Možná jste to viděli v kuchyňském nádobí nebo starých vodovodních trubkách: tvrdá voda bohatá na minerály zanechá časem šupinaté usazeniny. Vyskytuje se nejen v potrubí a kuchyňském náčiní v domácnosti, ale také v potrubí a ventilech, které přepravují ropu a zemní plyn, a potrubí, které přepravuje chladicí vodu v elektrárnách. Je dobře známo, že vodní kámen může způsobit neefektivnost, prostoje a problémy s údržbou. V ropném a plynárenském průmyslu vede vodní kámen někdy k úplnému uzavření provozních vrtů, alespoň dočasně. Řešení tohoto problému tedy může přinést obrovské odměny. Nyní tým výzkumníků z MIT přišel s potenciálním řešením tohoto obrovského, ale málo známého problému. Zjistili, že nová povrchová úprava – včetně nanotexturování povrchu a následné aplikace mazací kapaliny – může snížit rychlost tvorby vodního kamene nejméně desetkrát. Tento týden byly výsledky výzkumu zveřejněny v Journal of Advanced Materials Interface. Příspěvek napsali postgraduální student Srinivas Subramanyam, postdoktorand Gisele Azimi a Kripa Varanasi, docent námořního využití na katedře strojního inženýrství na MIT. "Můžete vidět [měřítko] téměř všude," řekl Varanasi. V domácnostech jsou tyto usazeniny většinou nepříjemné, ale v průmyslu mohou vést ke „snížení produktivity a způsob [jejich] odstraňování může být škodlivý pro životní prostředí“, což obvykle zahrnuje použití drsných chemikálií. V elektrárnách a odsolovacích zařízeních může vodní kámen způsobit značné ztráty účinnosti, protože působí jako tepelná bariéra a ovlivňuje chlazení nebo kondenzaci ve výměníku tepla. Problém nastává, protože voda obvykle obsahuje hodně rozpuštěných solí a minerálů. Schopnost vody rozpouštět tyto látky závisí na rozpustnosti, takže pokud se voda ochladí nebo se odpaří, může dojít k přesycení roztoku: obsahuje více rozpuštěných látek, než pojme, takže se některé látky začnou srážet. Když se teplý a vlhký vzduch náhle ochladí, když narazí na chladnější povrch, způsobí zamlžení studeného skla, což je stejný princip. Ve většině případů inženýři řeší tento problém přílišným navržením systému, Varanasi řekl: Použijte mnohem větší potrubí, než je potřeba, například se očekává, že znečištění způsobí částečné ucpání nebo větší povrch, v tomto případě výměník tepla pod. Subramanyam poukazuje na to, že tento problém není nový: „Starodávné kuchyňské náčiní má tento druh akumulace,“ řekl. "Zatím nemáme dobré řešení." Ačkoli to ještě nebylo prokázáno v průmyslovém měřítku, nová metoda vyvinutá týmem MIT může mít významný vliv na rychlost tvorby vodního kamene a v mnoha případech mu může zcela zabránit. Jejich metoda zní jednoduše: efektivní nanotexturování povrchu a vyplnění výsledné textury lubrikantem. Textura závisí hlavně na velikosti vytvořených hrbolků a rýh; zdá se, že na přesném tvaru nezáleží. Proto lze k vytvoření této textury použít různé techniky – včetně nanesení texturovaného povlaku na povrch nebo jeho chemického leptání na místě. Výzkumníci také popsali proces výběru vhodného maziva, které nejen zvyšuje energetickou bariéru tvořenou vodním kamenem, ale také se rozšiřuje na texturované pevné látky, čímž je povrch „hladký“ a snižuje nukleaci, kterou lze použít pro tvorbu vodního kamene. místo. Předchozí pokusy zabránit nebo omezit tvorbu vodního kamene obvykle zahrnují přidání povlaku (jako je teflon) na povrch, aby se zabránilo navázání minerálů na povrch. Varanasi vysvětlil, že problémem této metody je, že se tyto povlaky opotřebovávají, stejně jako povlaky na nepřilnavých pánvích se používáním často zhoršují. Řekl, že i když je v povlaku malá díra, poskytuje místo, kde se může začít tvořit vodní kámen. Pomocí nové metody, jakmile se na povrchu vytvoří nanotextura, je na povrch aplikován olej nebo jiná mazací kapalina. Varanasi řekl, že drobné drážky v nanoměřítku zachycují tuto kapalinu a drží ji pevně na místě prostřednictvím kapilárního působení. Na rozdíl od pevných nepřilnavých povlaků může tekutina stékat, aby vyplnila případné mezery, rozprostřela se po struktuře povrchu, a pokud se část smyje, lze ji průběžně doplňovat. "I když dojde k mechanickému poškození, mazivo se může vrátit na tento povrch," řekl Subramanyam. "Může si udržet hladkost po dlouhou dobu." Protože je tato mazací vrstva velmi tenká – pouze několik set nanometrů tlustá – vyžaduje jen malé množství maziva k ochraně povrchu po desetiletí. Varanasi řekl, že nádrž zabudovaná v části potrubí může poskytovat mazání po celou dobu životnosti zařízení. V případě ropovodů „mazivo již existuje“, ropa zachycená texturou povrchu může povrch potrubí chránit. Jurgen Rühe, vedoucí Laboratoře chemie a fyziky rozhraní na univerzitě ve Freiburgu, nebyl do studie zapojen s tím, že představuje „velmi důležité objevy a důležité vědecké pokroky“. Nazval týmovou metodu snižování tvorby vodního kamene „novou a kreativní“ a řekl, že „může mít potenciální dopad na všechny oblasti, kde se ohřívá voda a kde se vytváří pára“. Výzkumníci uvedli, že po dalším laboratorním testování, aby se určilo to nejlepší pro konkrétní aplikaci. Po použití lubrikantů a texturovacích metod může být systém připraven pro komerční použití za pouhé tři roky. Tato práce byla podpořena energetickou iniciativou MIT.
Čas odeslání: prosinec-08-2021
