Anda mungkin pernah melihatnya dalam alat memasak dapur atau paip air lama: air yang keras dan kaya dengan mineral akan meninggalkan mendapan bersisik dari semasa ke semasa. Ia berlaku bukan sahaja dalam paip dan peralatan memasak di rumah, tetapi juga dalam paip dan injap yang mengangkut minyak dan gas asli, dan paip yang mengangkut air penyejuk di loji kuasa. Adalah diketahui umum bahawa skala boleh menyebabkan ketidakcekapan, masa henti dan masalah penyelenggaraan. Dalam industri minyak dan gas, skala kadangkala membawa kepada penutupan sepenuhnya telaga operasi, sekurang-kurangnya buat sementara waktu. Oleh itu, menyelesaikan masalah ini mungkin membawa ganjaran yang besar. Kini, satu pasukan penyelidik MIT telah menghasilkan penyelesaian yang berpotensi untuk masalah besar tetapi kurang diketahui ini. Mereka mendapati bahawa rawatan permukaan baharu—termasuk tekstur nano permukaan dan kemudian menggunakan cecair pelincir—boleh mengurangkan kadar pembentukan skala sekurang-kurangnya sepuluh kali ganda. Minggu ini, hasil penyelidikan diterbitkan dalam Journal of Advanced Materials Interface. Kertas itu ditulis oleh pelajar siswazah Srinivas Subramanyam, rakan pasca doktoral Gisele Azimi, dan Kripa Varanasi, profesor madya penggunaan marin di Jabatan Kejuruteraan Mekanikal di MIT. "Anda boleh melihat [skala] hampir di mana-mana," kata Varanasi. Di rumah, deposit ini kebanyakannya menjengkelkan, tetapi dalam industri, ia boleh membawa kepada "pengurangan produktiviti, dan kaedah mengalih keluar [mereka] mungkin berbahaya kepada alam sekitar", biasanya melibatkan penggunaan bahan kimia yang keras. Dalam loji kuasa dan loji penyahgaraman, skala boleh menyebabkan kehilangan kecekapan yang ketara kerana ia bertindak sebagai penghalang haba dan menjejaskan penyejukan atau pemeluwapan dalam penukar haba. Masalah timbul kerana air biasanya mengandungi banyak garam dan mineral terlarut. Keupayaan air untuk melarutkan bahan-bahan ini bergantung pada keterlarutan, jadi jika air menyejuk atau menyejat, larutan mungkin menjadi terlalu tepu: ia mengandungi lebih banyak bahan terlarut daripada yang boleh dipegang, jadi sesetengah bahan mula memendakan keluar. Apabila udara panas dan lembap tiba-tiba menyejuk apabila ia bertemu dengan permukaan yang lebih sejuk, ia akan menyebabkan pengabusan pada kaca sejuk, yang merupakan prinsip yang sama. Dalam kebanyakan kes, jurutera menyelesaikan masalah ini dengan mereka bentuk sistem secara berlebihan, Varanasi berkata: Gunakan paip yang jauh lebih besar daripada yang diperlukan, contohnya, ia dijangka bahawa kekotoran akan menyebabkan tersumbat separa, atau kawasan permukaan yang lebih besar, dalam kes ini Penukar haba bawah. Subramanyam menegaskan bahawa masalah ini bukan baru: "Perkakas memasak kuno mempunyai pengumpulan seperti ini," katanya. "Kami belum mempunyai penyelesaian yang baik." Walaupun ia masih belum dibuktikan pada skala perindustrian, kaedah baharu yang dibangunkan oleh pasukan MIT mungkin mempunyai kesan yang ketara terhadap kelajuan pembentukan skala, dan dalam banyak kes mungkin menghalangnya sepenuhnya. Kaedah mereka kedengaran mudah: secara berkesan nanotekstur permukaan dan mengisi tekstur yang terhasil dengan pelincir. Tekstur terutamanya bergantung pada saiz benjolan dan alur yang dihasilkan; bentuk yang tepat nampaknya tidak penting. Oleh itu, pelbagai teknik boleh digunakan untuk mencipta tekstur ini-termasuk menggunakan salutan bertekstur pada permukaan atau mengetsa secara kimia pada tempatnya. Para penyelidik juga menerangkan proses untuk memilih pelincir yang sesuai yang bukan sahaja meningkatkan halangan tenaga yang dibentuk oleh skala, tetapi juga merebak ke pepejal bertekstur, menjadikan permukaan "licin" dan mengurangkan nukleasi yang boleh digunakan untuk pembentukan skala. Tapak. Percubaan sebelum ini untuk menghalang atau mengurangkan pembentukan skala biasanya melibatkan penambahan salutan (seperti Teflon) ke permukaan untuk mengelakkan mineral daripada mengikatnya. Varanasi menjelaskan bahawa masalah dengan kaedah ini ialah salutan ini haus, sama seperti salutan pada kuali tidak melekat sering rosak apabila digunakan. Beliau berkata, walaupun terdapat lubang kecil pada salutan, ia menyediakan tempat untuk skala mula terbentuk. Menggunakan kaedah baharu, sebaik sahaja tekstur nano terbentuk pada permukaan, minyak atau cecair pelincir lain digunakan pada permukaan. Varanasi berkata bahawa alur berskala nano kecil menangkap cecair ini dan menahannya dengan kuat melalui tindakan kapilari. Tidak seperti salutan tidak lekat pepejal, cecair boleh mengalir untuk mengisi sebarang celah, merebak pada tekstur permukaan, dan jika ada yang dihanyutkan, ia boleh diisi semula secara berterusan. "Walaupun terdapat kerosakan mekanikal, pelincir boleh kembali ke permukaan itu," kata Subramanyam. "Ia boleh mengekalkan kelancarannya untuk masa yang lama." Oleh kerana lapisan pelincir ini sangat nipis—hanya beberapa ratus nanometer tebal—ia hanya memerlukan sejumlah kecil pelincir untuk melindungi permukaan selama beberapa dekad. Varanasi berkata, takungan yang dibina di bahagian saluran paip boleh memberikan pelinciran sepanjang hayat peralatan. Dalam kes saluran paip minyak, "pelincir sudah wujud", minyak yang ditangkap oleh tekstur permukaan boleh melindungi permukaan saluran paip. Jurgen Rühe, ketua Makmal Kimia Antara Muka dan Fizik di Universiti Freiburg, tidak terlibat dalam kajian itu, mengatakan bahawa ia mewakili "penemuan yang sangat penting dan kemajuan saintifik yang penting." Dia memanggil kaedah pasukan untuk mengurangkan pembentukan skala "baru dan kreatif" dan berkata "ia mungkin mempunyai kesan yang berpotensi pada semua kawasan di mana air dipanaskan dan wap dihasilkan." Para penyelidik berkata bahawa selepas ujian makmal lanjut untuk menentukan yang terbaik untuk aplikasi tertentu Selepas kaedah pelincir dan tekstur, sistem boleh bersedia untuk aplikasi komersial dalam masa tiga tahun sahaja. Kerja ini disokong oleh Inisiatif Tenaga MIT.
Masa siaran: Dis-08-2021
