المعالجة السطحية الجديدة تمنع تراكم الترسبات الكلسية | أخبار معهد ماساتشوستس للتكنولوجيا

ربما تكون قد رأيت ذلك في أواني المطبخ أو أنابيب المياه القديمة: فالمياه الصلبة الغنية بالمعادن ستترك رواسب متقشرة مع مرور الوقت. ويحدث ليس فقط في الأنابيب وأدوات الطبخ في المنزل، ولكن أيضًا في الأنابيب والصمامات التي تنقل النفط والغاز الطبيعي، والأنابيب التي تنقل مياه التبريد في محطات الطاقة. من المعروف أن الحجم يمكن أن يسبب مشكلات تتعلق بعدم الكفاءة والتوقف عن العمل والصيانة. وفي صناعة النفط والغاز، يؤدي الحجم أحيانًا إلى الإغلاق الكامل للآبار العاملة، على الأقل مؤقتًا. ولذلك، فإن حل هذه المشكلة قد يجلب مكافآت ضخمة. الآن، توصل فريق من الباحثين في معهد ماساتشوستس للتكنولوجيا (MIT) إلى حل محتمل لهذه المشكلة الضخمة ولكن غير المعروفة. ووجدوا أن المعالجة السطحية الجديدة - بما في ذلك التركيب النانوي للسطح ومن ثم تطبيق سائل التشحيم - يمكن أن تقلل من معدل تكوين القشور بمقدار عشر مرات على الأقل. ونشرت نتائج البحث هذا الأسبوع في مجلة واجهة المواد المتقدمة. كتب هذه الورقة طالب الدراسات العليا سرينيفاس سوبرامانيام، وزميلة ما بعد الدكتوراه جيزيل عظيمي، وكريبا فاراناسي، الأستاذ المشارك في الاستخدام البحري في قسم الهندسة الميكانيكية في معهد ماساتشوستس للتكنولوجيا. قال فاراناسي: "يمكنك رؤية [المقياس] في أي مكان تقريبًا". في المنزل، تشكل هذه الرواسب مصدر إزعاج في الغالب، لكن في الصناعة، يمكن أن تؤدي إلى "تقليل الإنتاجية، وقد تكون طريقة إزالتها ضارة بالبيئة"، وعادةً ما تنطوي على استخدام مواد كيميائية قاسية. في محطات توليد الطاقة ومحطات تحلية المياه، يمكن أن يسبب الحجم خسائر كبيرة في الكفاءة لأنه يعمل كحاجز حراري ويؤثر على التبريد أو التكثيف في المبادل الحراري. وتنشأ المشكلة لأن الماء عادة يحتوي على الكثير من الأملاح والمعادن الذائبة. تعتمد قدرة الماء على إذابة هذه المواد على قابلية الذوبان، لذلك إذا برد الماء أو تبخر، فقد يصبح المحلول مشبعًا أكثر من اللازم: فهو يحتوي على مواد مذابة أكثر مما يمكنه الاحتفاظ به، لذلك تبدأ بعض المواد في الترسيب. عندما يبرد الهواء الدافئ والرطب فجأة عندما يواجه سطحًا أكثر برودة، فإنه سيسبب الضباب على الزجاج البارد، وهو نفس المبدأ. في معظم الحالات، يحل المهندسون هذه المشكلة عن طريق المبالغة في تصميم النظام، وقال فاراناسي: استخدم أنبوبًا أكبر بكثير من المطلوب، على سبيل المثال، من المتوقع أن يؤدي التلوث إلى انسداد جزئي، أو مساحة سطح أكبر، في هذه الحالة مبادل حراري تحت. ويشير سوبرامانيام إلى أن هذه المشكلة ليست جديدة: "إن أدوات الطبخ القديمة لديها هذا النوع من التراكم". "ليس لدينا حل جيد حتى الآن." وعلى الرغم من أنه لم يتم إثباته بعد على نطاق صناعي، إلا أن الطريقة الجديدة