[RU]

Способы переработки химических веществ изменяют их структуру и, в частности, повышают их растворимость и/или скорость растворения, для получения промежуточных соединений и продуктов из структурно модифицированных материалов. Многие из указанных способов обеспечивают получение материалов, которые легче применять в реакциях или других процессах для получения полезных промежуточных соединений и продуктов, например энергии, топлива, пищевых продуктов или материалов. Химические вещества, обработанные при помощи способов, описанных в настоящем документе, можно применять для создания высококонцентрированных растворов. Обработка может изменять функциональность химического вещества и, таким образом, полярность химического вещества, что может делать химическое вещество растворимым в тех растворителях, в которых необработанное химическое вещество не растворимо или только умеренно или частично растворимо. Указанные способы в некоторых случаях увеличивают растворимость химического вещества в воде или водной среде. Химическое вещество может представлять собой, например, твердое вещество, жидкость или гель, или их смеси.

(57) Реферат / Формула:

Способы переработки химических веществ изменяют их структуру и, в частности, повышают их растворимость и/или скорость растворения, для получения промежуточных соединений и продуктов из структурно модифицированных материалов. Многие из указанных способов обеспечивают получение материалов, которые легче применять в реакциях или других процессах для получения полезных промежуточных соединений и продуктов, например энергии, топлива, пищевых продуктов или материалов. Химические вещества, обработанные при помощи способов, описанных в настоящем документе, можно применять для создания высококонцентрированных растворов. Обработка может изменять функциональность химического вещества и, таким образом, полярность химического вещества, что может делать химическое вещество растворимым в тех растворителях, в которых необработанное химическое вещество не растворимо или только умеренно или частично растворимо. Указанные способы в некоторых случаях увеличивают растворимость химического вещества в воде или водной среде. Химическое вещество может представлять собой, например, твердое вещество, жидкость или гель, или их смеси.

---

Евразийское (21) 201790353 (13) А2
патентное
ведомство
(12) ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ К ЕВРАЗИЙСКОЙ ЗАЯВКЕ
(43) Дата публикации заявки (51) Int. Cl. B29C35/08 (2006.01)
2017.12.29 H05B 6/00 (2006.01)
(22) Дата подачи заявки 2011.05.20
(54) ПЕРЕРАБОТКА ХИМИЧЕСКИХ ВЕЩЕСТВ
(31) (32)
61/347,705 2010.05.24
(33) US
(62) 201290850; 2011.05.20
(71) Заявитель: КСИЛЕКО, ИНК. (US)
(72) Изобретатель: Медофф Маршалл (US)
(74) Представитель:
Веселицкая И.А., Веселицкий М.Б., Кузенкова Н.В., Каксис Р.А., Белоусов Ю.В., Куликов А.В., Кузнецова Е.В., Соколов Р.А., Кузнецова Т.В. (RU)
(57) Способы переработки химических веществ изменяют их структуру и, в частности, повышают их растворимость и/или скорость растворения, для получения промежуточных соединений и продуктов из структурно модифицированных материалов. Многие из указанных способов обеспечивают получение материалов, которые легче применять в реакциях или других процессах для получения полезных промежуточных соединений и продуктов, например энергии, топлива, пищевых продуктов или материалов. Химические вещества, обработанные при помощи способов, описанных в настоящем документе, можно применять для создания высококонцентрированных растворов. Обработка может изменять функциональность химического вещества и, таким образом, полярность химического вещества, что может делать химическое вещество растворимым в тех растворителях, в которых необработанное химическое вещество не растворимо или только умеренно или частично растворимо. Указанные способы в некоторых случаях увеличивают растворимость химического вещества в воде или водной среде. Химическое вещество может представлять собой, например, твердое вещество, жидкость или гель, или их смеси.
I2"
ПЕРЕРАБОТКА ХИМИЧЕСКИХ ВЕЩЕСТВ
РОДСТВЕННЫЕ ЗАЯВКИ
Настоящая заявка испрашивает приоритет на основании предварительной заявки на патент США № 61/347705, поданной 24 мая 2010 г. Полное содержание указанной предварительной заявки включено тем самым в настоящую заявку посредством ссылки.
УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ
Химические вещества применяют в широком спектре реакций и способов, часто для получения других промежуточных соединений и продуктов. Растворимость и/или скорость растворения химического вещества в растворителе может влиять на скорость и/или эффективность способа или химической реакции, в которых применяют указанное химическое вещество. Соответственно, было бы желательно регулировать, например, увеличивать, растворимость и/или скорость растворения химических веществ.
КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ
В целом, настоящее изобретение относится к способам переработки химических веществ для изменения их структуры и, в частности, для повышения их растворимости и/или скорости растворения, и к промежуточным соединениям и продуктам, полученным из таких структурно-измененных материалов. Многие из способов позволяют получить материалы, которые можно более легко применять в реакциях или в других способах для получения полезных промежуточных соединений и продуктов, например, энергии, топлива, пищи или материалов.
В некоторых вариантах реализации химические вещества, которые обрабатывают при помощи способов, описанных в настоящей заявке, можно применять для получения высоко концентрированных растворов, например, растворов с концентрацией выше, чем у насыщенных растворов необработанных химических веществ в том же растворителе при тех же условиях. В некоторых случаях обработка изменяет функциональные группы в химическом веществе, и, таким образом, полярность химического вещества, что может, например, делать обработанное химическое вещество растворимым в растворителях, в которых необработанное химическое вещество нерастворимо, или только умеренно или частично растворимо. Например, указанные способы могут в некоторых случаях увеличить растворимость химического вещества в воде или в водной среде. Химическое
вещество может представлять собой, например, твердое вещество, жидкость или гель, или их смеси.
В одном из аспектов настоящее изобретение относится к способу увеличения растворимости химического вещества, включающий обработку химического вещества путем физической обработки, выбранной из группы, состоящей из механической обработки, химической обработки, облучения, обработки ультразвуком, окисления, пиролиза и парового взрыва, с обеспечением увеличения растворимости химического вещества по сравнению с растворимостью данного химического вещества до физической обработки.
Некоторые варианты реализации включают один или более из следующих признаков. Химическое вещество может быть выбрано из группы, состоящей из солей, полимеров и мономеров. Физическая обработка может представлять собой или включать облучение, например, при помощи пучка электронов. В некоторых случаях физическая обработка изменяет функциональные группы в химическом веществе. В тех вариантах реализации, в которых химическое вещество облучают, облучение может включать воздействие на химическое вещество суммарной дозой излучения по меньшей мере 5 Мрад.
Физически обработанное химическое вещество может иметь кристалличность по меньшей мере на 10 процентов ниже, чем кристалличность химического вещества до физической обработки. В некоторых случаях химическое вещество имеет индекс кристалличности до физической обработки от примерно 40 до примерно 87,5 процентов, а физически обработанное химическое вещество имеет индекс кристалличности от примерно 10 до примерно 50 процентов.
В другом аспекте настоящее изобретение относится к продукту, содержащему химическое вещество, подвергнутое физической обработке, выбранной из группы, состоящей из механической обработки, химической обработки, облучения, обработки ультразвуком, окисления, пиролиза и парового взрыва, причем указанный продукт имеет растворимость выше, чем растворимость химического вещества до физической обработки.
Некоторые варианты реализации включают один или более из следующих признаков. Химическое вещество может быть выбрано из группы, состоящей из солей, полимеров и мономеров. В некоторых случаях химическое вещество было подвергнут облучению, например, пучком электронов. Продукт может иметь функциональные группы,
отличающиеся от функциональных групп химического вещества до физической обработки. В тех вариантах реализации, в которых химическое вещество облучают, облучение может включать воздействие на химическое вещество суммарной дозы излучения по меньшей мере 30 Мрад. Физически обработанное химическое вещество может иметь кристалличность по меньшей мере на 10 процентов ниже, чем кристалличность химического вещества до физической обработки. В некоторых случаях химическое вещество имеет индекс кристалличности до физической обработки от примерно 40 до примерно 87,5 процентов, а физически обработанное химическое вещество имеет индекс кристалличности от примерно 10 до примерно 50 процентов.
