Być może widziałeś to w naczyniach kuchennych lub starych rurach wodociągowych: twarda, bogata w minerały woda z czasem pozostawi łuszczący się osad. Występuje nie tylko w rurach i naczyniach kuchennych w domu, ale także w rurach i zaworach transportujących ropę naftową i gaz ziemny oraz rurach transportujących wodę chłodzącą w elektrowniach. Powszechnie wiadomo, że kamień może powodować nieefektywność, przestoje i problemy z konserwacją. W przemyśle naftowym i gazowym kamień czasami prowadzi do całkowitego zamknięcia działających odwiertów, przynajmniej tymczasowo. Dlatego rozwiązanie tego problemu może przynieść ogromne korzyści. Teraz zespół badaczy z MIT znalazł potencjalne rozwiązanie tego ogromnego, ale mało znanego problemu. Odkryli, że nowa obróbka powierzchni — obejmująca nanoteksturowanie powierzchni, a następnie nałożenie płynu smarującego — może zmniejszyć tempo tworzenia się kamienia co najmniej dziesięciokrotnie. W tym tygodniu wyniki badań opublikowano w czasopiśmie Journal of Advanced Materials Interface. Artykuł napisali doktorant Srinivas Subramanyam, doktorantka Gisele Azimi i Kripa Varanasi, profesor nadzwyczajny ds. wykorzystania morza na Wydziale Inżynierii Mechanicznej MIT. „Skalę można zobaczyć niemal wszędzie” – powiedział Varanasi. W domu osady te są przeważnie uciążliwe, natomiast w przemyśle mogą prowadzić do „zmniejszenia produktywności, a sposób ich usuwania może być szkodliwy dla środowiska”, zwykle wiążąc się z użyciem agresywnych środków chemicznych. W elektrowniach i zakładach odsalania kamień może powodować znaczne straty wydajności, ponieważ działa jako bariera termiczna i wpływa na chłodzenie lub kondensację w wymienniku ciepła. Problem pojawia się, ponieważ woda zazwyczaj zawiera dużo rozpuszczonych soli i minerałów. Zdolność wody do rozpuszczania tych substancji zależy od rozpuszczalności, więc jeśli woda ostygnie lub odparuje, roztwór może zostać przesycony: zawiera więcej rozpuszczonych substancji, niż może pomieścić, więc niektóre substancje zaczynają się wytrącać. Kiedy ciepłe i wilgotne powietrze nagle się ochładza po zetknięciu z zimniejszą powierzchnią, powoduje to zaparowanie zimnej szyby, co działa na tej samej zasadzie. W większości przypadków inżynierowie rozwiązują ten problem poprzez przeprojektowanie systemu, powiedział Varanasi: Należy użyć znacznie większej rury niż jest to konieczne, na przykład oczekuje się, że zanieczyszczenie spowoduje częściowe zablokowanie lub większą powierzchnię, w tym przypadku Wymiennik ciepła pod. Subramanyam zwraca uwagę, że problem ten nie jest nowy: „W starożytnych naczyniach kuchennych gromadzi się tego rodzaju nagromadzenie” – powiedział. „Nie mamy jeszcze dobrego rozwiązania”. Choć nie zostało to jeszcze udowodnione na skalę przemysłową, nowa metoda opracowana przez zespół MIT może mieć znaczący wpływ na szybkość powstawania kamienia, a w wielu przypadkach może go całkowicie uniemożliwić. Ich metoda wydaje się prosta: skuteczne nanoteksturowanie powierzchni i wypełnienie powstałej tekstury smarem. Tekstura zależy głównie od wielkości powstałych nierówności i rowków; dokładny kształt nie wydaje się mieć znaczenia. Dlatego do utworzenia tej tekstury można zastosować różne techniki, w tym nałożenie teksturowanej powłoki na powierzchnię lub chemiczne wytrawienie jej na miejscu. Naukowcy opisali także proces wyboru odpowiedniego smaru, który nie tylko zwiększa barierę energetyczną utworzoną przez kamień, ale także rozprzestrzenia się na teksturowane ciała stałe, czyniąc powierzchnię „gładką” i ograniczając zarodkowanie, które może być wykorzystywane do tworzenia się kamienia. Strona. Poprzednie próby zapobiegania lub ograniczania tworzenia się kamienia zazwyczaj polegały na dodaniu powłoki (takiej jak teflon) na powierzchnię, aby zapobiec wiązaniu się z nią minerałów. Varanasi wyjaśnił, że problem związany z tą metodą polega na tym, że powłoki te ulegają zużyciu, podobnie jak powłoki patelni z powłoką nieprzywierającą często ulegają degradacji w miarę użytkowania. Powiedział, że nawet jeśli w powłoce znajduje się mały otwór, stanowi on miejsce, w którym zaczyna się tworzyć kamień. Dzięki nowej metodzie, po utworzeniu nanotekstury na powierzchni, na powierzchnię nakłada się olej lub inny płyn smarujący. Varanasi powiedział, że maleńkie rowki w skali nano wychwytują tę ciecz i utrzymują ją mocno na miejscu dzięki działaniu kapilarnemu. W przeciwieństwie do stałych powłok nieprzywierających, ciecz może przepływać, wypełniając wszelkie szczeliny, rozprowadzać się po teksturze powierzchni, a jeśli część zostanie zmyta, można ją uzupełniać w sposób ciągły. „Nawet w przypadku uszkodzenia mechanicznego smar może powrócić na tę powierzchnię” – powiedział Subramanyam. „Potrafi zachować gładkość przez długi czas.” Ponieważ ta warstwa smarująca jest bardzo cienka – ma tylko kilkaset nanometrów grubości – wystarczy niewielka ilość smaru, aby chronić powierzchnię przez dziesięciolecia. Varanasi powiedział, że zbiornik wbudowany w odcinek rurociągu może zapewnić smarowanie przez cały okres eksploatacji sprzętu. W przypadku rurociągów naftowych „smar już istnieje”, olej wychwycony przez teksturę powierzchni może chronić powierzchnię rurociągu. Jurgen Rühe, kierownik Laboratorium Chemii i Fizyki Interfejsu na Uniwersytecie we Fryburgu, nie był zaangażowany w badania, twierdząc, że reprezentują one „bardzo ważne odkrycia i ważny postęp naukowy”. Nazwał opracowaną przez zespół metodę ograniczania tworzenia się kamienia „nową i kreatywną” i stwierdził, że „może mieć potencjalny wpływ na wszystkie obszary, w których podgrzewana jest woda i wytwarzana jest para”. Naukowcy stwierdzili, że po dalszych testach laboratoryjnych w celu określenia najlepszego rozwiązania dla konkretnego zastosowania. Po zastosowaniu metod smarowania i teksturowania system może być gotowy do komercyjnego zastosowania w ciągu zaledwie trzech lat. Prace te były wspierane przez Inicjatywę Energetyczną MIT.
Czas publikacji: 8 grudnia 2021 r
