주방 조리기구나 오래된 수도관에서 본 적이 있을 것입니다. 미네랄이 풍부한 경수는 시간이 지남에 따라 비늘 모양의 침전물을 남깁니다. 가정에 있는 배관이나 조리기구뿐만 아니라 석유와 천연가스를 운반하는 배관과 밸브, 발전소의 냉각수를 운반하는 배관에서도 발생합니다. 규모가 비효율성, 가동 중지 시간 및 유지 관리 문제를 일으킬 수 있다는 것은 잘 알려져 있습니다. 석유 및 가스 산업에서는 규모로 인해 운영 중인 유정이 적어도 일시적으로 완전히 폐쇄되는 경우가 있습니다. 따라서 이 문제를 해결하면 엄청난 보상을 얻을 수 있습니다. 이제 MIT 연구팀은 거대하지만 잘 알려지지 않은 이 문제에 대한 잠재적인 해결책을 제시했습니다. 그들은 표면의 나노 텍스처링과 윤활유 도포를 포함한 새로운 표면 처리가 스케일 형성 속도를 최소 10배 이상 줄일 수 있다는 것을 발견했습니다. 이번 주 연구 결과는 Journal of Advanced Materials Interface에 게재되었습니다. 이 논문은 대학원생 Srinivas Subramanyam, 박사후 연구원 Gisele Azimi, MIT 기계공학과 해양 활용 부교수 Kripa Varanasi가 작성했습니다. Varanasi는 "거의 모든 곳에서 [규모]를 볼 수 있습니다"라고 말했습니다. 가정에서는 이러한 침전물이 대부분 성가신 일이지만, 산업계에서는 일반적으로 독한 화학 물질을 사용하는 등 "생산성 감소 및 제거 방법이 환경에 해로울 수 있습니다"로 이어질 수 있습니다. 발전소와 담수화 플랜트에서 스케일은 열 장벽 역할을 하고 열 교환기의 냉각 또는 응축에 영향을 미치기 때문에 상당한 효율성 손실을 초래할 수 있습니다. 문제는 일반적으로 물에 용해된 염분과 미네랄이 많이 포함되어 있기 때문에 발생합니다. 이러한 물질을 용해하는 물의 능력은 용해도에 따라 달라집니다. 따라서 물이 냉각되거나 증발하면 용액이 과포화될 수 있습니다. 용액에는 수용할 수 있는 것보다 더 많은 용해된 물질이 포함되어 있어 일부 물질이 침전되기 시작합니다. 따뜻하고 습한 공기가 더 차가운 표면을 만나 갑자기 냉각되면 차가운 유리에 김이 서리게 되는데, 이는 동일한 원리입니다. 대부분의 경우 엔지니어는 시스템을 과도하게 설계하여 이 문제를 해결한다고 Varanasi는 말했습니다. 필요한 것보다 훨씬 더 큰 파이프를 사용하십시오. 예를 들어 오염으로 인해 부분적인 막힘이 발생하거나 이 경우 더 넓은 표면적이 발생할 것으로 예상됩니다. 열 교환기 아래에. Subramanyam은 이 문제가 새로운 것이 아니라고 지적합니다. “고대 조리 도구에는 이런 종류의 축적이 있었습니다.”라고 그는 말했습니다. “아직 좋은 해결책이 없습니다.” 아직 산업적 규모로 입증되지는 않았지만 MIT팀이 개발한 새로운 방법은 스케일 형성 속도에 큰 영향을 미칠 수 있으며, 많은 경우 이를 완전히 방지할 수도 있다. 그들의 방법은 간단해 보입니다. 표면을 효과적으로 나노텍스처링하고 결과 텍스처를 윤활제로 채우는 것입니다. 텍스처는 주로 생성된 범프와 홈의 크기에 따라 달라집니다. 정확한 모양은 중요하지 않은 것 같습니다. 따라서 표면에 텍스처 코팅을 적용하거나 화학적으로 에칭하는 등 다양한 기술을 사용하여 이 텍스처를 만들 수 있습니다. 연구원들은 또한 스케일에 의해 형성된 에너지 장벽을 증가시킬 뿐만 아니라 질감이 있는 고체로 확산되어 표면을 "매끄럽게" 만들고 스케일 형성에 사용할 수 있는 핵 생성을 줄이는 적합한 윤활제를 선택하는 과정을 설명했습니다. 대지. 스케일 형성을 방지하거나 줄이기 위한 이전의 시도에는 일반적으로 미네랄이 표면에 결합하는 것을 방지하기 위해 표면에 코팅(예: 테프론)을 추가하는 것이 포함되었습니다. Varanasi는 이 방법의 문제점은 들러붙지 않는 프라이팬의 코팅이 사용함에 따라 품질이 저하되는 것처럼 이러한 코팅이 마모된다는 것이라고 설명했습니다. 그는 코팅에 작은 구멍이 있어도 스케일이 형성되기 시작하는 장소를 제공한다고 말했습니다. 새로운 방식은 표면에 나노 텍스처가 형성된 후 오일이나 기타 윤활유를 표면에 도포하는 방식이다. Varanasi는 작은 나노 크기의 홈이 이 액체를 포착하고 모세관 현상을 통해 제자리에 단단히 고정한다고 말했습니다. 고체 논스틱 코팅과 달리 액체가 흐르면서 틈을 메울 수 있고, 표면 질감에 퍼지며, 일부가 씻겨 나가면 지속적으로 보충할 수 있습니다. Subramanyam은 "기계적 손상이 있어도 윤활유는 해당 표면으로 돌아갈 수 있습니다."라고 말했습니다. “부드러움을 오랫동안 유지할 수 있어요.” 이 윤활층은 매우 얇기 때문에(두께가 수백 나노미터에 불과) 수십 년 동안 표면을 보호하는 데 소량의 윤활제가 필요합니다. 바라나시는 파이프라인의 한 부분에 설치된 저장소가 장비의 수명 내내 윤활을 제공할 수 있다고 말했습니다. 송유관의 경우 "윤활유가 이미 존재합니다" 표면 질감에 포착된 오일이 파이프라인 표면을 보호할 수 있습니다. 프라이부르크 대학교 인터페이스 화학 및 물리학 연구소 소장인 위르겐 뤼에(Jurgen Rühe)는 이번 연구에 참여하지 않았으며 "매우 중요한 발견과 중요한 과학적 발전"을 의미한다고 말했습니다. 그는 스케일 형성을 줄이는 팀의 방법을 "새롭고 창의적"이라고 부르며 "물이 가열되고 증기가 생성되는 모든 영역에 잠재적인 영향을 미칠 수 있다"고 말했습니다. 연구원들은 특정 응용 분야에 가장 적합한 것을 결정하기 위한 추가 실험실 테스트를 거친 후 윤활제 및 질감 처리 방법을 거친 후 단 3년 안에 시스템을 상업적으로 적용할 준비가 될 수 있다고 말했습니다. 이 작업은 MIT 에너지 이니셔티브(MIT Energy Initiative)의 지원을 받았습니다.
게시 시간: 2021년 12월 8일
