טיפול משטח חדש מונע הצטברות אבנית | חדשות MIT

אולי ראית את זה בכלי בישול במטבח או בצינורות מים ישנים: מים קשים ועשירים במינרלים ישאירו משקעים קשקשים לאורך זמן. היא מתרחשת לא רק בצינורות ובכלי בישול בבית, אלא גם בצינורות ושסתומים המובילים נפט וגז טבעי, וצינורות המובילים מי קירור בתחנות כוח. ידוע היטב שאבנית עלולה לגרום לחוסר יעילות, השבתה ובעיות תחזוקה. בתעשיית הנפט והגז, קנה המידה מוביל לעיתים לסגירה מוחלטת של בארות תפעול, לפחות זמנית. לכן, פתרון בעיה זו עשוי להביא פרסים עצומים. כעת, צוות של חוקרי MIT העלה פתרון פוטנציאלי לבעיה הענקית הזו אך מעט ידועה. הם מצאו שטיפול משטח חדש - כולל ננו-מרקם של פני השטח ולאחר מכן מריחת נוזל סיכה - יכול להפחית את קצב היווצרות האבנית פי עשרה לפחות. השבוע פורסמו תוצאות המחקר ב-Journal of Advanced Materials Interface. המאמר נכתב על ידי הסטודנט לתואר שני Srinivas Subramanyam, עמית פוסט-דוקטורט ג'יזל אזימי, ו-Kripa Varanasi, פרופסור חבר לניצול ימי במחלקה להנדסת מכונות ב-MIT. "אתה יכול לראות [קנה מידה] כמעט בכל מקום", אמר ורנאסי. בבית משקעים אלו מהווים בעיקר מטרד, אך בתעשייה הם עלולים להוביל ל"הפחתת פרודוקטיביות, ושיטת הרחקה [שלהם] עלולה להזיק לסביבה", בדרך כלל כרוכה בשימוש בכימיקלים קשים. בתחנות כוח ובמתקני התפלה אבנית עלולה לגרום לאובדי יעילות משמעותיים מכיוון שהיא פועלת כמחסום תרמי ומשפיעה על קירור או עיבוי במחליף החום. הבעיה נוצרת בגלל שמים בדרך כלל מכילים הרבה מלחים מומסים ומינרלים. יכולתם של מים להמיס את החומרים הללו תלויה במסיסות, כך שאם המים מתקררים או מתאדים, התמיסה עלולה להפוך לרוויה יתרה: היא מכילה יותר חומרים מומסים ממה שהיא יכולה להכיל, ולכן חלק מהחומרים מתחילים לנשור החוצה. כאשר האוויר החם והלח מתקרר לפתע כאשר הוא נתקל במשטח קר יותר, הוא יגרום לערפל על הזכוכית הקרה, שזה אותו עיקרון. ברוב המקרים, המהנדסים פותרים בעיה זו על ידי תכנון יתר של המערכת, אמר ורנאסי: השתמשו בצינור גדול בהרבה מהנדרש, למשל, צפוי כי עיבוי יגרום לחסימה חלקית, או שטח פנים גדול יותר, במקרה זה מחליף חום תַחַת. סוברמניאם מציין שהבעיה הזו אינה חדשה: "לכלי בישול עתיקים יש סוג כזה של הצטברות", אמר. "אין לנו עדיין פתרון טוב". למרות שהיא טרם הוכחה בקנה מידה תעשייתי, לשיטה החדשה שפיתח צוות MIT עשויה להיות השפעה משמעותית על מהירות היווצרות האבנית, ובמקרים רבים עשויה למנוע אותה לחלוטין. השיטה שלהם נשמעת פשוטה: יצירת ננו-טקסטורה יעילה של פני השטח ומילוי המרקם שנוצר בחומר סיכה. המרקם תלוי בעיקר בגודל הבליטות והחריצים המיוצרים; נראה שהצורה המדויקת לא משנה. לכן, ניתן להשתמש במגוון טכניקות ליצירת מרקם זה, כולל מריחת ציפוי מרקם על פני השטח או חריטה כימית למקומו. החוקרים תיארו גם תהליך לבחירת חומר סיכה מתאים שלא רק מגביר את מחסום האנרגיה שנוצר על ידי אבנית, אלא גם מתפשט למוצקים בעלי מרקם, מה שהופך את פני השטח ל"חלקים" ומפחית גרעין שניתן להשתמש בו ליצירת אבנית. אֲתַר. ניסיונות קודמים למנוע או להפחית היווצרות אבנית כוללים בדרך כלל הוספת ציפוי (כגון טפלון) על פני השטח כדי למנוע מינרלים להיקשר אליו. ורנאסי הסביר שהבעיה בשיטה זו היא שהציפויים הללו נשחקים, בדיוק כפי שהציפויים על מחבתות טפלון מתכלים לעתים קרובות עם השימוש. לדבריו, גם אם יש חור קטן בציפוי, הוא מספק מקום להתחיל להיווצר אבנית. בשיטה החדשה, ברגע שנוצר מרקם הננו על פני השטח, מורחים שמן או נוזל סיכה אחר על פני השטח. ורנאסי אמר שחריצים זעירים בקנה מידה ננו לוכדים את הנוזל הזה ומחזיקים אותו במקומו בחוזקה באמצעות פעולה נימית. שלא כמו ציפויים מוצקים שאינם נדבקים, נוזל יכול לזרום כדי למלא את כל הרווחים, להתפשט על מרקם המשטח, ואם חלקם נשטפים, ניתן למלא אותו ברציפות. "גם אם יש נזק מכני, חומר הסיכה יכול לחזור למשטח הזה", אמר סוברמניאם. "זה יכול לשמור על החלקות שלו לאורך זמן." מכיוון ששכבת סיכה זו דקה מאוד - בעובי של כמה מאות ננומטרים בלבד - היא דורשת רק כמות קטנה של חומר סיכה כדי להגן על משטח במשך עשרות שנים. ורנאסי אמר כי מאגר שנבנה בחלק מהצינור יכול לספק סיכה לאורך כל חיי הציוד. במקרה של צינורות נפט, "חומר סיכה כבר קיים", השמן הנלכד במרקם פני השטח יכול להגן על פני הצינור. יורגן רוהה, ראש המעבדה לכימיה ופיזיקה ממשק באוניברסיטת פרייבורג, לא היה מעורב במחקר, ואמר שהוא מייצג "תגליות חשובות מאוד והתקדמות מדעית חשובה". הוא כינה את השיטה של ​​הצוות להפחתת היווצרות אבנית "חדשה ויצירתית" ואמר כי "ייתכן שיש לה השפעה פוטנציאלית על כל האזורים שבהם המים מחוממים ונוצרים קיטור". החוקרים אמרו כי לאחר בדיקות מעבדה נוספות כדי לקבוע את הטוב ביותר עבור יישום מסוים לאחר שיטות הסיכה והמרקם, המערכת יכולה להיות מוכנה ליישום מסחרי תוך שלוש שנים בלבד. עבודה זו נתמכה על ידי יוזמת האנרגיה של MIT.