнести необходимость рециркуляции щелочного раствора пероксида водорода с целью вывода из него шлака в виде хлорида щелочного металла и последующего восполнения израсходованных компонентов, а также необходимость подачи в генератор синглетного кислорода газообразного хлора, что приводит к значительным затратам по обеспечению достаточного уровня техники безопасности. Кроме того, подача газообразного хлора предусматривает использование инертного в условиях применения газа, напримеp аргона или азота, для обеспечения требуемого распределения газообразного хлора по рабочему объему генератора синглетного кислорода и соответствующей скорости его подачи, что еще больше увеличивает эксплуатации расходы или в результате выбpоса этого инертного газа вместе с продуктами выхлопа лазера, или в процессе извлечения его из этих продуктов.

При создании предлагаемого генератора синглетного кислорода решалась задача, связанная с созданием условий проведения гетерогенной газожидкостной реакции хлорирования жидкого реагента, при которых исключено образование шлаков в жидком реагенте, а также исключена подача извне газообразного хлора.

Технический эффект, достигаемый при решении поставленной задачи, сводитcя к упрощению устройства иодно-кислородного лазера за счет исключения из его конструкции элементов, относящихся к системе рециркуляции жидкого реагента для его регенерации, а также к системам хранения, приготовления, подачи газообразного хлора и обеспечения техники безопасности при работе с ним.

Отсутствие образования шлаков в жидком реагенте исключает необходимость постоянного пополнения количества жидкого реагента и тем самым снижает связанные с этим эксплуатационные расходы, а отсутствие необходимости работы с газообразным хлором повышает уровень безопасности при эксплуатации, что, в конечном итоге, тоже приводит к снижению эксплуатационных расходов.

Сущность изобретения заключается в том, что в известный генератор синглетного кислорода, включающий корпус с нижним патрубком для ввода газообразного реагента, и верхним патрубком для отвода готового продукта, газораспределитель в виде гидрофобного газопроницаемого поддона, жидкий реагент и газообразный реагент, подаваемый извне через газораспределитель, в жидкий реагент водный раствор хлорида щелочного металла, например хлорида калия, погружен генератор молекулярного хлора Cl₂ хлорный электрод, под ним над газораспределителем установлен генератор анионов НО₂^- кислородный электрод, а в качестве газообразного реагента использован кислород.

Механизм окисления анионов НО₂^- молекулярным хлором Сl₂ в водном растворе хлорида щелочного металла можно представить уравнением:

HO₂^- + Cl₂ __ O₂(¹ g) + 2Cl^- + H⁺ Из приведенного уравнения следует, что единственным расходуемым компонентом должен быть синглетный кислород О₂(¹ g), используемый в качестве готового продукта, а остальные компоненты могут быть получены в предлагаемом жидком реагенте водном растворе хлорида щелочного металла с помощью предлагаемых газовых электродов хлорного и кислородного.

Применение хлорного электрода в предлагаемом генераторе синглетного кислорода позволяет организовать процесс окисления анионов Cl^-, присутствующих в водном растворе хлорида щелочного металла, до молекулярного хлора Cl₂ с последующим его восстановлением на анионах HO₂^- до анионов Cl^-, сохраняя тем самым их концентрацию в растворе. Развитая активная поверхность хлорного электрода обеспечивает требуемую равномерность распределения молекулярного хлора по рабочему объему генератора синглетного кислорода.

Следовательно, применение хлорного электрода в водном растворе хлорида щелочного металла позволяет исключить использование в процессе генерации синглетного кислорода подводимых извне газообразного хлора и его носителя инертного газа, а также использование устройств их приготовления (хранения) и подачи.

Применение кислородного электрода в предлагаемом генераторе синглетного кислорода позволяет организовать непрерывный процесс получения в водном растворе хлорида щелочного металла анионов НО₂^- путем восстановления на этом электроде газообразного реагента-кислорода О₂.

Вследствие применения кислородного электрода отпадает необходимость вывода шлаков из жидкого реагента и дополнения компонентов этого реагента в процессе генерации синглетного кислорода, при этом становится излишней система рециркуляции жидкого реагента с устройствами вывода шлаков и пополнения расходуемых компонентов.

Таким образом, технический результат, реализуемый предложенной совокупностью признаков, выражается в том, что отпадает необходимость постоянного пополнения количества жидкого реагента и ввода извне газообразного хлора, что более чем на порядок снижает эксплуатационные расходы и существенно повышает уровень техники безопасности и экологической чистоты при эксплуатации химического иодно-кислородного лазера непрерывного действия. Подобный результат не достигнут ни одним из известных устройств, выявленных в процессе анализа современного уровня техники.

На чертеже представлена схема предлагаемого генератора синглетного кислорода, который содержит корпус 1 с патрубком ввода газообразного кислорода О₂ в нижней его части и с патрубком вывода синглетного кислорода О₂(¹ g) в верхней части. Непосредственно над патрубком ввода газообразного кислорода О₂ установлен гидрофобный газопроницаемый поддон 2, образующий вместе с боковыми стенками корпуса 1 емкость, в которую залит жидкий реагент 3 водный раствор хлорида щелочного металла. В среде жидкого реагента 3 непосредственно над поддоном 2 установлен кислородный электрод 4, выполненный в виде набора проволочных сеток из электропроводящего материала с покрытием, исключающим разрушение материала электрода при его работе в режиме восстановления кислорода О₂до анионов НО₂^-; Над кислородным электродом 4 в жидком реагенте 3 на глубине, достаточной для восстановления на анионах НО₂^- до анионов Cl^-выделяющегося молекулярного хлора Cl₂ при движении газовых пузырьков последнего к поверхности жидкого реагента, установлен хлорный электрод 5, выполненный в виде набора проволочных сеток из электропроводящего материала с покрытием, исключающим разрушение материала электрода при его работе в режиме окисления анионов Cl^- до молекулярного хлора Сl₂.

Генератор синглетного кислорода работает следующим образом. Газообразный кислород в результате концентрационной диффузии через гидрофобный газопроницаемый поддон 2 абсорбируется жидким реагентом 3 и восстанавливается на кислородном электроде 4 до анионов НО₂^-, которые под действием электрического поля вместе с присутствующими в жидком реагенте анионами Cl^- двигаются к хлорному электроду 5. Анионы Cl^- на хлорном электроде 5 окисляются до молекулярного хлора Cl₂, который в виде газовых пузырьков, выделившихся на поверхности хлорного электрода, перемещается к поверхности жидкого реагента. Во время этого перемещения происходит замещение молекулярного хлора Cl₂ в газовых пузырьках на синглетный кислород О₂(¹ g) в результате гетерогенной реакции восстановления молекулярного хлора на анионах НО₂^- до анионов Cl^-. После достижения газовыми пузырьками поверхности жидкого реагента 3 синглетный кислород О₂(¹ g) попадает в патрубок вывода готового продукта.

Использование предлагаемого генератора синглетного кислорода позволит создать химический иодно-кислородный лазер ближнего ИК-диапазона непрерывного действия для применения в лазерной технологии, лазерохимии, медицине, лазерном термоядерном синтезе в экологически чистом и экономичном с точки зрения эксплуатации исполнении.