一种梯度能量等离子体的气相反应器及使用方法

本发明涉及等离子体合成领域，具体涉及一种梯度能量等离子体的气相反应器及使用方法。

背景技术：

1、近年来，有机化学合成朝着绿色，经济，高效，高选择性等方向不断发展，衍生出一系列新的反应装置与设备，其中，等离子体合成设备是上世纪末才逐渐发展的一种新型合成手段，其往往具有节能，绿色，低排放等优势。等离子体合成的放电形式包括：射频放电、介质阻挡放电、电晕放电、辉光放电与静电放电等。比较多的成功案例多数运用介质阻挡放电，针对的化合物主要为质量数150以内的气体小分子，或者是一些降解与解离反应，但是针对气液，液液体系的等离子反应装置较少。微波等离子体具有能量较高，无暴露电极，运行稳定等特点，比较适合用于等离子反应装置的设计。随着桌面微化工概念的提出，亟需各种便携的新型等离子体反应装置，提升有机合成的效率，减少催化剂的使用，弥补传统有机反应装置的不足。

技术实现思路

1、本发明提供一种梯度能量等离子体的气相反应器及使用方法，采用功率无级可调的微波等离子体炬与同心雾化器联用，同时通过蠕动泵实现反应的循环进行。该装置将微波等离子体束流产生的高能电子及亚稳态离子用于打破有机反应的势垒，可以实现部分有机分子反应的无催化快速进行，同时通过能量可控的等离子轰击，可以实现一些液相合成体系中难以发生的异裂重排反应；另一方面，被等离子体炬激活的气相分子可以参与到有机反应中，实现快速的气液两相反应；装置整体小巧便携，主体尺寸可以压缩到20×10×30cm以内。

2、本发明采用的技术方案如下：

3、本装置提供的梯度能量等离子体的气相反应器装置，包括微波等离子体发生装置、液体收集桶、出口管路、进口管路、同心雾化器、气路接头、球形反应腔室、主支撑板、冷却杯、蠕动泵；所述主支撑板的中央开设圆形通孔，孔内装嵌有球形反应腔室，所述主支撑板的下方设有液体收集桶，所述液体收集桶的上端向上从球形反应腔室底端开设的通孔伸入并安装于所述球形反应腔室底端内，所述液体收集桶的下端位于冷却杯中，所述冷却杯、球形反应腔室的底端和所述液体收集桶依次从外到内同轴心嵌套，在实际操作过程中，冷却杯与液体收集桶之间填充适量冷水，保证产物冷却沉积，降低收集损耗，且冷却杯中的冷水可以吸收反应过程中逸散的少量化学品，减少化学品的排放。

4、所述主支撑板一侧的上板面水平安装有所述微波等离子体发生装置，所述球形反应腔室在靠近所述微波等离子体发生装置的一侧面开孔，所述微波等离子体发生装置的一端穿过球形反应腔室侧面的开孔，伸入所述球形反应腔室内。

5、所述球形反应腔室的顶部垂直地插装有所述同心雾化器，同心雾化器用于将反应物雾化成喷雾微滴，所述同心雾化器的底端伸入球形反应腔室内，且与所述微波等离子体发生装置伸入球形反应腔室的一端垂直间隔布置，同心雾化器的底端朝向球形反应腔室的球心，所述微波等离子体发生装置产生的微波等离子束位于同心雾化器的底端的正下方，使同心雾化器形成的反应物喷雾喷出后经过由微波等离子体发生装置产生的微波等离子束，所述同心雾化器顶部的一侧连通有所述气路接头，所述气路接头用于将雾化载气引入所述同心雾化器中，所述同心雾化器的顶端经所述进口管路连通于所述蠕动泵的出口，所述蠕动泵的入口经所述出口管路连通于所述液体收集桶；在实际操作中，所述的蠕动泵通过出口管路抽入液体收集桶中配置好的反应物溶液，再通过进口管路将反应物溶液注入所述同心雾化器，同心雾化器将反应物溶液雾化成喷雾微滴，喷雾微滴穿过微波等离子体束，反应后沉积收集在液体收集桶中，形成流路循环模块。

6、进一步地，所述的蠕动泵可以替换为其他液体循环泵，包括但不限于注射泵、微流泵等。

7、所述出口管路固定在所述液体收集桶的外壁，从液体收集桶的顶端伸入连通到液体收集桶的底部。

8、所述微波等离子体发生装置与外部的电源模块电连接，电源模块为可调微波源，用于提供微波信号，所述电源模块的功率可调，用于实现等离子体能量梯度可调，所述电源模块的功率调节范围为60w～200w，电源模块的功率低于60w时，等离子体难以稳定维持。通过能量的梯度调节控制等离子体电离能与温度，可以控制反应发生的条件。在激发等离子体时，通过等离子体工作气入口输入工作气，同时需要金属触碰等方式给予电子。