Увеличение растворимости и/или скорости растворения может являться результатом структурной модификации материала. "Структурная модификация" химического вещества в настоящей заявке означает изменение молекулярной структуры исходного сырья любым образом, в том числе, путем изменения расположения химических связей, кристаллической структуры или конформации исходного сырья. Изменение может представлять собой, например, изменение целостности кристаллической структуры, например, путем образования микротрещин внутри структуры, которое может не проявиться при дифракционных измерениях кристалличности материала. Указанные изменения в структурной целостности материала можно определить опосредованно путем измерения выхода продукта при различных уровнях структурно-модифицирующей обработки. В дополнение или в качестве альтернативы, изменение молекулярной структуры может включать изменение надмолекулярной структуры химического вещества, окисление химического вещества, изменение средней молекулярной массы, изменение средней кристалличности, изменение площади поверхности, изменение степени полимеризации, изменение пористости, изменение степени разветвления, привитую сополимеризацию с участием других материалов, изменение размера кристаллического домена или изменение общего размера домена. Структурная модификация может в некоторых случаях увеличивать полярность химического вещества, увеличивая способность химического вещества образовывать водородные связи с водой, и/или разрушать химическое вещество на меньшие молекулы.
Если не определено иначе, все технические и научные термины, применяемые в настоящей заявке, имеют те же значения, которые, как правило, подразумевает обычный специалист в области техники, к которой принадлежит настоящее изобретение. Хотя на практике или при тестировании настоящего изобретения можно применять способы и
материалы, подобные или эквивалентные способам и материалам, описанным в настоящей заявке, подходящие способы и материалы описаны ниже. Все публикации, заявки на патенты, патенты и другие ссылки, упомянутые в настоящей заявке, в полном объеме включены в нее посредством ссылки. В случае противоречия, настоящее описание, включая определения, будет иметь определяющее значение. Кроме того, материалы, способы и примеры являются только иллюстративными и не предполагают ограничения изобретения.
Другие признаки и преимущества изобретения будут очевидны из следующего подробного описания и формулы изобретения.
ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ
Фиг. 1 представляет собой структурную схему, иллюстрирующую конверсию химического вещества в продукты и побочные продукты.
ПОДРОБНОЕ ОПИСАНИЕ
Применяя способы, описанные в настоящей заявке, можно перерабатывать химические вещества (например, соли, полимеры, мономеры, фармацевтические препараты, питательные вещества, витамины, минеральные вещества, нейтральные молекулы и смеси указанных веществ) для увеличения их растворимости и/или скорости растворения. В некоторых случаях переработанное химическое вещество само по себе является готовым продуктом, тогда как в других случаях переработанное химическое вещество можно применять для получения ценных промежуточных соединений и продуктов. Химические вещества можно обрабатывать или перерабатывать при помощи одного или более способов, описанных в настоящей заявке, таких как механическая обработка, химическая обработка, облучение, ультразвуковая обработка, окисление, пиролиз или паровой взрыв. Различные системы и способы обработки модно применять в комбинации из двух, трех, или даже четырех или более из указанных технологий, или других технологий, описанных в настоящей заявке или где-либо в другом источнике.
Указанные варианты обработки будут увеличивать растворимость обработанного химического вещества в растворителе, который может представлять собой, например, воду, неводный растворитель, например, органический растворитель, или их смеси.
СИСТЕМЫ ДЛЯ ОБРАБОТКИ ХИМИЧЕСКИХ ВЕЩЕСТВ
На Фиг. 1 представлен процесс 10 превращения химического вещества в полезные промежуточные соединения и продукты. Процесс 10 включает сначала необязательную механическую обработку химического вещества (12), например, путем дробления или иной механической переработки. Затем химическое вещество подвергают физической обработке (14), такой как механическая обработка, химическая обработка, облучение, обработка ультразвуком, окисление, пиролиз или паровой взрыв, для модификации его внутренней структуры, например, за счет ослабления или образования микротрещин в связях кристаллической структуры материала. Далее, структурно-модифицированное химическое вещество можно в некоторых случаях подвергать дополнительной механической обработке (16). Эта механическая обработка может представлять собой такую же механическую обработку, что и начальная, или отличаться от нее.
Далее, химическое вещество можно подвергнуть дополнительной структурно-модифицирующей обработке и механической обработке при необходимости дополнительного структурного изменения (например, увеличения растворимости) перед дальнейшей обработкой.
Далее, обработанное химическое вещество можно переработать на стадии основной переработки 18, например, растворить в растворителе, и, в некоторых случаях, смешать или подвергнуть реакции с другими химическими веществами, с получением промежуточных соединений и продуктов. В некоторых случаях, конечную продукцию, получаемую на стадии основной обработки, можно применять напрямую, но, в других случаях, требуется дальнейшая переработка, которую обеспечивает стадия последующей переработки (20). Последующая переработка может включать, например, очистку, разделение, введение добавок, высушивание, отверждение, и другие способы.
В некоторых случаях, системы, описанные в настоящей заявке, или их компоненты, могут быть разборными, так что систему можно перевозить (например, железнодорожным, грузовым или морским транспортом) из одного места в другое. Стадии способа, описанные в настоящей заявке, можно выполнить в одном или более местах и в некоторых случаях одну или более стадий можно осуществить при транспортировке. Такая мобильная переработка описана в патенте США № 12/374549 и международной заявке № WO 2008/011598, полное описание которых включено в настоящую заявку посредством ссылки.
Любую или все стадии предложенного способа, описанные в настоящей заявке, можно выполнить при температуре окружающей среды. При необходимости, при выполнении некоторых стадий можно применять охлаждение и/или нагревание. Например, химическое вещество можно охлаждать во время механической обработки для увеличения его хрупкости. Согласно некоторым вариантам реализации изобретения, охлаждение применяют перед начальной механической обработкой и/или последующей механической обработкой, во время или после нее. Охлаждение можно осуществить, как указано в патенте 12/502629, полное описание которого включено в настоящую заявку посредством ссылки.
Отдельные стадии предложенных способов, описанные выше, а также применяемые химические вещества, будут рассмотрены далее более подробно.
ФИЗИЧЕСКАЯ ОБРАБОТКА
Способы физической обработки могут включать один или более способов, описанных в настоящей заявке, таких как механическая обработка, химическая обработка, облучение, ультразвуковая обработка, окисление, пиролиз или паровой взрыв. Способы обработки можно применять в комбинации двух, трех, четырех или даже всех указанных технологий (в любом порядке). Если применяют более одного способа обработки, указанные способы можно применять в одно и то же время или в разное время. Также можно применять другие способы, изменяющие молекулярную структуру химического вещества, для увеличения растворимости и/или скорости растворения химического вещества, отдельно или в комбинации со способами, описанными в настоящем документе.
Многие виды обработки, описанные в настоящей заявке, разрушают кристаллическую структуру обработанного химического вещества, что увеличивает растворимость химического вещества по мере увеличения степени неупорядоченности структуры. Некоторые виды обработки также увеличивают площадь поверхности и/или пористость химического вещества, что в целом увеличивает скорость растворения химического вещества, а также увеличивает его растворимость.
Механическая обработка
В некоторых случаях способы могут включать механическую обработку химического вещества. Механическая обработка включает, например, разрезание, дробление, прессование, перемалывание, разрезание и рубку. Перемалывание, например, может
включать перемалывание на шаровой мельнице, на молотковой мельнице, роторный/статорный сухой или мокрый помол, или другие виды перемалывания. Другие виды механической обработки включают, например, жерновой помол, раскалывание, механическую продольную резку или механическое разрывание, штифтовой помол или помол на пневматической фрикционной мельнице.
