[發明專利]在線監測超臨界體系的高壓原位紅外光譜裝置

有效

• 申請號: 201110255774.5
• 申請日: 2011-08-31
• 公開（公告）號: CN102435573A
• 公開（公告）日: 2012-05-02
• 發明（設計）人: 劉昭鐵;陳建剛;劉璇;劉忠文
• 申請（專利權）人: 陜西師范大學
• 主分類號: G01N21/35
• 分類號: G01N21/35;G01N21/01
• 代理公司: 西安永生專利代理有限責任公司 61201
• 代理人: 申忠才

技術領域

本發明屬于高壓原位紅外光譜監測裝置技術領域，具體涉及一種在線監測超臨界體系的高壓原位紅外光譜設備或裝置。

背景技術

高壓原位紅外光譜技術可應用于在線監測真實的或接近真實的壓力、溫度等條件下的高壓/超臨界體系中進行的物理轉變或者化學反應過程，探測體系的相行為規律以及各組分之間的相互作用機制，動態監測活性物種的產生及其隨壓力、溫度、時間等的衍變，研究物理轉變或化學反應的動力學和機理。對于認識超臨界體系規律、優化工藝參數、調控過程結果、促進超臨界流體技術的應用等方面具有獨到的作用。

紅外光譜是分子選擇性吸收紅外輻射、在振動能級躍遷中產生的分子吸收光譜。高壓及超臨界體系原位紅外光譜技術已為一些文獻所報道。依據紅外光在測試樣品中的傳播方式，高壓原位紅外光譜技術可分為透射式及衰減全反射兩種模式。

透射式高壓原位紅外光譜系統的分析光路簡單，光程容易確定，其核心部件透射式高壓紅外樣品池與紅外光譜儀的光路匹配方便。由于大多數極性基團在中紅外光譜區的摩爾吸光系數(ε)很大(10²～10⁴L.mol^-1.cm^-1)，為了避免待測組分產生過強的紅外吸收而無法得到合用的紅外光譜，在測試體系中紅外光的有效穿透厚度(光程，b)與待測組分濃度(c)的乘積就必須很小(一般不超過對應基團摩爾吸光系數的倒數ε^-1)。一方面，當體系中待測組分濃度(c)不能很小的時候就必須減小光程(b)，小的光程不僅使整個系統在測試過程中無法攪拌，也限制了高壓紅外樣品池的有效容積，給待測樣品的準確加入帶來一定困難。另一方面，在光程無法減小的時候降低待測組分濃度雖然也能避免產生過強的紅外吸收，但過低的濃度不僅給原料的準確加入帶來一定困難，也使紅外光譜的信噪比降低、可靠性下降。目前，已有的透射式高壓原位紅外光譜系統的光程小而無法攪拌，光程也難以靈活調節，限制了高壓原位紅外光譜技術的應用。

衰減全反射式高壓紅外光譜系統能夠將紅外光光程(b)降低到只有幾微米到十幾微米，可以有效地提高待測組分所允許的濃度(c，0.1～10mol.L^-1)。另外，與透射式高壓原位紅外光譜樣品池不同，衰減全反射式高壓原位紅外樣品池的容積不受光程影響，可根據測試需要設計和選擇，允許有較大的待測樣品體積，有助于原料準確加入。因此，衰減全反射式高壓原位紅外光譜是在線監測高壓及超臨界體系的一種有效的技術手段。相對于透射模式，衰減全反射式原位紅外光譜的光路復雜，需要專門設計反射鏡組來改造傅里葉變換紅外光譜儀樣品倉里的分析光路，使紅外光譜儀的光源能夠與紅外樣品池里的全反射晶體以及全反射晶體表面的待測樣品有效耦合，實現對高壓及超臨界過程的原位紅外光譜監測。

目前，已有衰減全反射式高壓原位紅外樣品池的紅外傳感元件全反射晶體安裝在高壓紅外樣品池底部，全反射晶體也是高壓紅外樣品池承壓殼體的一部分。紅外光經過反射鏡反射后，從樣品池底部以一定角度射入表面被待測樣品覆蓋的全反射晶體，在全反射晶體里發生全反射、在全反射晶體表面被待測樣品選擇性吸收而衰減，經過數次衰減全反射以后射出紅外樣品池，經反射鏡反射至紅外光譜儀的檢測器進行檢測。這種測試系統(裝置)的主要缺點是：首先，高壓紅外樣品池底部的全反射晶體會隨樣品池移動而偏移分析光路，在測試前，光路必須進行校準，校準操作繁瑣。其次，受光路布局限制，現有的原位紅外光譜系統里無法引入攪拌器而不能攪拌。另外，受全反射晶體材料、幾何尺寸及密封方法等限制，現有的原位紅外樣品池的耐壓水平低，多數不超過10MPa，最大為20MPa。

高壓/超臨界條件下的物理轉變或化學反應體系屬于組成復雜的混合體系。對于這些混合體系中進行的變化過程而言，有效地攪拌有助于提高傳質擴散速率、改善體系中各組分混合的均勻性提高在線光譜測量結果的代表性和重現性。無論透射式還是衰減全反射式，現有高壓原位紅外光譜系統在監測過程中均無法實現攪拌，使所監測的體系實質上有別于真實的轉變或反應過程，使測量結果可靠性和可信度降低。另外，原位紅外樣品池的耐壓水平低，限制了高壓/超臨界體系原位紅外光譜技術的應用范圍。

發明內容

本發明要解決的技術問題在于克服上述高壓原位紅外光譜系統存在的缺點，提供一種結構簡單、耐壓性能好、操作簡便的在線監測超臨界體系的高壓原位紅外光譜裝置。