Je hebt het misschien wel eens gezien in keukengerei of oude waterleidingen: hard, mineraalrijk water zal na verloop van tijd schilferige afzettingen achterlaten. Het komt niet alleen voor in leidingen en kookgerei thuis, maar ook in leidingen en kleppen die olie en aardgas transporteren, en leidingen die koelwater in elektriciteitscentrales transporteren. Het is bekend dat schaalgrootte inefficiëntie, downtime en onderhoudsproblemen kan veroorzaken. In de olie- en gasindustrie leidt schaalgrootte soms tot volledige sluiting van operationele bronnen, althans tijdelijk. Daarom kan het oplossen van dit probleem enorme voordelen opleveren. Nu heeft een team van MIT-onderzoekers een mogelijke oplossing bedacht voor dit enorme maar weinig bekende probleem. Ze ontdekten dat een nieuwe oppervlaktebehandeling – inclusief nanotextuur van het oppervlak en vervolgens het aanbrengen van smeervloeistof – de snelheid van kalkvorming met minstens tien keer kan verminderen. Deze week zijn de resultaten van het onderzoek gepubliceerd in het Journal of Advanced Materials Interface. Het artikel is geschreven door afgestudeerde student Srinivas Subramanyam, postdoctoraal onderzoeker Gisele Azimi, en Kripa Varanasi, universitair hoofddocent maritiem gebruik bij de afdeling Werktuigbouwkunde van het MIT. "Je kunt [schaal] bijna overal zien", zei Varanasi. In huis zijn deze afzettingen meestal hinderlijk, maar in de industrie kunnen ze leiden tot “productiviteitsvermindering, en de methode om deze te verwijderen kan schadelijk zijn voor het milieu”, waarbij meestal agressieve chemicaliën worden gebruikt. In elektriciteitscentrales en ontziltingsinstallaties kan kalkaanslag aanzienlijke efficiëntieverliezen veroorzaken, omdat het als een thermische barrière fungeert en de koeling of condensatie in de warmtewisselaar beïnvloedt. Het probleem ontstaat omdat water meestal veel opgeloste zouten en mineralen bevat. Het vermogen van water om deze stoffen op te lossen hangt af van de oplosbaarheid, dus als het water afkoelt of verdampt, kan de oplossing oververzadigd raken: het bevat meer opgeloste stoffen dan het kan bevatten, waardoor sommige stoffen beginnen neer te slaan. Wanneer de warme en vochtige lucht plotseling afkoelt wanneer deze een kouder oppervlak tegenkomt, zal dit condensatie op het koude glas veroorzaken, wat hetzelfde principe is. In de meeste gevallen lossen ingenieurs dit probleem op door het systeem te overmatig te ontwerpen, zei Varanasi: Gebruik een veel grotere pijp dan nodig is. Er wordt bijvoorbeeld verwacht dat vervuiling een gedeeltelijke verstopping zal veroorzaken, of een groter oppervlak, in dit geval Warmtewisselaar onder. Subramanyam wijst erop dat dit probleem niet nieuw is: “Oude kookgerei heeft dit soort accumulatie”, zei hij. “We hebben nog geen goede oplossing.” Hoewel het nog moet worden bewezen op industriële schaal, kan de nieuwe methode die door het MIT-team is ontwikkeld een aanzienlijke impact hebben op de snelheid van schaalvorming, en deze in veel gevallen zelfs volledig voorkomen. Hun methode klinkt eenvoudig: het oppervlak effectief nanotexturen geven en de resulterende textuur vullen met een smeermiddel. De textuur hangt vooral af van de grootte van de geproduceerde hobbels en groeven; de precieze vorm lijkt er niet toe te doen. Daarom kan een verscheidenheid aan technieken worden gebruikt om deze textuur te creëren, waaronder het aanbrengen van een getextureerde coating op het oppervlak of het chemisch op zijn plaats etsen. De onderzoekers beschreven ook een proces voor het selecteren van een geschikt smeermiddel dat niet alleen de door aanslag gevormde energiebarrière vergroot, maar zich ook verspreidt naar gestructureerde vaste stoffen, waardoor het oppervlak “glad” wordt en kiemvorming wordt verminderd die kan worden gebruikt voor aanslagvorming. Locatie. Eerdere pogingen om kalkaanslag te voorkomen of te verminderen, omvatten meestal het aanbrengen van een coating (zoals teflon) op het oppervlak om te voorkomen dat mineralen zich eraan binden. Varanasi legde uit dat het probleem met deze methode is dat deze coatings verslijten, net zoals de coatings op braadpannen met antiaanbaklaag vaak verslechteren door gebruik. Hij zei dat zelfs als er een klein gaatje in de coating zit, dit een plek biedt waar kalk zich kan vormen. Met behulp van de nieuwe methode wordt, zodra de nanotextuur op het oppervlak is gevormd, olie of een andere smeervloeistof op het oppervlak aangebracht. Varanasi zei dat kleine groeven op nanoschaal deze vloeistof opvangen en stevig op hun plaats houden door middel van capillaire werking. In tegenstelling tot vaste antiaanbaklagen kan vloeistof stromen om eventuele gaten op te vullen, zich over de oppervlaktetextuur verspreiden en als een deel wordt weggespoeld, kan dit continu worden bijgevuld. "Zelfs als er mechanische schade is, kan het smeermiddel naar dat oppervlak terugkeren", zei Subramanyam. "Het kan zijn gladheid lange tijd behouden." Omdat deze smeerlaag erg dun is – slechts een paar honderd nanometer dik – is er slechts een kleine hoeveelheid smeermiddel nodig om een oppervlak tientallen jaren te beschermen. Varanasi zei dat een reservoir dat in een deel van de pijpleiding is gebouwd, gedurende de hele levensduur van de apparatuur voor smering kan zorgen. In het geval van oliepijpleidingen “bestaat er al smeermiddel”, kan de olie die door de oppervlaktetextuur wordt opgevangen het oppervlak van de pijpleiding beschermen. Jurgen Rühe, hoofd van het Laboratorium voor Interface Scheikunde en Natuurkunde aan de Universiteit van Freiburg, was niet betrokken bij het onderzoek en zei dat het ‘zeer belangrijke ontdekkingen en belangrijke wetenschappelijke vooruitgang’ vertegenwoordigt. Hij noemde de methode van het team om de vorming van kalkaanslag te verminderen “nieuw en creatief” en zei dat “het een potentiële impact kan hebben op alle gebieden waar water wordt verwarmd en stoom wordt gegenereerd.” De onderzoekers zeiden dat na verdere laboratoriumtests om het beste voor een bepaalde toepassing te bepalen. Na de smeermiddel- en textuurmethoden kan het systeem in slechts drie jaar klaar zijn voor commerciële toepassing. Dit werk werd ondersteund door het MIT Energy Initiative.
Posttijd: 08-dec-2021