Механическая обработка может быть полезна для "открывания", "напряжения", разрушения и раздробления химического вещества, что делает химическое вещество более подверженным разрыву цепей и/или уменьшению кристалличности, и в некоторых случаях также более подверженным окислению при облучении.
В некоторых случаях механическая обработка может включать первичную подготовку химического вещества, такую как при помощи разрезания, дробления, разрезания, растирания или рубки. Как вариант или дополнительно, химическое вещество можно подвергать физической обработке при помощи одного или нескольких способов физической обработки, например, химической обработки, облучения, ультразвуковой обработки, окисления, пиролиза или парового взрыва, а затем подвергать механической обработке. Указанная последовательность может быть выгодной, поскольку химические вещества, подвергнутые одному или нескольким другим видам обработки, например, облучению или пиролизу, склонны к большей хрупкости, и следовательно, могут легче подвергаться дальнейшим изменениям молекулярной структуры химического вещества путем механической обработки.
Способы механической обработки химического вещества включают, например, перемалывание или дробление. Перемалывание можно осуществлять, например, при помощи молотковой мельницы, шаровой мельницы, коллоидной мельницы, конической или конусной мельницы, дисковой мельницы, бегунковой мельницы, мельницы Уайли (Wiley) или мукомольной мельницы. Дробление можно осуществлять, например, при помощи жерновой дробилки, круглошлифовальной дробилки, кофейной мельницы или гратоснимателя. Дробление можно осуществлять, например, с помощью штифта, совершающего возвратно-поступательные движения, или другого элемента, как это имеет место в штифтовой мельнице. Другие способы механической обработки включают, например, механическую продольную резку или механическое разрывание, другие способы, в которых к химическому веществу прилагают давление, и помол на пневматической фрикционной мельнице. Подходящие способы механической обработки
также включают любые другие способы, изменяющие молекулярную структуру химического вещества
Системы механической обработки можно выполнить с возможностью получения обработанного химического вещества с определенными морфологическими характеристиками, такими как, например, площадь поверхности, пористость и объемная плотность. Увеличение площади поверхности и пористости химического вещества будет в целом увеличивать растворимость и скорость растворения химического вещества.
Согласно некоторым вариантам реализации изобретения, площадь поверхности по методу Брунауэра-Эммета-Теллера (BET) механически обработанного химического вещества составляет больше чем 0,1 м2/г, например, больше чем 0,25 м2/г, больше чем 0,5 м2/г, больше чем 1,0 м2/г, больше чем 1,5 м2/г, больше чем 1,75 м2/г, больше чем 5,0 м2/г, больше чем 10 м2/г, больше чем 25 м2/г, больше чем 35 м2/г, больше чем 50 м2/г, больше чем 60 м2/г, больше чем 75 м^г, больше чем 100 м2/г, больше чем 150 м2/г, больше чем 200 м2/г или даже больше чем 250 м2/г.
Пористость механически обработанного химического вещества может составлять, например, больше чем 20 процентов, больше чем 25 процентов, больше чем 35 процентов, больше чем 50 процентов, больше чем 60 процентов, больше чем 70 процентов, например, больше чем 80 процентов, больше чем 85 процентов, больше чем 90 процентов, больше чем 92 процентов, больше чем 94 процентов, больше чем 95 процентов, больше чем 97,5 процентов, больше чем 99 процентов или даже больше чем 99,5 процентов.
В некоторых вариантах реализации после механической обработки химическое вещество имеет объемную плотность менее 0,25 г/см3, например, 0,20 г/см3, 0,15 г/см3, 0,10 г/см3, 0,05 г/см3 или менее, например, 0,025 г/см3. Объемную плотность определяют согласно ASTM D1895B. Вкратце, указанный способ включает заполнение измерительного цилиндра известным объемом образца и получение массы образца. Объемную плотность вычисляют путем деления массы образца в граммах на известный объем цилиндра в кубических сантиметрах.
В некоторых случаях может потребоваться получить материал с низкой объемной плотностью, уплотнить материал (например, для облегчения и удешевления транспортировки в другое место), а затем вернуть материал в состояние с более низкой объемной плотностью. Уплотненные материалы можно перерабатывать при помощи
любых способов, описанных в настоящем документе, или любой материал, переработанный при помощи любых способов, описанных в настоящем документе, можно впоследствии уплотнить, например, как это описано в патенте США №. 12/429045 и в WO 2008/073186, полное содержание которых включено в настоящее описание посредством ссылок.
Обработка излучением
Один или более циклов обработки излучением можно применять для обработки химического вещества и для обеспечения структурно модифицированного химического вещества, имеющего повышенную растворимость и/или скорость растворения по сравнению с указанным химическим веществом до облучения. Облучение может, например, уменьшать молекулярную массу и/или кристалличность химического вещества. Излучение может также стерилизовать химическое вещество или любую среду, необходимую для переработки химического вещества.
В некоторых вариантах реализации энергию, накопленную в материале, испускающем электрон со своей атомной орбитали, применяют для облучения материалов. Излучение может быть обеспечено при помощи (1) тяжелых заряженных частиц, таких как альфа-частицы или протоны, (2) электронов, получаемых, например, при бета-распаде или в ускорителях электронного пучка, или (3) электромагнитного излучения, например, гамма-лучей, рентгеновских лучей или ультрафиолетовых лучей. В одном из подходов излучение, получаемое при помощи радиоактивных веществ, можно применять для облучения химического вещества. В другом подходе для облучения химического вещества применяют электромагнитное излучение (например, получаемое при помощи электронно-лучевых излучателей). В некоторых вариантах реализации можно применять любую комбинацию в любом порядке или одновременно пунктов с (1) по (3). Применяемые дозы зависят от желаемого действия и конкретного химического вещества.
В некоторых случаях, когда необходим разрыв цепи и/или введение функциональных групп в полимерную цепь, можно применять частицы, более тяжелые, чем электроны, такие как протоны, ядра гелия, ионы аргона, ионы кремния, ионы неона, ионы углерода, ионы фосфора, ионы кислорода или ионы азота. Если требуется разрыв цепи с раскрытием цикла, можно применять для усиления указанного разрыва цепи с раскрытием цикла положительно заряженные частицы благодаря их свойствам кислот Льюиса. Например, когда желательно максимальное окисление, можно применять ионы кислорода, а когда
желательно максимальное нитрование, можно применять ионы азота. Применение тяжелых частиц и положительно заряженных частиц описано в патенте США № 12/417699, полное описание которого включено в настоящую заявку посредством ссылки.
В одном из способов первое химическое вещество со среднечисленной молекулярной массой (Mm) облучают, например, путем воздействия ионизирующего излучения (например, в виде гамма-излучения, рентгеновского излучения, ультрафиолетового (УФ) света с длиной волны от 100 нм до 280 нм, пучка электронов или других заряженных частиц) для обеспечения второго химического вещества со среднечисленной молекулярной массой (Мт) ниже, чем первая среднечисленная молекулярная масса. Второе химическое вещество (или первое и второе химическое вещество) можно применять в качестве конечного продукта или дополнительно перерабатывать с получением промежуточного соединения или продукта.
Поскольку второе химическое вещество имеет сниженную молекулярную массу по сравнению с первым химическим веществом, и в некоторых случаях также сниженную кристалличность, второе химическое вещество демонстрирует большую растворимость и/или большую скорость растворения по сравнению с первым химическим веществом. Указанные свойства могут сделать второе химическое вещество более легко перерабатываемым и в некоторых случаях более реакционноспособным, что может значительно улучшить производительность и/или объем выпуска необходимого продукта.
В некоторых вариантах реализации вторая среднечисленная молекулярная масса (М№) ниже, чем первая среднечисленная молекулярная масса (Мщ) на более чем примерно 10 процентов, например, на более чем примерно 15, 20, 25, 30, 35, 40, 50 процентов, на 60 процентов или даже на более чем примерно 75 процентов.
