Võib-olla olete seda näinud kööginõudes või vanades veetorudes: kõva mineraalirikas vesi jätab aja jooksul ketendavaid ladestusi. Seda ei esine mitte ainult kodus olevates torudes ja köögiriistades, vaid ka naftat ja maagaasi transportivates torudes ja ventiilides ning elektrijaamades jahutusvett transportivates torudes. On hästi teada, et katlakivi võib põhjustada ebaefektiivsust, seisakuid ja hooldusprobleeme. Nafta- ja gaasitööstuses viib katlakivi mõnikord töötavate puurkaevude täieliku sulgemiseni, vähemalt ajutiselt. Seetõttu võib selle probleemi lahendamine tuua tohutuid hüvesid. Nüüd on MIT-i teadlaste meeskond leidnud selle tohutu, kuid vähetuntud probleemi võimaliku lahenduse. Nad leidsid, et uus pinnatöötlus – sealhulgas pinna nanotekstuurimine ja seejärel määrdevedeliku pealekandmine – võib vähendada katlakivi moodustumist vähemalt kümme korda. Sel nädalal avaldati uurimistöö tulemused ajakirjas Journal of Advanced Materials Interface. Töö on kirjutanud magistrant Srinivas Subramanyam, järeldoktor Gisele Azimi ja Kripa Varanasi, MIT masinaehituse osakonna merekasutuse dotsent. "Näete [skaala] peaaegu kõikjal," ütles Varanasi. Kodus on need ladestused enamasti häirivad, kuid tööstuses võivad need viia "tootlikkuse vähenemiseni ja [nende] eemaldamise meetod võib olla keskkonnale kahjulik", mis hõlmab tavaliselt karmide kemikaalide kasutamist. Elektrijaamades ja magestamisjaamades võib katlakivi põhjustada olulisi efektiivsuskadusid, kuna see toimib soojusbarjäärina ja mõjutab jahutust või kondenseerumist soojusvahetis. Probleem tekib seetõttu, et vesi sisaldab tavaliselt palju lahustunud sooli ja mineraalaineid. Vee võime neid aineid lahustada oleneb lahustuvusest, nii et kui vesi jahtub või aurustub, võib lahus muutuda üleküllastunud: see sisaldab rohkem lahustunud aineid, kui mahutab, mistõttu osa aineid hakkab välja sadestuma. Kui soe ja niiske õhk külmema pinnaga kokku puutudes järsult jahtub, põhjustab see külma klaasi uduseks muutumist, mis on sama põhimõte. Enamikul juhtudel lahendavad insenerid selle probleemi süsteemi üledisainimisega, ütles Varanasi: Kasutage palju suuremat toru kui vaja, näiteks eeldatakse, et saastumine põhjustab osalise ummistuse või suurema pinna, antud juhul soojusvaheti all. Subramanyam juhib tähelepanu, et see probleem pole uus: "Iidsetel köögiriistadel on selline kogunemine," ütles ta. "Meil pole veel head lahendust." Kuigi seda pole veel tööstuslikus mastaabis tõestatud, võib MIT-i meeskonna välja töötatud uus meetod mastaabi moodustumise kiirust oluliselt mõjutada ja paljudel juhtudel seda täielikult ära hoida. Nende meetod kõlab lihtsalt: pinna tõhus nanotekstureerimine ja saadud tekstuuri täitmine määrdeainega. Tekstuur sõltub peamiselt toodetud konaruste ja soonte suurusest; täpne kuju ei tundu olevat oluline. Seetõttu saab selle tekstuuri loomiseks kasutada mitmesuguseid tehnikaid, sealhulgas pinnale tekstureeritud katte kandmist või selle keemilist söövitamist. Teadlased kirjeldasid ka sobiva määrdeaine valimise protsessi, mis mitte ainult ei suurenda katlakivi tekitatud energiabarjääri, vaid levib ka tekstureeritud tahketele ainetele, muutes pinna "siledaks" ja vähendades tuumade moodustumist, mida saab katlakivi moodustamiseks kasutada. Sait. Varasemad katsed vältida või vähendada katlakivi teket hõlmavad tavaliselt pinnakatte (nt tefloni) lisamist, et vältida mineraalide sellega seondumist. Varanasi selgitas, et selle meetodi probleem seisneb selles, et need katted kuluvad, nagu ka mittenakkuvate praepannide katted lagunevad sageli kasutamise käigus. Ta ütles, et isegi kui kattes on väike auk, annab see koha, kus katlakivi tekkima hakkab. Uut meetodit kasutades kantakse pinnale pärast nanotekstuuri moodustumist pinnale õli või muud määrdevedelikku. Varanasi ütles, et väikesed nanomõõtmelised sooned püüavad selle vedeliku kinni ja hoiavad seda kapillaartegevuse kaudu kindlalt paigal. Erinevalt tahketest mittenakkuvatest katetest võib vedelik voolata, et täita kõik tühimikud, levida pinna tekstuurile ja kui osa sellest maha pestakse, saab seda pidevalt täiendada. "Isegi mehaaniliste kahjustuste korral võib määrdeaine sellele pinnale tagasi tulla," ütles Subramanyam. "See võib pikka aega säilitada oma sileduse." Kuna see määrdekiht on väga õhuke – vaid mõnesaja nanomeetri paksune –, vajab see pinda aastakümneteks kaitsmiseks vaid väikest kogust määrdeainet. Varanasi ütles, et torujuhtme osasse ehitatud reservuaar võib pakkuda määrimist kogu seadme eluea jooksul. Naftatorustike puhul on "määrdeaine juba olemas", pinna tekstuuriga kinnijäänud õli võib kaitsta torujuhtme pinda. Freiburgi ülikooli liideste keemia ja füüsika labori juhataja Jurgen Rühe ei osalenud uuringus, öeldes, et see esindab "väga olulisi avastusi ja olulisi teaduslikke edusamme". Ta nimetas meeskonna meetodit katlakivi moodustumise vähendamiseks "uueks ja loovaks" ning ütles, et "sellel võib olla potentsiaalne mõju kõikidele piirkondadele, kus vett soojendatakse ja auru tekib." Teadlased ütlesid, et pärast täiendavaid laboratoorseid katseid, et määrata kindlaks konkreetse rakenduse jaoks parim. Pärast määrdeaine ja tekstureerimise meetodeid võib süsteem olla kaubanduslikuks kasutamiseks valmis vaid kolme aasta pärast. Seda tööd toetas MIT Energy Initiative.
Postitusaeg: detsember 08-2021
