Химические реакции могут протекать с выделением или поглощением тепла, это все хорошо знают еще со школьного курса. Тепло химических реакций, например реакции горения, мы активно используем, в том числе для запуска тех процессов, которые без внешнего подогрева никак не идут. Казалось бы, здесь все логично, и нет никаких противоречий: здесь тепло выделяется, и его нужно отводить, а здесь слишком холодно, и тепло, наоборот, нужно подводить извне. Но вот проблема: при «перевозке» тепла это самое тепло теряется, рассеивается в окружающую среду, даже термосы в холодную погоду сохраняют чай горячим часов пять-шесть, не больше. Получается, надо бы это тепло как можно быстрее использовать, иначе оно «испортится», а это энергия и в производственном процессе это огромные потери. А вообще было бы здорово, если бы тепло от одного процесса сразу расходовалось на другой, а то пока хранишь тепло — половину потеряешь. Такую химическую грелку придумали ученые из Санкт-Петербургского университета и Института органической химии им. Н. Д. Зелинского. Сам реактор состоял из двух ампул: та, что поменьше, находилась внутри ампулы большего размера и удерживалась там внутри с помощью 3D-напечатанного держателя. Результаты исследования, поддержанные грантом РНФ, опубликованы в International Journal of Molecular Sciences.
Во внутреннюю маленькую ампулу помещали реагенты для реакции, которая идет только при нагревании, а во внешнюю насыпали карбид кальция, заливали смесь растворителей и добавляли воду. Пробирку закручивали крышкой и включали перемешивание.
Карбид кальция реагировал с водой и образовывался газ ацетилен. Одновременно с этим смесь разогревалась до 90 °С, передавая тепло внутренней пробирке. Этот нагрев был необходим для реакции ацетилена с реагентами внутренней пробирки. Ацетилен расходовался в процессе, давление было чуть больше атмосферного, поэтому после завершения реакции пробирку можно было спокойно открывать. Получалось, что карбид кальция давал ацетилен — необходимый реагент, а также тепло, без которого процесс бы не запустился.
Изобретенный реактор можно собирать-разбирать много раз, на выходе получаются ценные мономеры из ацетилена, а сама реакция не требует внешних источников тепла. Сам нагрев и его характер ученые регистрировали с помощью тепловизора.
Реакционная пробирка с карбидом кальция во время реакции глазами тепловизора. Источник: Коммерсантъ
Сам реактор, конечно, интересный и, безусловно, найдет свое применение в науке, так как позволяет легко работать с газами (а с ними, как известно, работать всех сложнее). Но вот где и как это можно было бы применить, желательно в больших масштабах… Конечно, ученые разрабатывали это все не ради праздного интереса. Дело в том, что, меняя соотношение воды и другого растворителя, можно контролировать высвобождение тепла во времени. Можно сделать так, чтобы тепло выделялось равными порциями и долго, а можно сделать так, чтобы все тепло выделилось сразу за короткий промежуток времени. Иными словами, речь идет не об очередном химическом реакторе, а об инструменте контроля над протеканием химического процесса. Где бы это могло быть нужным?
На самом деле, карбид кальция — это крупнотоннажный продукт химической индустрии. Весь газообразный ацетилен в Азии получают карбидным методом (нефти и газа у них нет, поэтому только так). А как получить ацетилен из карбида? Легко! Надо просто залить карбид водой, ну, или бросить карбид в воду. Все верно. Но это работает только с небольшими количествами, а если у нас несколько тонн карбида? И мы начнем поливать его водой? Тепла будет так много, что последует взрыв. Если поливать не особо сильно, то тепла будет все равно много, и выделяющийся ацетилен начнет полимеризоваться, то есть фактически портиться, но хотя бы не взрываться. Казалось бы, такая простая реакция, но на деле получается, что процесс идет локально, в месте соприкосновения твердого карбида и воды, и именно в этом месте наблюдается скачок температуры.
Так вот, если смешать воду с каким-то другим растворителем, например, диметилсульфоксидом, то процесс можно контролировать во времени: реакция протекает спокойно, полно, без взрывов и перегрева. Более того, можно регулировать сам температурный профиль процесса, то есть когда и сколько тепла будет выделяться. Для этого надо изменить соотношение вода / растворитель / карбид. После реакции ацетилен собирают, а диметилсульфоксид не расходуется в процессе и пригоден для следующего раза, поэтому нужно просто добавить свежую порцию воды.
«Мы очень рассчитываем, что наши научные подходы будут востребованы на производстве»,— говорит научный сотрудник СПбГУ, руководитель проекта по гранту РНФ, Константин Родыгин.
