Du har kanskje sett det i kjøkkenutstyr eller gamle vannrør: hardt, mineralrikt vann vil etterlate skjellende avleiringer over tid. Det forekommer ikke bare i rør og kokekar hjemme, men også i rør og ventiler som transporterer olje og naturgass, og rør som transporterer kjølevann i kraftverk. Det er velkjent at skala kan forårsake ineffektivitet, nedetid og vedlikeholdsproblemer. I olje- og gassindustrien fører stordrift noen ganger til fullstendig stenging av driftsbrønner, i det minste midlertidig. Derfor kan det å løse dette problemet gi store belønninger. Nå har et team av MIT-forskere kommet opp med en potensiell løsning på dette enorme, men lite kjente problemet. De fant at en ny overflatebehandling - inkludert nano-teksturering av overflaten og deretter påføring av smørevæske - kan redusere hastigheten på kalkdannelse med minst ti ganger. Denne uken ble resultatene av forskningen publisert i Journal of Advanced Materials Interface. Oppgaven ble skrevet av doktorgradsstudent Srinivas Subramanyam, postdoktor Gisele Azimi, og Kripa Varanasi, førsteamanuensis i marin utnyttelse ved Institutt for maskinteknikk ved MIT. "Du kan se [skala] nesten hvor som helst," sa Varanasi. I hjemmet er disse avleiringene for det meste et irritasjonsmoment, men i industrien kan de føre til «produktivitetsreduksjon, og metoden for å fjerne [dem] kan være skadelig for miljøet», vanligvis med bruk av sterke kjemikalier. I kraftverk og avsaltingsanlegg kan kalk forårsake betydelige effektivitetstap fordi det fungerer som en termisk barriere og påvirker kjøling eller kondensering i varmeveksleren. Problemet oppstår fordi vann vanligvis inneholder mye oppløste salter og mineraler. Vannets evne til å løse opp disse stoffene avhenger av løseligheten, så hvis vannet avkjøles eller fordamper, kan løsningen bli overmettet: den inneholder flere oppløste stoffer enn den kan holde, så noen stoffer begynner å felle ut. Når den varme og fuktige luften plutselig avkjøles når den møter en kaldere overflate, vil det føre til dugg på det kalde glasset, som er samme prinsipp. I de fleste tilfeller løser ingeniører dette problemet ved å overdesigne systemet, sa Varanasi: Bruk et mye større rør enn nødvendig, for eksempel forventes det at begroing vil forårsake delvis blokkering, eller et større overflateareal, i dette tilfellet varmeveksler under. Subramanyam påpeker at dette problemet ikke er nytt: "Gamle kokekar har denne typen opphopning," sa han. – Vi har ingen god løsning ennå. Selv om det ennå ikke er bevist i industriell skala, kan den nye metoden utviklet av MIT-teamet ha en betydelig innvirkning på hastigheten på skaladannelse, og i mange tilfeller kan den forhindre den fullstendig. Metoden deres høres enkel ut: effektivt nanoteksturere overflaten og fylle den resulterende teksturen med et smøremiddel. Teksturen avhenger hovedsakelig av størrelsen på ujevnheter og riller som produseres; den nøyaktige formen ser ikke ut til å ha noen betydning. Derfor kan en rekke teknikker brukes for å lage denne teksturen, inkludert å påføre et teksturert belegg på overflaten eller kjemisk etse det på plass. Forskerne beskrev også en prosess for å velge et passende smøremiddel som ikke bare øker energibarrieren som dannes av belegg, men også sprer seg til teksturerte faste stoffer, noe som gjør overflaten "glatt" og reduserer kjernedannelse som kan brukes til beleggdannelse. Nettstedet. Tidligere forsøk på å forhindre eller redusere beleggdannelse involverer vanligvis å legge til et belegg (som Teflon) på overflaten for å forhindre at mineraler binder seg til den. Varanasi forklarte at problemet med denne metoden er at disse beleggene slites ut, akkurat som beleggene på non-stick stekepanner ofte brytes ned ved bruk. Han sa at selv om det er et lite hull i belegget, gir det et sted for belegg å begynne å dannes. Ved å bruke den nye metoden, når nanoteksturen er dannet på overflaten, påføres olje eller annen smørevæske på overflaten. Varanasi sa at bittesmå riller i nanoskala fanger denne væsken og holder den fast på plass gjennom kapillærvirkning. I motsetning til faste non-stick-belegg, kan væske flyte for å fylle eventuelle hull, spre seg på overflateteksturen, og hvis noe blir vasket bort, kan det etterfylles kontinuerlig. "Selv om det er mekanisk skade, kan smøremidlet gå tilbake til overflaten," sa Subramanyam. "Den kan opprettholde jevnheten i lang tid." Fordi dette smørelaget er veldig tynt - bare noen få hundre nanometer tykt - krever det bare en liten mengde smøremiddel for å beskytte en overflate i flere tiår. Varanasi sa at et reservoar bygget i en del av rørledningen kan gi smøring gjennom hele utstyrets levetid. Når det gjelder oljerørledninger, "smøremiddel finnes allerede", kan oljen som fanges opp av overflateteksturen beskytte overflaten av rørledningen. Jurgen Rühe, leder for Laboratory of Interface Chemistry and Physics ved Universitetet i Freiburg, var ikke involvert i studien, og sa at den representerer "veldig viktige oppdagelser og viktige vitenskapelige fremskritt." Han kalte lagets metode for å redusere skaladannelse "ny og kreativ" og sa "den kan ha en potensiell innvirkning på alle områder der vann varmes opp og damp genereres." Forskerne sa at etter ytterligere laboratorietester for å bestemme det beste for en bestemt applikasjon. Etter smøremiddel- og tekstureringsmetodene, kan systemet være klart for kommersiell bruk på bare tre år. Dette arbeidet ble støttet av MIT Energy Initiative.
Innleggstid: Des-08-2021