В некоторых случаях, облучение уменьшает кристалличность химического вещества, например, на более чем примерно 10 процентов, например, на более чем примерно 15, 20, 25, 30, 35, 40 процентов, или даже на более чем примерно 50 процентов.
Согласно некоторым вариантам реализации изобретения, исходный индекс кристалличности (до облучения) составляет от примерно 40 до примерно 87,5 процентов, например, от примерно 50 до примерно 75 процентов, или от примерно 60 до примерно 70 процентов, а индекс кристалличности после облучения составляет от примерно 10 до примерно 50 процентов, например, от примерно 15 до примерно 45 процентов, или от
примерно 20 до примерно 40 процентов Однако, согласно некоторым вариантам реализации изобретения, например, после всестороннего облучения индекс кристалличности может быть ниже 5 процентов. Согласно некоторым вариантам реализации изобретения, материал после облучения по существу является аморфным.
Согласно некоторым вариантам реализации изобретения, исходная среднечисленная молекулярная масса (перед облучением) составляет от примерно 200000 до примерно 3200000, например, от примерно 250000 до примерно 1000000, или от примерно 250000 до примерно 700000, а среднечисленная молекулярная масса после облучения составляет от примерно 50000 до примерно 200000, например, от примерно 60000 до примерно 150000, или от примерно 70000 до примерно 125000. Однако, согласно некоторым вариантам реализации изобретения, например, после всестороннего облучения, среднечисленная молекулярная масса может составлять менее чем примерно 10000 или даже меньше чем примерно 5000.
Согласно некоторым вариантам реализации изобретения, второе химическое вещество может иметь уровень окисления (Ог) выше, чем уровень окисления (Oi) первого химического вещества. Более высокий уровень окисления химического вещества может дополнительно увеличить его растворимость и/или скорость растворения. Согласно некоторым вариантам реализации изобретения, для увеличения уровня окисления облучение проводят в окислительной среде, например, под слоем воздуха или кислорода. В некоторых случаях второе химическое вещество может содержать больше гидроксильных групп, альдегидных групп, кетоновых групп, сложноэфирных групп или карбоксильных групп, чем первое химическое вещество, что может повысить гидрофильность и, следовательно, растворимость в воде иди водной среде.
Ионизирующее облучение
Каждая форма облучения ионизирует углеродсодержащий материал за счет определенных взаимодействий, которые определяются энергией излучения. Тяжелые заряженные частицы в основном ионизируют материю за счет кулоновского рассеяния; кроме того, эти взаимодействия создают быстрые электроны, которые могут дополнительно ионизировать материю. Альфа-частицы идентичны ядру атома гелия и образуются при альфа-распаде различных радиоактивных ядер, таких как изотопы висмута, полония, астата, радона, франция, радия, некоторых актинидов, таких как актиний, торий, уран, нептуний, кюрий, калифорний, америций и плутоний.
При использовании частиц, они могут быть нейтральными (незаряженными), положительно заряженными или отрицательно заряженными. Будучи заряженными, заряженные частицы могут содержать один положительный или отрицательный заряд или более зарядов, например, один, два, три или даже четыре или более зарядов. В примерах, в которых требуется разрыв цепи, положительно заряженные частицы могут быть предпочтительными, частично, благодаря их кислотной природе. При использовании частиц, их масса может быть равна массе электрона в состоянии покоя или превышать ее, например, в 500, 1000, 1500, 2000, 10000 или даже 100000 раз. Например, масса частиц может составлять от примерно 1 атомной единицы до примерно 150 атомных единиц, например, от примерно 1 атомной единицы до примерно 50 атомных единиц или от примерно 1 до примерно 25, например, 1, 2, 3, 4, 5, 10, 12 или 15 атомных единиц. Ускорители, применяемые для ускорения частиц, могут быть электростатическими постоянного тока, электродинамическими постоянного тока, радиочастотными линейными, магнитоиндукционными линейными или непрерывного излучения. Например, в ША, Бельгия можно приобрести циклотронный тип ускорителей, такой как система Rhodotron(r), при этом в RDI, теперь ША Industrial, можно приобрести ускорители постоянного тока, такие как Dynamitron(r). Ионы и ионные ускорители рассмотрены в публикациях Introductory Nuclear Physics, Kenneth S. Krane, John Wiley & Sons, Inc. (1988), Krsto Prelec, FIZIKA В 6 (1997) 4, 177-206, Chu, William Т., "Overview of Light-Ion Beam Therapy" Columbus-Ohio, ICRU-IAEA Meeting, 18-20 марта 2006 года, Iwata, Y. et al., "Altemating-Phase-Focused IH-DTL for Heavy-Ion Medical Accelerators" Proceedings of EPAC 2006, Эдинбург, Шотландия) и Leaner, CM. et al., "Status of the Superconducting ECR Ion Heavy Venus" Proceedings of EPAC 2000, Вена, Австрия.
Преимущество гамма-излучения состоит в значительной глубине проникновения в различные материалы. Источники гамма-лучей включают радиоактивные ядра, такие как изотопы кобальта, кальций, технеция, хрома, галлия, индия, йода, железа, криптона, самария, селена, натрия, таллия и ксенона.
Источники рентгеновских лучей включают столкновение пучков электронов с металлическими мишенями, такими как вольфрам или молибден или сплавы, или компактные источники света, такие как источники, производимые в промышленном масштабе компанией Lyncean.
Источники ультрафиолетового излучения включают дейтериевые или кадмиевые лампы.
Источники инфракрасного излучения включают сапфировые, цинковые или керамические лампы с селенистыми окнами.
Источники микроволн включают клистроны, радиочастотные источники Слевина или источники атомных лучей, в которых используют газообразные водород, кислород или азот.
Согласно некоторым вариантам реализации изобретения, в качестве источника излучения применяют электронный луч. Электронный луч имеет преимущества, связанные с высокими мощностями дозы излучения (например, 1, 5 или даже 10 Мрад в секунду), высокой производительностью, более слабым удержанием и меньшими ограничениями в отношении оборудования. Электроны также могут быть более эффективными в стимулировании разрыва цепи. Кроме того, электроны с энергиями от 4 до 10 МэВ могут иметь глубину проникновения от 5 до 30 мм или более, например, 40 мм.
Электронные пучки можно создать, например, с помощью электростатических генераторов, каскадных генераторов, трансформаторных генераторов, низкоэнергетических ускорителей со сканирующей системой, низкоэнергетических ускорителей с линейным катодом, линейных ускорителей и импульсных ускорителей. Электроны можно использовать в качестве источника ионизирующего излучения, например, для сравнительно тонких штабелей материалов, например, менее чем 0,5 дюйма, например, менее чем 0,4 дюйма, 0,3 дюйма, 0,2 дюйма или менее чем 0,1 дюйма. Согласно некоторым вариантам реализации изобретения, энергия каждого электрона в электронном луче составляет от примерно 0,3 МэВ до примерно 2,0 МэВ (миллион электрон-вольт), например, от примерно 0,5 МэВ до примерно 1,5 МэВ или от примерно 0,7 МэВ до примерно 1,25 МэВ.
Устройства для электронно-лучевого облучения можно приобрести в компании Ion Beam Applications, Louvain-la-Neuve, Бельгия или в компании Titan Corporation, Сан-Диего, Калифорния. Как правило, энергии электронов могут составлять 1 МэВ, 2 МэВ, 4,5 МэВ, 7,5 МэВ или 10 МэВ.
Как правило, мощность типичного устройства для электронно-лучевого облучения может составлять 1 кВт, 5 кВт, 10 кВт, 20 кВт, 50 кВт, 100 кВт, 250 кВт или 500 кВт. Степень деполяризации химического вещества зависит от применяемой энергии электронов и применяемой дозы, тогда как продолжительность воздействия зависит от мощности и
дозы. Типичные дозы могут принимать значения 1 кГр, 5 кГр, 10 кГр, 20 кГр, 50 кГр, 100 кГр или 200 кГр.
