Potresti averlo visto nelle pentole della cucina o nelle vecchie tubature dell'acqua: l'acqua dura e ricca di minerali lascerà col tempo depositi squamosi. Si verifica non solo nei tubi e negli utensili da cucina domestici, ma anche nei tubi e nelle valvole che trasportano petrolio e gas naturale e nei tubi che trasportano l’acqua di raffreddamento nelle centrali elettriche. È noto che le incrostazioni possono causare inefficienze, fermi macchina e problemi di manutenzione. Nell’industria del petrolio e del gas, le dimensioni a volte portano alla chiusura completa dei pozzi operativi, almeno temporaneamente. Pertanto, risolvere questo problema può portare enormi ricompense. Ora, un team di ricercatori del MIT ha trovato una potenziale soluzione a questo problema enorme ma poco conosciuto. Hanno scoperto che un nuovo trattamento superficiale, che comprende la nano-texturizzazione della superficie e quindi l’applicazione di fluido lubrificante, può ridurre il tasso di formazione delle incrostazioni di almeno dieci volte. Questa settimana, i risultati della ricerca sono stati pubblicati sul Journal of Advanced Materials Interface. L’articolo è stato scritto dallo studente laureato Srinivas Subramanyam, dal ricercatore post-dottorato Gisele Azimi e da Kripa Varanasi, professore associato di utilizzo marino presso il Dipartimento di Ingegneria Meccanica del MIT. "Puoi vedere [scala] quasi ovunque", ha detto Varanasi. In casa, questi depositi sono per lo più un fastidio, ma nell’industria possono portare a “una riduzione della produttività e il metodo per rimuoverli può essere dannoso per l’ambiente”, di solito comportando l’uso di prodotti chimici aggressivi. Nelle centrali elettriche e negli impianti di desalinizzazione, le incrostazioni possono causare significative perdite di efficienza perché agiscono come una barriera termica e influenzano il raffreddamento o la condensa nello scambiatore di calore. Il problema sorge perché l’acqua solitamente contiene molti sali e minerali disciolti. La capacità dell'acqua di sciogliere queste sostanze dipende dalla solubilità, quindi se l'acqua si raffredda o evapora, la soluzione potrebbe diventare sovrasatura: contiene più sostanze disciolte di quante ne possa contenere, quindi alcune sostanze iniziano a precipitare. Quando l'aria calda e umida si raffredda improvvisamente quando incontra una superficie più fredda, causerà l'appannamento del vetro freddo, che è lo stesso principio. Nella maggior parte dei casi, gli ingegneri risolvono questo problema progettando eccessivamente il sistema, ha affermato Varanasi: utilizzare un tubo molto più grande del necessario, ad esempio, si prevede che le incrostazioni causeranno un blocco parziale o una superficie maggiore, in questo caso lo scambiatore di calore Sotto. Subramanyam sottolinea che questo problema non è nuovo: “Gli antichi utensili da cucina hanno questo tipo di accumulo”, ha detto. “Non abbiamo ancora una buona soluzione.” Anche se deve ancora essere dimostrato su scala industriale, il nuovo metodo sviluppato dal team del MIT potrebbe avere un impatto significativo sulla velocità di formazione delle incrostazioni, e in molti casi potrebbe impedirlo completamente. Il loro metodo sembra semplice: nanostrutturare efficacemente la superficie e riempire la trama risultante con un lubrificante. La struttura dipende principalmente dalla dimensione delle protuberanze e dei solchi prodotti; la forma precisa non sembra avere importanza. Pertanto, è possibile utilizzare una varietà di tecniche per creare questa struttura, inclusa l'applicazione di un rivestimento strutturato sulla superficie o l'incisione chimica in posizione. I ricercatori hanno anche descritto un processo per selezionare un lubrificante adatto che non solo aumenta la barriera energetica formata dalle incrostazioni, ma si diffonde anche ai solidi strutturati, rendendo la superficie “liscia” e riducendo la nucleazione che può essere utilizzata per la formazione di incrostazioni. Luogo. I precedenti tentativi di prevenire o ridurre la formazione di calcare di solito comportano l'aggiunta di un rivestimento (come il Teflon) alla superficie per evitare che i minerali si leghino ad essa. Varanasi ha spiegato che il problema con questo metodo è che questi rivestimenti si consumano, proprio come i rivestimenti delle padelle antiaderenti spesso si degradano con l’uso. Ha detto che anche se c'è un piccolo foro nel rivestimento, fornisce un punto in cui le incrostazioni iniziano a formarsi. Utilizzando il nuovo metodo, una volta che la nanostruttura si è formata sulla superficie, sulla superficie viene applicato olio o altro fluido lubrificante. Varanasi ha affermato che minuscole scanalature su scala nanometrica catturano questo liquido e lo mantengono saldamente in posizione attraverso l’azione capillare. A differenza dei rivestimenti antiaderenti solidi, il liquido può fluire per riempire eventuali spazi vuoti, diffondersi sulla struttura della superficie e, se una parte viene lavata via, può essere reintegrata continuamente. "Anche se c'è un danno meccanico, il lubrificante può ritornare su quella superficie", ha detto Subramanyam. "Può mantenere la sua morbidezza per lungo tempo." Poiché questo strato lubrificante è molto sottile, spesso solo poche centinaia di nanometri, richiede solo una piccola quantità di lubrificante per proteggere una superficie per decenni. Varanasi ha affermato che un serbatoio costruito in una sezione della conduttura può fornire lubrificazione per tutta la vita dell'attrezzatura. Nel caso degli oleodotti, “il lubrificante esiste già”, l'olio catturato dalla struttura superficiale può proteggere la superficie dell'oleodotto. Jurgen Rühe, capo del Laboratorio di chimica e fisica delle interfacce dell’Università di Friburgo, non è stato coinvolto nello studio, affermando che esso rappresenta “scoperte molto importanti e importanti progressi scientifici”. Ha definito il metodo del team per ridurre la formazione di calcare “nuovo e creativo” e ha affermato che “potrebbe avere un potenziale impatto su tutte le aree in cui l’acqua viene riscaldata e viene generato vapore”. I ricercatori hanno affermato che dopo ulteriori test di laboratorio per determinare il sistema migliore per una particolare applicazione. Dopo i metodi di lubrificazione e strutturazione, il sistema può essere pronto per l'applicazione commerciale in soli tre anni. Questo lavoro è stato sostenuto dalla MIT Energy Initiative.
Orario di pubblicazione: 08-dic-2021
