Možda ste ga vidjeli u kuhinjskom posuđu ili starim vodovodnim cijevima: tvrda voda bogata mineralima s vremenom će ostaviti ljuspičaste naslage. Ne pojavljuje se samo u cijevima i kuhinjskom posuđu kod kuće, već iu cijevima i ventilima koji transportiraju naftu i prirodni plin, te cijevima koje transportiraju vodu za hlađenje u elektranama. Dobro je poznato da kamenac može uzrokovati neučinkovitost, zastoje i probleme s održavanjem. U industriji nafte i plina, kamenac ponekad dovodi do potpunog zatvaranja operativnih bušotina, barem privremeno. Stoga bi rješavanje ovog problema moglo donijeti velike koristi. Sada je tim istraživača s MIT-a došao do potencijalnog rješenja za ovaj veliki, ali malo poznati problem. Otkrili su da novi tretman površine - uključujući nano-teksturiranje površine i zatim primjenu tekućine za podmazivanje - može smanjiti stopu stvaranja kamenca za najmanje deset puta. Ovog su tjedna rezultati istraživanja objavljeni u časopisu Journal of Advanced Materials Interface. Rad su napisali diplomirani student Srinivas Subramanyam, postdoktorandica Gisele Azimi i Kripa Varanasi, izvanredni profesor pomorskog korištenja na Odjelu za strojarstvo na MIT-u. "Možete vidjeti [razmjere] gotovo bilo gdje", rekao je Varanasi. U kući te naslage uglavnom smetaju, ali u industriji mogu dovesti do "smanjenja produktivnosti, a metoda [njihovog] uklanjanja može biti štetna za okoliš", obično uključuje upotrebu jakih kemikalija. U elektranama i postrojenjima za desalinizaciju, kamenac može uzrokovati značajne gubitke učinkovitosti jer djeluje kao toplinska barijera i utječe na hlađenje ili kondenzaciju u izmjenjivaču topline. Problem nastaje jer voda obično sadrži mnogo otopljenih soli i minerala. Sposobnost vode da otopi te tvari ovisi o topljivosti, pa ako se voda ohladi ili ispari, otopina može postati prezasićena: sadrži više otopljenih tvari nego što može zadržati, pa se neke tvari počinju taložiti. Kada se topao i vlažan zrak naglo ohladi pri susretu s hladnijom površinom, uzrokovat će magljenje na hladnom staklu, što je isti princip. U većini slučajeva, inženjeri rješavaju ovaj problem pretjeranim projektiranjem sustava, rekao je Varanasi: Koristite puno veću cijev nego što je potrebno, na primjer, očekuje se da će onečišćenje uzrokovati djelomičnu blokadu ili veću površinu, u ovom slučaju izmjenjivač topline pod, ispod. Subramanyam ističe da ovaj problem nije nov: "Drevno posuđe za kuhanje ima ovu vrstu nakupljanja", rekao je. "Još nemamo dobro rješenje." Iako tek treba biti dokazana na industrijskoj razini, nova metoda koju je razvio tim MIT-a može imati značajan utjecaj na brzinu stvaranja kamenca, au mnogim slučajevima može ga i potpuno spriječiti. Njihova metoda zvuči jednostavno: učinkovito nanoteksturiranje površine i ispunjavanje dobivene teksture lubrikantom. Tekstura uglavnom ovisi o veličini proizvedenih izbočina i utora; čini se da točan oblik nije bitan. Stoga se mogu koristiti razne tehnike za stvaranje ove teksture - uključujući nanošenje teksturiranog premaza na površinu ili kemijsko jetkanje na mjestu. Istraživači su također opisali postupak odabira prikladnog maziva koji ne samo da povećava energetsku barijeru koju stvara kamenac, već se također širi na teksturirane čvrste tvari, čineći površinu "glatkom" i smanjujući nukleaciju koja se može koristiti za stvaranje kamenca. stranica. Prethodni pokušaji da se spriječi ili smanji stvaranje kamenca obično uključuju dodavanje premaza (kao što je teflon) na površinu kako bi se spriječilo vezivanje minerala na nju. Varanasi je objasnio da je problem s ovom metodom to što se ti premazi troše, baš kao što premazi na tavama s neprijanjajućim premazom često degradiraju tijekom uporabe. Rekao je da čak i ako postoji mala rupica u premazu, ona pruža mjesto za stvaranje kamenca. Koristeći novu metodu, kada se nano-tekstura formira na površini, na površinu se nanosi ulje ili druga tekućina za podmazivanje. Varanasi je rekao da sićušni utori u nanorazmjerima hvataju ovu tekućinu i čvrsto je drže na mjestu kroz kapilarno djelovanje. Za razliku od čvrstih neljepljivih premaza, tekućina može teći kako bi popunila sve praznine, rasporediti se po teksturi površine, a ako se nešto ispere, može se kontinuirano nadopunjavati. "Čak i ako postoji mehaničko oštećenje, mazivo se može vratiti na tu površinu", rekao je Subramanyam. "Može zadržati svoju glatkoću dugo vremena." Budući da je ovaj mazivi sloj vrlo tanak—debeo samo nekoliko stotina nanometara—potrebna mu je samo mala količina maziva za zaštitu površine desetljećima. Varanasi je rekao da rezervoar izgrađen u dijelu cjevovoda može osigurati podmazivanje tijekom cijelog vijeka trajanja opreme. U slučaju naftovoda, "mazivo već postoji", ulje zahvaćeno teksturom površine može zaštititi površinu cjevovoda. Jurgen Rühe, voditelj Laboratorija za kemiju i fiziku sučelja na Sveučilištu u Freiburgu, nije bio uključen u studiju, rekavši da ona predstavlja "vrlo važna otkrića i važan znanstveni napredak". Metodu tima za smanjenje stvaranja kamenca nazvao je "novom i kreativnom" i rekao da "može imati potencijalni utjecaj na sva područja gdje se voda zagrijava i stvara para." Istraživači su rekli da nakon daljnjih laboratorijskih ispitivanja kako bi se utvrdilo najbolje za određenu primjenu. Nakon metoda maziva i teksturiranja, sustav može biti spreman za komercijalnu primjenu za samo tri godine. Ovaj rad poduprla je MIT Energy Initiative.
Vrijeme objave: 8. prosinca 2021