Пучки ионных частиц
Можно использовать частицы, более тяжелые, чем электроны. Например, можно использовать протоны, ядра гелия, ионы аргона, ионы кремния, ионы неона, ионы углерода, ионы фосфора, ионы кислорода или ионы азота. Согласно некоторым вариантам реализации изобретения, частицы, более тяжелые, чем электроны, могут вызывать большее число разрывов цепи (по сравнению с более легкими частицами). В некоторых случаях, положительно заряженные частицы MOiyr вызывать большее число разрывов цепи, чем отрицательно заряженные частицы, вследствие их кислотности.
Пучки более тяжелых частиц можно создать, например, применяя линейные ускорители или циклотроны. Согласно некоторым вариантам реализации изобретения, энергия каждой частицы в пучке составляет от примерно 1,0 МэВ/атомная единица до примерно 6000 МэВ/атомная единица, например, от примерно 3 МэВ/атомная единица до примерно 4,800 МэВ/атомная единица или от примерно 10 МэВ/атомная единица до примерно 1000 МэВ/атомная единица.
Согласно некоторым вариантам реализации изобретения, ионные пучки могут содержать более типов ионов. Например, ионные пучки могут содержать смесь двух или более (например, трех, четырех или более) различных типов ионов. Примеры смесей могут включать ионы углерода и протоны, ионы углерода и ионы кислорода, ионы азота и протоны, и ионы железа и протоны. В более общем случае, для создания облучающих ионных пучков можно применять смеси любых ионов, рассматриваемых выше (или любых других ионов). В частности, в одном ионном пучке можно применять смеси относительно легких и относительно более тяжелых ионов.
Согласно некоторым вариантам реализации изобретения, ионные пучки для облучения материалов содержат положительно заряженные ионы. Положительно заряженные ионы могут включать, например, положительно заряженные ионы водорода (например, протоны), ионы благородных газов (например, гелия, неона, аргона), ионы углерода, ионы азота, ионы кислорода, ионы кремния, ионы фосфора, и ионы металлов, такие как ионы натрия, ионы кальция и/или ионы железа. Не желая быть связанными какой-либо теорией, полагают, что указанные положительно заряженные ионы при воздействии на материалы
демонстрируют химическое поведение фрагментов кислот Льюиса, инициируя и поддерживая реакции катионного разрыва цепи с раскрытием цикла в окислительной среде.
Согласно некоторым вариантам реализации изобретения, ионные пучки для облучения материалов содержат отрицательно заряженные ионы. Отрицательно заряженные ионы могут включать, например, отрицательно заряженные ионы водорода (например, гидрид-ионы) и отрицательно заряженные ионы различных относительно электроотрицательных ядер (например, ионы кислорода, ионы азота, ионы углерода, ионы кремния и ионы фосфора). Не желая быть связанными какой-либо теорией, полагают, что указанные отрицательно заряженные ионы при воздействии на материалы демонстрируют химическое поведение фрагментов оснований Льюиса, вызывая реакции анионного разрыва цепи с раскрытием цикла в восстановительной среде.
Согласно некоторым вариантам реализации изобретения, пучки для облучения материалов могут содержать нейтральные атомы. Например, в пучки можно включить любой один или более видов атомов, выбранных из атомов водорода, атомов гелия, атомов углерода, атомов азота, атомов кислорода, атомов неона, атомов кремния, атомов фосфора, атомов аргона и атомов железа. В общем случае, в пучках могут присутствовать смеси двух или более из перечисленных выше типов атомов (например, три или более, четыре или более, или еще больше).
Согласно некоторым вариантам реализации изобретения, ионные пучки, применяемые для облучения материалов, содержат однозарядные ионы, такие как один или более из следующих: НГ, Н\ Не+, Ne+, Ar+, С+, С", 0+, О", N+, N\ Si+, Si', P+, P\ Na+, Ca+ и Fe+. Согласно некоторым вариантам реализации изобретения, ионные пучки могут содержать многозарядные ионы, такие как один или более из следующих: С2+, С3+, С4+, N3+, N5+, N3", 02+, О2", О22", Si2+, Si4+, Si2" и Si4*. В общем случае ионные пучки могут также содержать более сложные многоядерные ионы, несущие множественные положительные или отрицательные заряды. Согласно некоторым вариантам реализации изобретения, благодаря структуре многоядерного ионы, положительный или отрицательный заряд может быть эффективно распределен по существу по всей структуре ионов. Согласно некоторым вариантам реализации изобретения, положительные или отрицательные заряды могут быть локализованы в определенных частях структуры ионов.
Электромагнитное излучение
Согласно вариантам реализации изобретения, в которых облучение осуществляют с помощью электромагнитного излучения, для которого, например, энергия на фотон (в электрон-вольтах) электромагнитного излучения может быть больше чем 102 эВ, например, больше чем 103, 104, 105, 106 или даже больше чем 107 эВ. Согласно некоторым вариантам реализации изобретения, энергия на фотон электромагнитного излучения составляет от 104 до 107, например, от 105 до 106 эВ. Частота электромагнитного излучения может составлять, например, больше чем 1016 Гц, больше чем 1017 Гц, 1018, 1019, 1020 или даже больше чем 1021 Гц. Согласно некоторым вариантам реализации изобретения, частота электромагнитного излучения составляет от 10 до 10 Гц, например, от 1019 до 1021 Гц.
Гашение и регулируемая функционализация химических веществ
После воздействия ионизирующего излучения обработанное химическое вещество может стать ионизированным; то есть, оно может содержать радикалы в количествах, поддающихся обнаружению при помощи спектрометра электронного парамагнитного резонанса. Если ионизированное химическое вещество остается в атмосфере, оно будет окисляться, например, до степени, при которой в результате реакции с атмосферным кислородом образуются карбоксильные группы. Такое окисление желательно, поскольку оно может облегчить дальнейшее разбиение молекулярной массы химического вещества, а окисленные группы, например, карбоксильные группы, могут способствовать повышению растворимости. Однако, поскольку такие радикалы могут "жить" в течение некоторого времени после облучения, например, дольше, чем 1 день, 5 дней, 30 дней, 3 месяцев, 6 месяцев или даже дольше, чем 1 год, свойства материала могут продолжать изменяться с течением времени, что, в некоторых случаях, может быть нежелательным.
После ионизации любой материал, который был ионизирован, необходимо "погасить" для уменьшения содержания радикалов в ионизированном материале, например, так чтобы радикалы больше невозможно было обнаружить при помощи спектрометра электронного парамагнитного резонанса. Например, радикалы можно погасить, путем приложения к ионизированному материалу достаточного давления, и/или путем осуществления контакта ионизированного материала с текучей средой, такой как газ или жидкость, которая взаимодействует с радикалами ("гасит" радикалы). Применение газа или жидкости по меньшей мере для содействия гашению радикалов может быть использовано для введения
в ионизированный материал желаемого количества и вида функциональных групп, таких как группы карбоновой кислоты, енольные группы, альдегидные группы, нитрогруппы, аминогруппы, алкиламиногруппы, алкильные группы, хлоралкильные группы или хлорфторалкильные группы.
Введение функциональных групп может изменять полярность химического вещества, что в общем случае влияет на растворимость химического вещества, например, увеличение полярности в общем случае увеличивает растворимость химического вещества в полярных растворителях. Например, различные функциональные группы демонстрируют различные степени образования водородных связей, а также результирующий дипольный момент и число электроотрицательных атомов. Например, альдегидная группа имеет большой дипольный момент, и следовательно относительно полярна, как и амины и спирты, обладающие способностью к образованию водородной связи. Карбоновые кислоты являются наиболее полярной функциональной группой, поскольку они могут активно образовывать водородные связи, имеют дипольный момент и содержат два электроотрицательных атома.
