Ученые придумали греющийся термос для проведения химических реакций

Российские ученые предложили извлекать тепло из карбида кальция с помощью реактора «труба в трубе». Устройство представляет собой греющийся термос, для которого даже не нужно внешних источников энергии — достаточно дешевых карбида кальция и воды. Такой способ не требует дорогих компонентов, конструкцию легко собрать и разобрать, можно контролировать теплоотдачу, а также удобно загружать реактивы и извлекать готовый продукт. Результаты работы, поддержанной грантом Российского научного фонда (РНФ), опубликованы в журнале International Journal of Molecular Science.

Химические реакции могут сопровождаться выделением или поглощением тепла — они называются экзотермические и эндотермические соответственно. В первом случае получаемая тепловая энергия часто просто рассеивается в окружающее пространство, хотя ее можно использовать для того, чтобы запустить превращения второго типа, которые требуют дополнительного тепла. Такой подход позволит сократить энергозатраты промышленности, ведь будут не нужны внешние нагревательные устройства.

Ученые из Института органической химии имени Н. Д. Зелинского РАН (Москва) и Санкт-Петербургского государственного университета (Санкт-Петербург) разработали особый тип реактора «труба в трубе», который обеспечивает более эффективное протекание реакции гидролиза карбида кальция. Реактор состоит из внешней и внутренней трубок, которые вставлены одна в другую, не соприкасаясь стенками, и соединительной детали, напечатанной на 3D-принтере из нейлона. Получается самогреющийся термос, которому даже не нужны никакие внешние источники тепла — «нагреватели» располагаются в пространстве между двумя трубками, по сути в «стенке» реактора.

В пространство между трубками авторы помещали гранулы карбида кальция, добавляли растворитель и некоторое количество воды и перемешивали. Смесь нагревалась, а тепло переходило во внутреннюю часть, запуская эндотермические реакции между реактивами в ней. Все это фиксировали при помощи тепловизора. Так удалось в режиме реального времени проследить, как повышается температура внутри устройства.

Химики оценили, насколько значимый тепловой эффект можно получить в реакторе. Оказалось, что он зависит от типа растворителя и количества воды и карбида. Так, если в «стенке» установки было мало воды и много растворителя, то выделения тепла практически не наблюдалось. Увеличение количества воды, 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 скорость его гидролиза. Это открывает новые возможности для практических приложений и будет полезно для ряда различных реакций, требующих тепла. Также конструкция очень удобна для применения в лабораторной практике», — рассказывает один из авторов работы и руководитель проекта по гранту РНФ Константин Родыгин, кандидат химических наук, научный сотрудник Института химии Санкт-Петербургского государственного университета.