不需要水的冷凝器

不需要水的冷凝器
國立臺灣大學化學系林宇軒/國立臺灣大學科學教育發展中心陳藹然責任編輯

編譯來源：New Condensers Cool Solvent Without Flowing Water

你知道在有機化學實驗室裡，每天都要用掉幾百公升的水嗎？一切的罪魁禍首就是那支用來冷卻溶劑蒸氣的冷凝管！最近有兩群化學家在《ACS永續化學與工程》期刊上(ACS Sustainable Chemistry & Engineering)，發表了他們改良的新型冷凝管，完全不費一滴水就能達到冷卻的效果。

圖一、Vigreux冷凝管（出自維基百科）

阿斯特捷利康公司(AstraZeneca)資深研究員Dave Perkins表示，傳統的冷凝管每分鐘消耗1~4公升的水，長期下來用水量非常可觀。雖然市面上已有不用流動冷水冷卻的冷凝管可用，如：Sigma-Aldrich公司的 Airflux和氣冷式Vigreux冷凝管（圖一），但卻都只適用於冷凝沸點高於60ºC的溶劑，因此Perkins的團隊決定從這裡下手改良。

Vigreux冷凝管一般用於分餾，以空氣為冷卻劑，玻璃管內有許多朝下的玻璃突起狀，增加冷卻表面積。 Perkins的團隊在Vigreux冷凝管外包上一層2.1公分的厚的鋁鞘，並在鋁製外衣和冷凝管的夾層注水（圖二），使冷凝管有更好的冷卻效果，適用沸點更低的溶劑。

實際測試的結果，500 mL的二氯甲烷液體在高於沸點20°C的溫度（60°C）的開放系統下進行迴流16小時，使用傳統Vigreux冷凝管裡的二氯甲烷液體一點都不剩，但是改良的冷凝管還保留了一半的二氯甲烷液體。其他的實測結果也都顯示改良式冷凝管比Airflux和傳統Vigreux冷凝管冷卻效率都要好很多。

另一個團隊，由巴特勒大學(Butler University)的有機金屬化學家安‧威爾森(Anne M. Wilson)領軍，她和美國陶氏益農公司(或譯「陶氏」、「道禮」，Dow AgroSciences)的同事共同改良一種具有成串球形內管的球型冷凝管(Allihn condenser)。原本的球型冷凝管是從下方注水，上方出水。而她們去除下端的注水口，並從上端注入比熱高又便宜的乙二醇，乙二醇就靜置在冷凝管裡面作為導熱物質，不需要流動。（圖三）

圖二、在Vigreux 冷凝管外包上一層鋁鞘，鋁製外衣與冷凝管間注水，以增強冷卻效果。

圖三、改良式球型冷凝管，在內外管間注入比熱高的乙二醇作為導熱劑，增強散熱效果。

她們加熱迴流10毫升的二氯甲烷18小時來測試冷卻效果，改良後的球形冷凝管失去了約一半的溶劑，原本需要不斷注入冷水的球形冷凝管則失去了約42%的溶劑，但是氣冷式Vigreux冷凝管卻是所有的溶劑都散失了。

奧勒岡大學(University of Oregon)的有機金屬化學家肯尼斯‧德克斯(Kenneth M. Doxsee)長久以來一直對水冷式冷凝管的用水量很感冒，但氣冷式冷凝管又不是很實用的替代方法，在讀過這兩篇文章的設計之後，他很高興發現終於有可以兼具省水和效率的冷凝管可以使用，德克斯更表示：「這類型的冷凝管對位在沒有穩定供水區域的實驗室來說非常方便，如果能改良這類冷凝裝置，讓工業級的化學合成也能使用的話，那一定會非常有趣！」

參考資料：
1. http://cen.acs.org/articles/91/web/2013/09/New-Condensers-Cool-Solvent-Without.html
2.” Introducing a Novel and Highly Efficient Water-Saving Condenser”, ACS Sustainable Chem. Eng., 2013, 1 (12), pp 1498–1501
3.” Introducing a Novel and Highly Efficient Water-Saving Condenser”, ACS Sustainable Chem. Eng., 2013, 1 (12), pp 1498–1501.
4. http://en.wikipedia.org/wiki/Condenser_(laboratory)