التي طورها فريق معهد ماساتشوستس للتكنولوجيا قد يكون لها تأثير كبير على سرعة تكوين الحجم، وفي كثير من الحالات قد تمنعه ​​تمامًا. تبدو طريقتهم بسيطة: تركيب السطح بتقنية النانو بشكل فعال وملء النسيج الناتج بمادة تشحيم. يعتمد الملمس بشكل أساسي على حجم النتوءات والأخاديد الناتجة؛ لا يبدو أن الشكل الدقيق مهم. لذلك، يمكن استخدام مجموعة متنوعة من التقنيات لإنشاء هذا الملمس، بما في ذلك وضع طلاء محكم على السطح أو حفره كيميائيًا في مكانه. وصف الباحثون أيضًا عملية اختيار مادة تشحيم مناسبة لا تزيد فقط من حاجز الطاقة الذي يتكون من القشور، ولكنها تنتشر أيضًا إلى المواد الصلبة ذات النسيج، مما يجعل السطح "ناعمًا" ويقلل من النواة التي يمكن استخدامها لتكوين القشور. موقع. عادة ما تتضمن المحاولات السابقة لمنع أو تقليل تكون القشور إضافة طبقة (مثل التيفلون) إلى السطح لمنع المعادن من الارتباط به. وأوضح فاراناسي أن المشكلة في هذه الطريقة هي أن هذه الطلاءات تتآكل، تمامًا كما تتحلل الطلاءات الموجودة على المقالي غير اللاصقة مع الاستخدام. وقال إنه حتى لو كان هناك ثقب صغير في الطلاء، فإنه يوفر مكانًا لبدء تشكل الحجم. باستخدام الطريقة الجديدة، بمجرد تشكيل نسيج النانو على السطح، يتم تطبيق الزيت أو سائل التشحيم الآخر على السطح. وقال فاراناسي إن الأخاديد الصغيرة بحجم النانو تلتقط هذا السائل وتثبته بقوة في مكانه من خلال العمل الشعري. على عكس الطلاءات الصلبة غير اللاصقة، يمكن أن يتدفق السائل لملء أي فجوات، وينتشر على نسيج السطح، وإذا تم غسل بعض منه، يمكن تجديده بشكل مستمر. وقال سوبرامانيام: "حتى لو كان هناك ضرر ميكانيكي، يمكن أن تعود مادة التشحيم إلى ذلك السطح". "يمكنه الحفاظ على نعومته لفترة طويلة." ونظرًا لأن طبقة التشحيم هذه رقيقة جدًا، حيث يبلغ سمكها بضع مئات من النانومترات فقط، فإنها لا تتطلب سوى كمية صغيرة من مادة التشحيم لحماية السطح لعقود من الزمن. وقال فاراناسي إن الخزان المبني في جزء من خط الأنابيب يمكن أن يوفر التشحيم طوال عمر المعدات. في حالة خطوط أنابيب النفط، "مواد التشحيم موجودة بالفعل"، يمكن للزيت الذي يتم التقاطه بواسطة نسيج السطح أن يحمي سطح خط الأنابيب. ولم يشارك يورغن روهي، رئيس مختبر كيمياء وفيزياء الواجهات بجامعة فرايبورغ، في الدراسة، قائلا إنها تمثل “اكتشافات مهمة للغاية وتقدمات علمية مهمة”. ووصف طريقة الفريق لتقليل تكون القشور بأنها "جديدة ومبتكرة"، وقال "قد يكون لها تأثير محتمل على جميع المناطق التي يتم فيها تسخين المياه وتوليد البخار". وقال الباحثون إنه بعد إجراء المزيد من الاختبارات المعملية لتحديد الأفضل لتطبيق معين، بعد طرق التشحيم والتركيب، يمكن أن يكون النظام جاهزًا للتطبيق التجاري خلال ثلاث سنوات فقط. تم دعم هذا العمل من خلال مبادرة الطاقة لمعهد ماساتشوستس للتكنولوجيا.