Sie haben es vielleicht schon an Küchengeschirr oder alten Wasserleitungen gesehen: Hartes, mineralhaltiges Wasser hinterlässt mit der Zeit schuppige Ablagerungen. Es kommt nicht nur in Rohren und Kochutensilien zu Hause vor, sondern auch in Rohren und Ventilen, die Öl und Erdgas transportieren, sowie Rohren, die Kühlwasser in Kraftwerken transportieren. Es ist bekannt, dass Ablagerungen zu Ineffizienz, Ausfallzeiten und Wartungsproblemen führen können. In der Öl- und Gasindustrie führen Ablagerungen manchmal dazu, dass in Betrieb befindliche Bohrlöcher zumindest vorübergehend vollständig geschlossen werden. Daher kann die Lösung dieses Problems große Vorteile bringen. Jetzt hat ein Team von MIT-Forschern eine mögliche Lösung für dieses riesige, aber wenig bekannte Problem gefunden. Sie fanden heraus, dass eine neue Oberflächenbehandlung – einschließlich Nanotexturierung der Oberfläche und anschließendes Auftragen von Schmierflüssigkeit – die Geschwindigkeit der Ablagerungen um mindestens das Zehnfache reduzieren kann. Diese Woche wurden die Ergebnisse der Forschung im Journal of Advanced Materials Interface veröffentlicht. Der Artikel wurde vom Doktoranden Srinivas Subramanyam, der Postdoktorandin Gisele Azimi und Kripa Varanasi, außerordentlicher Professor für Meeresnutzung am Department of Mechanical Engineering am MIT, verfasst. „Man kann [Maßstab] fast überall sehen“, sagte Varanasi. Im Haushalt sind diese Ablagerungen meist ein Ärgernis, aber in der Industrie können sie zu „Produktivitätseinbußen führen, und die Methode, sie zu entfernen, kann schädlich für die Umwelt sein“, meist mit dem Einsatz aggressiver Chemikalien. In Kraftwerken und Entsalzungsanlagen kann Kalk zu erheblichen Effizienzverlusten führen, da er als thermische Barriere wirkt und die Kühlung bzw. Kondensation im Wärmetauscher beeinträchtigt. Das Problem entsteht, weil Wasser meist viele gelöste Salze und Mineralien enthält. Die Fähigkeit von Wasser, diese Stoffe aufzulösen, hängt von der Löslichkeit ab. Wenn das Wasser also abkühlt oder verdunstet, kann die Lösung übersättigt werden: Sie enthält mehr gelöste Stoffe, als sie aufnehmen kann, sodass einige Stoffe auszufallen beginnen. Wenn die warme und feuchte Luft beim Auftreffen auf eine kältere Oberfläche plötzlich abkühlt, beschlägt das kalte Glas, was dem gleichen Prinzip entspricht. In den meisten Fällen lösen Ingenieure dieses Problem, indem sie das System überdimensionieren, sagte Varanasi: Wenn Sie beispielsweise ein viel größeres Rohr als nötig verwenden, ist zu erwarten, dass Verschmutzung zu einer teilweisen Verstopfung oder einer größeren Oberfläche führt, in diesem Fall des Wärmetauschers unter. Subramanyam weist darauf hin, dass dieses Problem nicht neu sei: „Alte Kochutensilien weisen diese Art von Anhäufung auf“, sagte er. „Wir haben noch keine gute Lösung.“ Auch wenn dies noch nicht im industriellen Maßstab nachgewiesen wurde, könnte die vom MIT-Team entwickelte neue Methode einen erheblichen Einfluss auf die Geschwindigkeit der Schuppenbildung haben und diese in vielen Fällen sogar vollständig verhindern. Ihre Methode klingt einfach: Die Oberfläche effektiv nanotexturieren und die resultierende Textur mit einem Gleitmittel füllen. Die Textur hängt hauptsächlich von der Größe der erzeugten Unebenheiten und Rillen ab; die genaue Form scheint keine Rolle zu spielen. Daher können verschiedene Techniken zur Erzeugung dieser Textur eingesetzt werden, darunter das Aufbringen einer strukturierten Beschichtung auf die Oberfläche oder das chemische Einätzen der Oberfläche. Die Forscher beschrieben auch einen Prozess zur Auswahl eines geeigneten Schmiermittels, das nicht nur die durch Ablagerungen gebildete Energiebarriere erhöht, sondern sich auch auf strukturierte Feststoffe ausbreitet, die Oberfläche „glatt“ macht und die Keimbildung reduziert, die zur Ablagerungenbildung genutzt werden kann. Website. Frühere Versuche, die Bildung von Kalkablagerungen zu verhindern oder zu reduzieren, bestanden in der Regel darin, die Oberfläche mit einer Beschichtung (z. B. Teflon) zu versehen, um zu verhindern, dass sich Mineralien daran binden. Varanasi erklärte, dass das Problem bei dieser Methode darin bestehe, dass sich diese Beschichtungen abnutzen, so wie sich auch die Beschichtungen auf Antihaft-Bratpfannen oft mit der Zeit abnutzen. Er sagte, selbst wenn sich in der Beschichtung ein kleines Loch befinde, biete dieses einen Platz für die Bildung von Ablagerungen. Bei der neuen Methode wird, sobald sich die Nanotextur auf der Oberfläche gebildet hat, Öl oder eine andere Schmierflüssigkeit auf die Oberfläche aufgetragen. Varanasi sagte, dass winzige Rillen im Nanomaßstab diese Flüssigkeit einfangen und sie durch Kapillarwirkung fest an Ort und Stelle halten. Im Gegensatz zu festen Antihaftbeschichtungen kann Flüssigkeit fließen, um Lücken zu füllen, sich auf der Oberflächenstruktur verteilen und, wenn etwas weggespült wird, kontinuierlich nachgefüllt werden. „Selbst wenn eine mechanische Beschädigung vorliegt, kann das Schmiermittel auf diese Oberfläche zurückkehren“, sagte Subramanyam. „Es kann seine Glätte über einen langen Zeitraum beibehalten.“ Da diese Schmierschicht sehr dünn ist – nur wenige hundert Nanometer dick – ist nur eine geringe Menge Schmiermittel erforderlich, um eine Oberfläche jahrzehntelang zu schützen. Varanasi sagte, dass ein in einem Abschnitt der Pipeline eingebautes Reservoir während der gesamten Lebensdauer der Ausrüstung für Schmierung sorgen könne. Bei Ölpipelines ist „Schmiermittel bereits vorhanden“, das von der Oberflächentextur eingefangene Öl kann die Oberfläche der Pipeline schützen. Jürgen Rühe, Leiter des Labors für Grenzflächenchemie und -physik an der Universität Freiburg, war an der Studie nicht beteiligt und sagte, es handele sich um „sehr wichtige Entdeckungen und wichtige wissenschaftliche Fortschritte“. Er nannte die Methode des Teams zur Reduzierung der Ablagerungen „neu und kreativ“ und sagte: „Sie könnte potenzielle Auswirkungen auf alle Bereiche haben, in denen Wasser erhitzt und Dampf erzeugt wird.“ Die Forscher sagten, dass das System nach weiteren Labortests, um die besten Schmier- und Texturierungsmethoden für eine bestimmte Anwendung zu ermitteln, in nur drei Jahren für die kommerzielle Anwendung bereit sein kann. Diese Arbeit wurde von der MIT Energy Initiative unterstützt.
Zeitpunkt der Veröffentlichung: 08.12.2021