В некоторых вариантах реализации гашение включает приложение давления к ионизированному материалу, например, путем непосредственного механического сжатия материала в одном, двух или трех направлениях, или приложение давления к жидкости, в которую погружен материал, например, изостатическое сжатие. В таких случаях деформация самого материала приводит к образованию радикалов, которые часто захватываются доменами кристаллической структуры, в достаточной близости, чтобы радикалы могли рекомбинировать или взаимодействовать с другой группой. В некоторых случаях давление прикладывают вместе с применением тепла, таким как достаточное количество тепла для повышения температуры материала выше температуры плавления или температуры размягчения материала или компонента материала. Тепло может усиливать подвижность молекул в материале, что может способствовать гашению радикалов. Если для гашения применяют давление, давление может быть выше примерно 1000 фунт/кв. дюйм, такое как более примерно 1250 фунт/кв. дюйм, 1450 фунт/кв. дюйм, 3625 фунт/кв. дюйм, 5075 фунт/кв. дюйм, 7250 фунт/кв. дюйм, 10000 фунт/кв. дюйм, или даже более 15000 фунт/кв. дюйм.
В некоторых вариантах реализации гашение включает осуществление контакта ионизированного материала с текучей средой, такой как жидкость или газ, например, газ, способный взаимодействовать с радикалами, такой как ацетилен или смесь ацетилена с
азотом, этилен, хлорированные этилены или хлорфторэтилены, пропилен или смеси указанных газов. В других конкретных вариантах реализации гашение включает осуществление контакта ионизированного материала с жидкостью, например, с жидкостью, способной проникать в материал и взаимодействовать с радикалами, такой как диен, такой как 1,5-циклооктадиен. В некоторых конкретных вариантах реализации гашение включает осуществление контакта ионизированного материала с антиокислителем, таким как витамин Е. При необходимости, химическое вещество может содержать диспергированный в химическом веществе антиокислитель.
Введению функциональных групп может способствовать применение тяжелых заряженных ионов, таких как любые более тяжелые ионы, описанные в настоящем документе. Например, если желательно усилить окисление, для облучения можно применять заряженные ионы кислорода. Если желательны азотсодержащие функциональные группы, можно применять ионы азота или азотсодержащие анионы. Аналогично, если желательны группы серы или фосфора, для облучения можно применять ионы серы или фосфора.
Дозы
В некоторых случаях облучение проводят с интенсивностью дозы выше примерно 0,25 Мрад в секунду, например, выше примерно 0,5, 0,75, 1,0, 1,5, 2,0, или даже выше примерно 2,5 Мрад в секунду. Согласно некоторым вариантам реализации изобретения, облучение проводят с интенсивностью дозы от 5,0 до 1500,0 килорад/час, например, от 10,0 до 750,0 килорад/час или от 50,0 до 350,0 килорад/час.
Согласно некоторым вариантам реализации изобретения, облучение (при помощи любого источника излучения или комбинации источников) проводят до получения материалом дозы по меньшей мере 0,1 Мрад, по меньшей мере 0,25 Мрад, например по меньшей мере 1,0 Мрад, по меньшей мере 2,5 Мрад, по меньшей мере 5,0 Мрад, по меньшей мере 10,0 Мрад, по меньшей мере 60 Мрад или по меньшей мере 100 Мрад. Согласно некоторым вариантам реализации изобретения, облучение проводят до получения материалом дозы от примерно 0,1 Мрад до примерно 500 Мрад, от примерно 0,5 Мрад до примерно 200 Мрад, от примерно 1 Мрад до примерно 100 Мрад, или от примерно 5 Мрад до примерно 60 Мрад. Согласно некоторым вариантам реализации изобретения, применяют относительно низкую дозу излучения, например, менее 60 Мрад.
Обработка ультразвуком
Обработка ультразвуком может уменьшать молекулярную массу и/или кристалличность химического вещества, и таким образом повысить растворимость и/или скорость растворения химического вещества. Обработку ультразвуком также можно применять для стерилизации химического вещества и/или любой среды, применяемой для переработки химического вещества.
В одном из способов согласно настоящему описанию, первое химическое вещество с первой среднечисленной молекулярной массой (MNi), диспергируют в среде, такой как вода, и подвергают воздействию ультразвука и/или иным образом вызывают кавитацию, для получения второго химического вещества со второй среднечисленной молекулярной массой (MN2), которая ниже первой среднечисленной молекулярной массы.
В некоторых вариантах реализации вторая среднечисленная молекулярная масса (Ммг) ниже, чем первая среднечисленная молекулярная масса (MNI) на более чем примерно 10 процентов, например, на более чем примерно 15, 20, 25, 30, 35, 40, 50 процентов, на 60 процентов или даже на более чем примерно 75 процентов.
В некоторых случаях, второе химическое вещество имеет кристалличность (Сг) ниже, чем кристалличность (Ci) первого химического вещества. Например, (С2) может быть ниже, чем (Ci) на более чем примерно 10 процентов, например, на более чем примерно 15, 20, 25, 30, 35, 40 или даже на более чем примерно 50 процентов.
Согласно некоторым вариантам реализации изобретения, исходный индекс кристалличности (до обработки ультразвуком) составляет от примерно 40 до примерно 87,5 процентов, например, от примерно 50 до примерно 75 процентов, или от примерно 60 до примерно 70 процентов, а индекс кристалличности после обработки ультразвуком составляет от примерно 10 до примерно 50 процентов, например, от примерно 15 до примерно 45 процентов, или от примерно 20 до примерно 40 процентов. Однако, согласно некоторым вариантам реализации изобретения, например, после всесторонней обработки ультразвуком индекс кристалличности может быть ниже 5 процентов. Согласно некоторым вариантам реализации изобретения, материал после обработки ультразвуком по существу является аморфным.
Согласно некоторым вариантам реализации изобретения, исходная среднечисленная молекулярная масса (перед обработкой ультразвуком) составляет от примерно 200000 до
примерно 3200000, например, от примерно 250000 до примерно 1000000, или от примерно 250000 до примерно 700000, а среднечисленная молекулярная масса после обработки ультразвуком составляет от примерно 50000 до примерно 200000, например, от примерно 60000 до примерно 150000, или от примерно 70000 до примерно 125000. Однако, согласно некоторым вариантам реализации изобретения, например, после всесторонней обработки ультразвуком, среднечисленная молекулярная масса может составлять менее чем примерно 10000 или даже меньше чем примерно 5000.
Согласно некоторым вариантам реализации изобретения, второе химическое вещество может иметь уровень окисления (Ог) выше, чем уровень окисления (Oi) первого химического вещества. Согласно некоторым вариантам реализации изобретения, для увеличения уровня окисления второго химического вещества по сравнению с первым химическим веществом, обработку ультразвуком проводят в окислительной среде. В некоторых случаях второе химическое вещество может содержать больше гидроксильных групп, альдегидных групп, кетонных групп, сложноэфирных групп или карбоксильных групп, которые могут повысить его гидрофильность.
Согласно некоторым вариантам реализации изобретения, среда для обработки ультразвуком представляет собой водную среду. При необходимости, среда может содержать окислитель, такой как пероксид (например, пероксид водорода), диспергирующий агент и/или буферный агент. Примеры диспергирующих агентов включают ионные диспергирующие агенты, например, лаурилсульфат натрия, и неионные диспергирующие агенты, например, полиэтиленгликоль.
Согласно другим вариантам реализации изобретения, среда для обработки ультразвуком является неводной. Например, обработку ультразвуком можно проводить в углеводороде, например, толуоле или гептане, простом эфире, например, диэтиловом эфире или тетрагидрофуране, или даже в сжиженномо газе, таком как аргон, ксенон или азот.
В общем случае предпочтительно, чтобы химическое вещество было нерастворимо в среде для ультразвуковой обработки, по меньшей мере до ультразвуковой обработки.
