Du har måske set det i køkkengrej eller gamle vandrør: Hårdt, mineralrigt vand vil efterlade skællende aflejringer over tid. Det forekommer ikke kun i rør og køkkenredskaber derhjemme, men også i rør og ventiler, der transporterer olie og naturgas, og rør, der transporterer kølevand i kraftværker. Det er velkendt, at skala kan forårsage ineffektivitet, nedetid og vedligeholdelsesproblemer. I olie- og gasindustrien fører skala nogle gange til fuldstændig lukning af driftsbrønde, i det mindste midlertidigt. Derfor kan løsning af dette problem give enorme belønninger. Nu er et hold af MIT-forskere kommet med en potentiel løsning på dette enorme, men lidet kendte problem. De fandt ud af, at en ny overfladebehandling - inklusive nano-teksturering af overfladen og derefter påføring af smørevæske - kan reducere hastigheden af kalkdannelse med mindst ti gange. I denne uge blev resultaterne af forskningen offentliggjort i Journal of Advanced Materials Interface. Papiret er skrevet af kandidatstuderende Srinivas Subramanyam, postdoc-stipendiat Gisele Azimi og Kripa Varanasi, lektor i havudnyttelse ved Institut for Mekanisk Teknik ved MIT. "Du kan se [skala] næsten overalt," sagde Varanasi. I hjemmet er disse aflejringer for det meste et irritationsmoment, men i industrien kan de føre til "produktivitetsreduktion, og metoden til at fjerne [dem] kan være skadelig for miljøet", som regel involverer brug af skrappe kemikalier. I kraftværker og afsaltningsanlæg kan kalk forårsage betydelige effektivitetstab, fordi det fungerer som en termisk barriere og påvirker afkøling eller kondensering i varmeveksleren. Problemet opstår, fordi vand normalt indeholder en masse opløste salte og mineraler. Vandets evne til at opløse disse stoffer afhænger af opløseligheden, så hvis vandet afkøles eller fordamper, kan opløsningen blive overmættet: Den indeholder flere opløste stoffer, end den kan rumme, så nogle stoffer begynder at fælde ud. Når den varme og fugtige luft pludselig afkøles, når den møder en koldere overflade, vil det give dug på det kolde glas, hvilket er samme princip. I de fleste tilfælde løser ingeniører dette problem ved at overdesigne systemet, sagde Varanasi: Brug et meget større rør end nødvendigt, for eksempel forventes det, at tilsmudsning vil forårsage delvis blokering eller et større overfladeareal, i dette tilfælde varmeveksler under. Subramanyam påpeger, at dette problem ikke er nyt: "Gamle køkkenredskaber har denne form for ophobning," sagde han. "Vi har ikke en god løsning endnu." Selvom det endnu ikke er blevet bevist i industriel skala, kan den nye metode udviklet af MIT-teamet have en betydelig indvirkning på hastigheden af skaladannelse, og i mange tilfælde kan den forhindre det fuldstændigt. Deres metode lyder simpel: Effektiv nanoteksturering af overfladen og fyld den resulterende tekstur med et smøremiddel. Teksturen afhænger hovedsageligt af størrelsen af de frembragte bump og riller; den præcise form synes ikke at have nogen betydning. Derfor kan en række forskellige teknikker bruges til at skabe denne tekstur, herunder at påføre en tekstureret belægning på overfladen eller kemisk ætse den på plads. Forskerne beskrev også en proces til udvælgelse af et passende smøremiddel, der ikke kun øger energibarrieren dannet af kedelsten, men også spreder sig til teksturerede faste stoffer, hvilket gør overfladen "glat" og reducerer nukleering, der kan bruges til dannelse af belægninger. websted. Tidligere forsøg på at forhindre eller reducere kalkdannelse involverer sædvanligvis tilføjelse af en belægning (såsom teflon) til overfladen for at forhindre mineraler i at binde sig til den. Varanasi forklarede, at problemet med denne metode er, at disse belægninger slides, ligesom belægningerne på non-stick stegepander ofte nedbrydes ved brug. Han sagde, at selv om der er et lille hul i belægningen, giver det et sted, hvor belægningen kan begynde at dannes. Ved hjælp af den nye metode, når nano-teksturen er dannet på overfladen, påføres olie eller anden smørevæske på overfladen. Varanasi sagde, at bittesmå riller i nanoskala fanger denne væske og holder den fast på plads gennem kapillærvirkning. I modsætning til faste non-stick-belægninger kan væske flyde for at udfylde eventuelle huller, spredes på overfladens tekstur, og hvis noget vaskes væk, kan det genopfyldes kontinuerligt. "Selv hvis der er mekanisk skade, kan smøremidlet vende tilbage til overfladen," sagde Subramanyam. "Det kan bevare sin glathed i lang tid." Fordi dette smørelag er meget tyndt - kun et par hundrede nanometer tykt - kræver det kun en lille mængde smøremiddel for at beskytte en overflade i årtier. Varanasi sagde, at et reservoir bygget i en sektion af rørledningen kan give smøring i hele udstyrets levetid. I tilfælde af olierørledninger, "smøremiddel findes allerede", kan olien, der fanges af overfladeteksturen, beskytte rørledningens overflade. Jurgen Rühe, leder af Laboratory of Interface Chemistry and Physics ved University of Freiburg, var ikke involveret i undersøgelsen og sagde, at den repræsenterer "meget vigtige opdagelser og vigtige videnskabelige fremskridt." Han kaldte holdets metode til at reducere skaladannelse "ny og kreativ" og sagde "det kan have en potentiel indvirkning på alle områder, hvor vand opvarmes og damp genereres." Forskerne sagde, at efter yderligere laboratorietests for at bestemme det bedste til en bestemt anvendelse. Efter smøremiddel- og tekstureringsmetoderne kan systemet være klar til kommerciel anvendelse på kun tre år. Dette arbejde blev støttet af MIT Energy Initiative.
Posttid: Dec-08-2021
