キッチンの調理器具や古い水道管で見たことがあるかもしれません。ミネラル豊富な硬水は、時間が経つと鱗状の堆積物を残します。 家庭内の配管や調理器具だけでなく、石油や天然ガスを運ぶ配管やバルブ、発電所の冷却水を運ぶ配管などでも発生します。 スケールが非効率、ダウンタイム、メンテナンスの問題を引き起こす可能性があることはよく知られています。 石油・ガス産業では、規模の拡大により、少なくとも一時的に稼働中の坑井が完全に閉鎖されることがあります。 したがって、この問題を解決すると大きな利益が得られる可能性があります。 今回、MIT の研究者チームが、この巨大だがほとんど知られていない問題に対する潜在的な解決策を考え出しました。 彼らは、表面のナノテクスチャリングとその後の潤滑液の適用を含む新しい表面処理により、スケールの形成速度を少なくとも 10 分の 1 に低減できることを発見しました。 今週、研究結果がJournal of Advanced Materials Interfaceに掲載された。 この論文は、大学院生のスリニバス・スブラマニャム氏、ポスドク研究員のジゼル・アジミ氏、およびマサチューセッツ工科大学機械工学部の海洋利用准教授クリパ・バラナシ氏によって書かれた。 「ほとんどどこでも[スケール]を見ることができます」とバラナシ氏は言いました。 家庭では、これらの堆積物はほとんど迷惑ですが、産業では、「生産性の低下、および[それらの]除去方法は環境に有害である可能性があります」につながる可能性があり、通常は強力な化学物質の使用が含まれます。 発電所や淡水化プラントでは、スケールは熱障壁として機能し、熱交換器内の冷却や凝縮に影響を与えるため、大幅な効率損失を引き起こす可能性があります。 通常、水には溶解した塩分やミネラルが多く含まれているために問題が発生します。 これらの物質を溶解する水の能力は溶解度に依存するため、水が冷却または蒸発すると、溶液は過飽和になる可能性があります。つまり、溶液には保持できる量よりも多くの溶解物質が含まれているため、一部の物質は沈殿し始めます。 暖かく湿った空気が冷たい表面に触れると急激に冷えると、冷たいガラスが曇りますが、これと同じ原理です。 ほとんどの場合、エンジニアはシステムを過剰設計することでこの問題を解決します、とバラナシ氏は述べています。「必要よりはるかに大きなパイプを使用します。たとえば、汚れによって部分的な詰まりが発生したり、表面積が大きくなったりすることが予想されます。この場合は熱交換器です」下。 スブラマニャム氏は、この問題は今に始まったことではないと指摘し、「古代の調理器具にはこのような蓄積があった」と述べた。 「まだ良い解決策がありません。」 産業規模ではまだ証明されていませんが、MITチームが開発した新しい方法はスケール形成の速度に大きな影響を与える可能性があり、多くの場合それを完全に阻止する可能性があります。 彼らの方法は単純に思えます。表面を効果的にナノテクスチャリングし、得られたテクスチャを潤滑剤で満たすというものです。 テクスチャは主に、生成される凹凸のサイズによって決まります。 正確な形状は問題ではないようです。 したがって、このテクスチャを作成するには、表面にテクスチャ コーティングを適用したり、その場で化学的にエッチングしたりするなど、さまざまな技術を使用できます。 研究者らはまた、スケールによって形成されるエネルギー障壁を高めるだけでなく、テクスチャーのある固体に広がり、表面を「滑らか」にし、スケールの形成に使用される核生成を減らす、適切な潤滑剤を選択するプロセスについても説明しました。 サイト。 スケールの形成を防止または軽減するこれまでの試みでは、通常、表面にコーティング (テフロンなど) を追加して、鉱物の結合を防ぐことが必要でした。 バラナシ氏は、この方法の問題点は、焦げ付き防止フライパンのコーティングが使用とともに劣化することが多いのと同じように、コーティングが摩耗することだと説明した。 たとえコーティングに小さな穴があっても、それがスケールの形成を開始する場所になると彼は言いました。 この新しい方法では、表面にナノテクスチャーを形成した後、その表面にオイルなどの潤滑液を塗布します。 バラナシ氏は、小さなナノスケールの溝がこの液体を捕らえ、毛細管現象によって液体を所定の位置にしっかりと保持すると述べた。 固形のノンスティックコーティングとは異なり、液体が流れて隙間を埋め、表面の質感に広がり、一部が洗い流された場合でも継続的に補充できます。 「たとえ機械的損傷があったとしても、潤滑剤はその表面に戻る可能性があります」とスブラマニャム氏は言う。 「滑らかさを長期間維持できます。」 この潤滑層は非常に薄く、厚さはわずか数百ナノメートルであるため、数十年間表面を保護するには少量の潤滑剤しか必要としません。 バラナシ氏は、パイプラインの一部に貯留槽を設置すれば、機器の耐用年数全体にわたって潤滑を提供できると述べた。 石油パイプラインの場合、「潤滑剤がすでに存在している」ため、表面テクスチャーに取り込まれた油がパイプラインの表面を保護することができます。 フライブルク大学界面化学・物理学研究室長のユルゲン・ルーエ氏は、この研究は「非常に重要な発見と重要な科学的進歩」を示すものであり、この研究には関与していないと述べた。 同氏はスケールの形成を減らすチームの方法を「新しくて創造的」だと呼び、「水が加熱され蒸気が生成されるすべての領域に潜在的な影響を与える可能性がある」と述べた。 研究者らは、特定の用途に最適なものを決定するためのさらなる実験室テストを経て、潤滑剤とテクスチャリング方法を経て、このシステムはわずか 3 年で商業用途に使用できるようになるだろうと述べた。 この研究は MIT エネルギー イニシアチブによって支援されました。
投稿時間: 2021 年 12 月 8 日