Пиролиз
Один или более циклов обработки пиролизом можно применять для повышения растворимости и/или скорости растворения химического вещества. Пиролиз также можно
применять для стерилизации химического вещества и/или любой среды, применяемой для переработки химического вещества.
В одном из примеров, первое химическое вещество с первой среднечисленной молекулярной массой (MNI) подвергают пиролизу, например, путем нагревания первого химического вещества в трубчатой печи (в присутствие или в отсутствие кислорода), получая второе химическое вещество со второй среднечисленной молекулярной массой (MN2), ниже первой среднечисленной молекулярной массы.
В некоторых вариантах реализации вторая среднечисленная молекулярная масса (Мт) ниже, чем первая среднечисленная молекулярная масса (Мм) на более чем примерно 10 процентов, например, на более чем примерно 15, 20, 25, 30, 35, 40, 50 процентов, на 60 процентов или даже на более чем примерно 75 процентов.
В некоторых случаях, второе химическое вещество имеет кристалличность (Сг) ниже, чем кристалличность (Ci) первого химического вещества. Например, (Сг) может быть ниже, чем (Ci) на более чем примерно 10 процентов, например, на более чем примерно 15, 20, 25, 30, 35, 40 или даже на более чем примерно 50 процентов.
Согласно некоторым вариантам реализации изобретения, исходный индекс кристалличности (до пиролиза) составляет от примерно 40 до примерно 87,5 процентов, например, от примерно 50 до примерно 75 процентов, или от примерно 60 до примерно 70 процентов, а индекс кристалличности после пиролиза составляет от примерно 10 до примерно 50 процентов, например, от примерно 15 до примерно 45 процентов, или от примерно 20 до примерно 40 процентов. Однако, согласно некоторым вариантам реализации изобретения, например, после всестороннего пиролиза индекс кристалличности может быть ниже 5 процентов. Согласно некоторым вариантам реализации изобретения, материал после пиролиза по существу является аморфным.
Согласно некоторым вариантам реализации изобретения, исходная среднечисленная молекулярная масса (перед пиролизом) составляет от примерно 200000 до примерно 3200000, например, от примерно 250000 до примерно 1000000, или от примерно 250000 до примерно 700000, а среднечисленная молекулярная масса после пиролиза составляет от примерно 50000 до примерно 200000, например, от примерно 60000 до примерно 150000, или от примерно 70000 до примерно 125000. Однако, согласно некоторым вариантам реализации изобретения, например, после всестороннего пиролиза, среднечисленная
молекулярная масса может составлять менее чем примерно 10000 или даже меньше чем примерно 5000.
Согласно некоторым вариантам реализации изобретения, второе химическое вещество может иметь уровень окисления (Ог) выше, чем уровень окисления (Oi) первого химического вещества. Согласно некоторым вариантам реализации изобретения, для увеличения уровня окисления второго химического вещества по сравнению с первым химическим веществом, пиролиз проводят в окислительной среде. В некоторых случаях второй материал может иметь больше гидроксильных групп, альдегидных групп, кетоновых групп, сложноэфирных групп или карбоксильных групп, чем первый материал, что может повысить гидрофильность материала.
Согласно некоторым вариантам реализации изобретения, пиролиз представляет собой непрерывный процесс. Согласно другим вариантам реализации изобретения, пиролиз химического вещества проводят в течение заранее заданного времени, а затем оставляют химическое вещество остывать в течение второго заранее заданного времени перед следующим проведением пиролиза.
Окисление
Один или более циклов окислительной переработки можно применять для повышения растворимости и/или скорости растворения химического вещества.
В одном из способов, первое химическое вещество с первой среднечисленной молекулярной массой (MNi) и первым содержанием кислорода (Oi) подвергают окислению, например, путем нагревания первого химического вещества в потоке воздуха или обогащенного кислородом воздуха с получением второго химического вещества со второй среднечисленной молекулярной массой (Мыг) и вторым содержанием кислорода (Ог), выше первого содержания кислорода (Oi).
Вторая среднечисленная молекулярная масса второго химического вещества в общем случае ниже, чем первая среднечисленная молекулярная масса первого химического вещества. Например, молекулярная масса может быть уменьшена в той же мере, как обсуждалось выше в отношении других физических способов обработки. Кристалличность второго материала можно также уменьшить в той же степени, как это обсуждалось в отношении других способов физической обработки.
Согласно некоторым вариантам реализации изобретения, второе содержание кислорода по меньшей мере на пять процентов выше, чем первое содержание кислорода, например, на 7,5 процентов выше, на 10,0 процентов выше, на 12,5 процентов выше, на 15,0 процентов выше или на 17,5 процентов выше. Согласно некоторым предпочтительным вариантам реализации изобретения, второе содержание кислорода по меньшей мере примерно на 20,0 процентов выше, чем первое содержание кислорода. Содержание кислорода измеряют при помощи элементного анализа путем пиролиза образца в печи при температуре 1300 °С или выше. Подходящим прибором для элементного анализа является анализатор LECO CHNS-932 с высокотемпературной печью для пиролиза VTF-900.
В общем случае окисление материала проводят в окислительной среде. Например, окисление можно проводить или ускорять при помощи пиролиза в окислительной среде, такой как воздух или аргон, обогащенный воздухом. Для ускорения окисления в химическое вещество перед окислением или во время окисления можно вводить различные химические агенты, такие как окислители, кислоты или основания. Например, перед окислением можно вводить пероксид (например, бензоилпероксид).
В некоторых окислительных способах применяют реакцию Фентона. Указанные способы описаны, например, в заявке на патент США № 12/639289, полное содержание которой включено в настоящее описание посредством ссылки.
Типичные окислители включают пероксиды, такие как пероксид водорода и бензоилпероксид, персульфаты, такие как персульфат аммония, активированные формы кислорода, такие как озон, перманганаты, такие как перманганат калия, перхлораты, такие как перхлорат натрия, и гипохлориты, такие как гипохлорит натрия (бытовой отбеливатель).
В некоторых случаях величину рН во время осуществления контакта поддерживают вблизи или ниже 5,5, такую как от 1 до 5, от 2 до 5, от 2,5 до 5 или от примерно 3 до 5.
Условия окисления могут также включать время осуществления контакта от 2 до 12 часов, например, от 4 до 10 часов или от 5 до 8 часов. В некоторых случаях температуру поддерживают вблизи или ниже 300 °С, например, вблизи или ниже 250, 200, 150, 100 или 50 °С. В некоторых случаях температура остается по существу комнатной, например, около 20 - 25 °С.
Согласно некоторым вариантам реализации изобретения, один или более окислителей применяют в виде газа, как например при генерировании озона in-situ путем облучения материала на воздухе пучком частиц, таких как электроны.
Согласно некоторым вариантам реализации изобретения, смесь дополнительно содержит один или более гидрохинонов, таких как 2,5-диметоксигидрохинон (DMHQ) и/или один или более бензохинонов, таких как 2,5-диметокси-1,4-бензохинон (DMBQ), которые могут способствовать реакциям переноса электронов.
Согласно некоторым вариантам реализации изобретения, один или более окислителей генерируют in-situ электрохимическим путем. Например, пероксид водорода и/или озон можно получать электрохимически в сосуде для осуществления контакта или проведения реакции.
Другие способы увеличения растворимости или введения функциональных групп
Любой из способов в настоящем разделе можно применять отдельно, без каких-либо процессов, описанных в настоящей заявке, или в комбинации с любым из способов, описанных в настоящей заявке (в любом порядке): паровой взрыв, химическая обработка (например, обработка кислотой (включая обработку концентрированными и разбавленными минеральными кислотами, такими как серная кислота, соляная кислота, и органическими кислотами, такими как трифторуксусная кислота) и/или обработку основаниями (например, обработку известью или гидроксидом натрия), УФ-обработку, обработку шнековой экструзией (см., например, заявку на патент США № 61/115398, поданную 17 ноября 2008 года, обработку растворителем (например, обработку ионными жидкостями) и помол в замороженном виде (см., например, патент США № 12/502629).