9、所述微波等离子体发生装置在远离所述球形反应腔室的一端连接有等离子体工作气入口，所述微波等离子体发生装置的主体部分设有三根同心嵌套的铜管，从里到外依次是内管、中心管和微波输入管，所述内管为氩气管，与所述等离子体工作气入口连通，所述内管与中心管之间的环形孔隙产生微波等离子束。

10、所述球形反应腔室的顶端设有圆形开口，开口内垂直地穿设有同心雾化器支架，所述同心雾化器支架的内部可活动地插装同心雾化器，所述同心雾化器在所述同心雾化器支架内部能够垂直地上下连续移动。

11、进一步地，所述的同心雾化器可以替换为压电雾化器、超声雾化器、电喷雾器中的一种。

12、所述主支撑板的四角的下方固定安装有用于支撑主支撑板的脚架，所述主支撑板与所述微波等离子体发生装置之间固定安装有滑轨结构，用于固定和调整微波等离子体发生装置，滑轨安装在所述主支撑板上板面开设的槽形过孔上，滑轨的轨道方向与所述微波等离子体发生装置平行。在实际工作中，协同调节同心雾化器和微波等离子体发生装置的位置参数，可以保证反应物喷雾与等离子束充分接触。

13、采用本装置提供的梯度能量等离子体的气相反应器装置进行有机合成反应及控制方法的步骤如下：

14、1)安装完成所述的梯度能量等离子体的气相反应器后，将反应物配置为合适浓度的反应物溶液并置入液体收集桶，将冷水注入冷却杯中；

15、2)打开蠕动泵，将反应物溶液泵入到同心雾化器，向气路接口通入雾化载气，所述同心雾化器将反应物溶液雾化成喷雾喷出，注入所述球形反应腔室中；

16、3)打开电源模块，通过调节功率调节合适的梯度能量，将工作气从等离子体工作气入口注入所述微波等离子体发生装置中，所述微波等离子体发生装置的伸入球形反应腔室的一端产生微波等离子束，微波等离子束与反应物喷雾充分接触，反应物溶液在等离子体温度与气流的作用下，脱去溶剂，解吸为气相状态，形成气相反应物分子/离子，气相反应物分子/离子随后与微波等离子体中的电子/离子发生碰撞和反应，具体地，气相反应物分子/离子可以和高能电子、初级气相离子、高能亚稳态离子发生碰撞，发生各类气相离子反应；

17、4)发生反应后，产生的气液态混合产物向下沉降，在冷却杯的作用下冷凝，下流收集在液体收集桶中，反应结束后，关闭所述电源模块与所述蠕动泵，从所述液体收集桶中收集产物溶液并与冷却杯中的液体合并。

18、所述步骤4)中，收集在所述液体收集桶中的液态混合产物，经由出口管路再次被蠕动泵抽取，重新经过进口管路被泵入到同心雾化器中，经由步骤3)循环反应至反应结束。

19、所述步骤1)中，安装完成所述的梯度能量等离子体的气相反应器后，调节所述同心雾化器的底端与所述微波等离子体发生装置的伸入球形反应腔室的一端之间的水平距离，使等离子体束与反应物喷雾充分接触后，再继续后续步骤的操作。

20、所述有机合成反应包括但不限于氧化反应和还原反应、加成反应、质子转移反应、消去反应、负氢迁移反应。

21、所述步骤2)中，所述蠕动泵中，液体流速连续可调，为1～13ml/min。

22、所述步骤2)中，所述气路接口中，雾化载气包括但不限于氮气、氩气、氦气、二氧化碳等，易燃气体不可用，雾化载气的流速连续可调，为1l/min～3l/min。

23、所述步骤3)中，所述等离子体工作气入口中引入的所述工作气为氩气或氦气，所述工作气的流速连续可调，为500～1000ml/min。

24、与现有技术相比，本发明具有如下优点：

25、1)本发明创新的使用能量梯度的微波等离子体参与有机反应合成，无需添加额外催化剂，减少了化学品使用与排放，降低了合成成本。

26、2)本发明基于气相反应物分子/离子与等离子体中高能电子、初级气相离子、高能亚稳态离子发生的碰撞/能量交换作为反应机理，可以实现溶液反应中很难或无法发生的异裂、重排反应。

27、3)本发明除了可以实现溶液中化合物的反应，还可以促进溶液中反应物与气体发生反应，增加反应维度。

28、4)本发明装置小巧，能量可调，区别于大型等离子体反应，适合实验室及桌面微化工条件的应用。