Reaktory obrotowe - samoorganizujące się zakłady chemiczne

Dzięki sile odśrodkowej i zastosowaniu płynów o różnej gęstości można rozwijać samoorganizujące się zakłady chemiczne. Pomysł na wirujące reaktory zaproponowany przez Polskę jest nie tylko sprytny, ale i piękny. Badania zostały umieszczone na okładce prestiżowego magazynu „Nature”.

Polsko-koreański zespół pokazał, jak można przeprowadzić całą serię złożonych reakcji chemicznych w tym samym czasie - bez uciekania się do skomplikowanych układów roślinnych,… siły odśrodkowej. Pierwszym autorem publikacji jest Dr. Olgierd Cybulski, który pracuje w Ulsan National Institute of Science and Technology (UNIST) w Korei Południowej.

Obrotowy reaktor chemiczny

- Pokazujemy, jak przygotować samoorganizujące się zakłady chemiczne - opisuje korespondent autor publikacji, prof. Bartosz Grzybowski (również UNIST i Instytut Chemii Organicznej PAN). Dodaje, że ma już pomysł, jak zrobić taki chemiczny reaktor przędzalniczy… do odzyskiwania litu z płynów w bateriach.

Fakt, że płyny o różnej gęstości mogą tworzyć niezmieszane warstwy widać nawet podczas lunchu - wpatrując się w buliony. Tłuszcz zupy unosi się na wierzchu, ponieważ jest mniej gęsty niż wodnista część zupy.

W domu można doświadczyć bardziej złożonego doświadczenia: wiele płynów o różnej gęstości jest powoli wlewanych do jednego naczynia, pojedynczo. Możesz zacząć od najgęstszego miodu, syropu klonowego, płynu do naczyń, wody, oleju roślinnego, a nawet najrzadszej nafty. Jeśli dzieje się to wystarczająco wolno, zobaczysz warstwy różnych kolorów oddzielone od siebie i nie zmieszane w tej (niejadalnej) tak zwanej kolumnie gęstości.
Ale jeśli taka kolumna gęstości zacznie się bardzo, bardzo szybko obracać - obrócić naczynie wokół osi pionowej (jak na kole garncarskim, ale znacznie szybciej - np. 2,6 tys. Obrotów na minutę), okazuje się, że kolejne warstwy tworzą koncentryczne pierścienie. Najlżejsze płyny mają mniejszą średnicę i są umieszczone najbliżej środka wirówki, natomiast najgęstsze są umieszczane w dużych pierścieniach bliżej krawędzi wirówki. Wirowanie jest tutaj ważnym czynnikiem, ponieważ siła odśrodkowa zaczyna dominować w napięciu powierzchniowym cieczy. Bardzo cienkie warstwy cieczy - do 0,15 mm lub nawet cieńsze - można uzyskać bez ryzyka zmieszania. Jeśli gęstość cieczy zostanie wybrana prawidłowo, naukowcy wykazali, że w wirówce obracającej się wokół wspólnej osi można uzyskać do 20 kolorowych pierścieni.

Źródło obrazu: Okładka: numer artykułu 586, wydanie 7827, 1 października 2020 r

Fabryki samoorganizujące się

Wirująca kolumna gęstości jest sama w sobie niezwykle estetycznym eksperymentem fizycznym. Jednak prof. Bartosz Grzybowski i jego zespół pokazali, jak bardzo chemicy mogą to wykorzystać. Obracające się ciecze o różnej gęstości można wytwarzać tak, aby każda z nich zawierała inny odczynnik potrzebny do reakcji chemicznej.

Załóżmy, że związek chemiczny wlewa się bezpośrednio do środka wirówki. Rozprzestrzenia się przez wirówkę i zaczyna dyfundować w kontakcie z najrzadszą, najbardziej wewnętrzną warstwą. Ale tam zachodzi reakcja chemiczna i powstaje nowy związek chemiczny. Rozpoczyna również dyfuzję i dociera do kolejnej, gęstszej warstwy, w której zachodzi kolejna reakcja chemiczna. Powstaje kolejny produkt. I tak dalej, aż otrzymamy produkt końcowy z produktu wyjściowego.