Ученые Санкт-Петербургского университета совместно с исследователями Института органической химии имени Н. Д. Зелинского РАН разработали тип реактора «труба в трубе», который обеспечивает эффективное протекание химических реакций без использования внешних нагревателей. Такой подход значительно сокращает затраты энергии при проведении химических исследований.
Химические реакции могут сопровождаться выделением (экзотермические) или поглощением (эндотермические) тепла. В первом случае получаемая тепловая энергия часто рассеивается, однако ее можно использовать для запуска второго типа реакций, которые требуют дополнительного тепла для его поглощения. Созданная химиками конструкция, похожая на термос, позволяет использовать выделяемую тепловую энергию одной реакции для запуска второй.
Ученые из Санкт-Петербургского государственного университета и Института органической химии имени Н. Д. Зелинского РАН разработали особый тип реактора «труба в трубе», который обеспечивает более эффективное протекание реакции гидролиза карбида кальция — взаимодействия соединения кальция и углерода с водой. Сегодня карбид кальция активно используют в промышленности для получения газообразного ацетилена и его использования при производстве уксусной кислоты, этилового спирта, пластмассы, каучука и даже ракетных двигателей.
Реактор состоит из двух трубок, вставленных одна в другую, стенки которых не соприкасаются, и соединительной детали, напечатанной на 3D-принтере из нейлона. Такая конструкция позволила создать своего рода греющийся термос — «нагреватели» располагаются в пространстве между двумя трубками, то есть в «стенке» реактора.
Для проведения эффективной реакции ученые помещали гранулы карбида кальция в пространство между трубками, добавляли растворитель, воду и перемешивали. Смесь нагревалась, а выделяемое тепло переходило во внутреннюю часть, запуская эндотермические реакции между реактивами в ней. Это позволило провести два типа реакции с меньшими энергозатратами, без использования внешних нагревателей.
Выделяемое и поглощаемое тепло фиксировали с помощью тепловизора — это позволило в режиме реального времени проследить, как меняется температура внутри устройства во время реакции. Оказалось, что тепловой эффект, получаемый в реакторе, зависит от типа растворителя, а также от количества воды и карбида. Так, если в «стенке» установки было мало — всего 5 % — воды и много растворителя, то выделения тепла практически не наблюдалось. Увеличение количества воды до 50 % и более, наоборот, привело к быстрому — всего за пять минут — росту температуры в реакторе вплоть до 90 °С.
«Карбид кальция способен запускать реакции без внешних источников тепла, а разработанное нами устройство «труба в трубе» помогает контролировать и при необходимости изменять скорость его гидролиза. Это может быть использовано в промышленности — например, при получении ацетилена. При добавлении воды к карбиду получается так много тепла, что выделяющийся ацетилен полимеризуется и становится непригоден. Используя смеси растворителей с водой, можно замедлить этот процесс, остановить нежелательную полимеризацию и более эффективно отводить тепло», — рассказал руководитель проекта, научный сотрудник лаборатории кластерного катализа СПбГУ Константин Родыгин.
Исследования проводились на базе ресурсных центров «Методы анализа состава вещества» и «Магнитно-резонансные методы исследования» Научного парка СПбГУ.
Отметим, что научная группа химиков СПбГУ также работает над стратегией углерод-нейтрального цикла производства, позволяющей снизить выбросы углекислого газа.