ПРОМЕЖУТОЧНЫЕ СОЕДИНЕНИЯ И ПРОДУКТЫ
В некоторых случаях обработанное химическое вещество само по себе является готовым продуктом, например, соль или полимер, имеющие улучшенную растворимость и/или скорость растворения. В других случаях, применяя, например, основные процессы и/или последующую обработку, можно превратить обработанное химическое вещество в один или более продуктов, таких как энергия, топливо, пищевые продукты и материалы. Широкий спектр продуктов можно получать и/или применять более эффективно, если растворимость входящего в их состав химического вещества повышена. Несколько примеров включают связующие вещества и/или пигменты, применяемые в красках,
чернилах и покрытиях, ингредиенты, применяемые в пищевых продуктах, и ингредиенты, применяемые для лекарственных средств.
Конкретные примеры продуктов, которые можно получить при взаимодействии или переработке с использованием физически обработанного химического вещества включают, без ограничения, водород, спирты (например, одноатомные спирты или двухатомные спирты, такие как этанол, н-пропанол или н-бутанол), гидратированные или водные спирты, например, содержащие более 10 %, 20 %, 30 % или даже более 40 % воды, сахара, биодизель, органические кислоты (например, уксусную кислоту и/или молочную кислоту), углеводороды, попутные продукты (например, белки, такие как целлюлолитические белки (ферменты) или белки одноклеточных организмов), и смеси любых указанных соединений в любом сочетании или относительных концентрациях, и, возможно, в комбинации с другими добавками, например, топливными присадками. Другие примеры включают карбоновые кислоты, такие как уксусная кислота или масляная кислота, соли карбоновой кислоты, смесь карбоновых кислот и солей карбоновых кислот и сложные эфиры карбоновых кислот (например, метиловые, этиловые и н-пропиловые сложные эфиры), кетоны, альдегиды, альфа-, бета-ненасыщенные кислоты, такие как акриловая кислота, и олефины, такие как этилен. Другие спирты и производные спиртов включают пропанол, пропиленгликоль, 1,4-бутандиол, 1,3-пропандиол, метиловые или этиловые сложные эфиры любых из указанных спиртов. Другие продукты включают метилакрилат, метилметакрилат, молочную кислоту, пропионовую кислоту, масляную кислоту, янтарную кислоту, 3-гидроксипропионовую кислоту, соль любой из указанных кислот и смесь любой из указанных кислот и соответствующих солей.
Другие промежуточные соединения и продукты, включая продукты питания и фармацевтические продукты, рассмотрены в предварительной заявке на патент США № 12/417900, полное описание которой, тем самым, включено в настоящую заявку посредством ссылки.
ХИМИЧЕСКИЕ ВЕЩЕСТВА
Химические вещества, подвергаемые обработке, могут представлять собой, например, один или более из следующих веществ: соли, полимеры, мономеры, лекарственные средства, питательные вещества, витамины, минеральные вещества, нейтральные молекулы или смеси любых из указанных веществ.
Соли могут содержать, например, любые из следующих катионов: аммоний, кальций, железо, магний, калий, пиридиний, четвертичный аммоний и натрий, и любые из следующих анионов: ацетат, карбонат, хлорид, цитрат, цианид, гидроксид, нитрат, нитрит, оксид, фосфат и сульфат. Соль может представлять собой, например, электролит.
Полимеры включают природные и синтетические полимеры. Полимер может представлять собой полярную макромолекулу, например, поли(акриловую кислоту), полиакриламид или поливиниловый спирт, которая растворима в воде до физической обработки, или неполярный полимер, или полимер, обладающий низкой полярностью, например, полистирол, полиметилметакрилат, поливинилхлорид или полиизобутилен, которые растворимы в неполярных растворителях до физической обработки. Примеры полимеров включают латекс, акрилатные полимеры, полиуретаны, сложные полиэфиры, полиэтилены, полистиролы, полибутадиены и полиамиды.
ДРУГИЕ ВАРИАНТЫ РЕАЛИЗАЦИИ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Было описано несколько вариантов реализации настоящего изобретения. Тем не менее, следует понимать, что могут быть сделаны различные модификации, не выходя за рамки сущности и объема изобретения.
Например, хотя возможно проводить все способы, описанные в настоящем документе, при одном физическом расположении, в некоторых вариантах реализации способы проводят в нескольких расположениях, и/или можно проводить во время транспортировки.
Соответственно, другие варианты реализации изобретения находятся в рамках следующей формулы изобретения.
ФОРМУЛА ИЗОБРЕТЕНИЯ
1. Способ повышения растворимости химического вещества, включающий воздействие на химическое вещество физической обработки, выбранной из группы, состоящей из механической обработки, химической обработки, облучения, ультразвуковой обработки, окисления, пиролиза и парового взрыва, с обеспечением повышения растворимости химического вещества по сравнению с растворимостью указанного химического вещества до физической обработки.
2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что указанное химическое вещество выбрано из группы, состоящей из солей, полимеров и мономеров.
3. Способ по п.1, отличающийся тем, что указанная физическая обработка включает облучение.
4. Способ по п.1, отличающийся тем, что указанная физическая обработка изменяет функциональность химического вещества.
5. Способ по п.З, отличающийся тем, что указанное облучение включает воздействие на химическое вещество пучка электронов.
6. Способ по п. 3, отличающийся тем, что указанное облучение включает воздействие на химическое вещество суммарной дозы излучения по меньшей мере 5 Мрад.
7. Способ по п. 1, отличающийся тем, что физически обработанное химическое вещество имеет кристалличность по меньшей мере на 10 процентов ниже, чем кристалличность химического вещества до физической обработки.
8. Способ по п. 1, отличающийся тем, что химическое вещество имеет индекс кристалличности перед физической обработкой от примерно 40 до примерно 87,5 процентов, а физически обработанное химическое вещество имеет индекс кристалличности от примерно 10 до примерно 50 процентов.
9. Продукт, содержащий химическое вещество, подвергнутое физической обработке, выбранной из группы, состоящей из механической обработки, химической обработки,
облучения, ультразвуковой обработки, окисления, пиролиза и парового взрыва, причем указанный продукт имеет растворимость выше, чем растворимость химического вещества до физической обработки.
10. Продукт по п. 9, отличающийся тем, что указанное химическое вещество выбрано из группы, состоящей из солей, полимеров и мономеров.
11. Продукт по п. 9, отличающийся тем, что указанное химическое вещество было подвергнуто облучению.
12. Продукт по п. 9, отличающийся тем, что указанный продукт имеет функциональность, отличающуюся от функциональности химического вещества до физической обработки.
13. Продукт по п. 11, отличающийся тем, что указанное химическое вещество было подвергнуто облучению путем воздействия на химическое вещество пучка электронов.
14. Продукт по п. 11, отличающийся тем, что указанное химическое вещество было подвергнуто облучению в суммарной дозе излучения по меньшей мере 5 Мрад.
15. Продукт по п. 9, отличающийся тем, что физически обработанное химическое вещество имеет кристалличность по меньшей мере на 10 процентов ниже, чем кристалличность химического вещества до физической обработки.
16. Продукт по п. 9, отличающийся тем, что химическое вещество имеет индекс кристалличности перед физической обработкой от примерно 40 до примерно 87,5 процентов, а физически обработанное химическое вещество имеет индекс кристалличности от примерно 10 до примерно 50 процентов.
10.
Химическое вещество
. ! Г
Первичная механическая обработка
Структурно-модифицирующая обработка
Дополнительная механическая обработка
ФИГ. 1
Готово ли <имическое веществ^ переработке^
-18
Первичная обработка
Продукты и
побочные
продукты
-20
Последующая обработка
Продукты и
побочные
продукты
! i
!/1
!/1
!/1
!/1
!/1
!/1
!/1
!/1
!/1
!/1
!/1
!/1