Возможно, вы видели это на кухонной посуде или старых водопроводных трубах: жесткая, богатая минералами вода со временем оставляет чешуйчатые отложения. Это происходит не только в трубах и кухонной утвари дома, но также в трубах и клапанах, по которым транспортируется нефть и природный газ, а также в трубах, по которым транспортируется охлаждающая вода на электростанциях. Хорошо известно, что масштабы могут привести к неэффективности, простоям и проблемам с обслуживанием. В нефтегазовой отрасли накипь иногда приводит к полному закрытию действующих скважин, по крайней мере временно. Поэтому решение этой проблемы может принести огромную награду. Теперь команда исследователей Массачусетского технологического института нашла потенциальное решение этой огромной, но малоизвестной проблемы. Они обнаружили, что новая обработка поверхности, включающая нанотекстурирование поверхности и последующее нанесение смазочной жидкости, может снизить скорость образования накипи как минимум в десять раз. На этой неделе результаты исследования были опубликованы в журнале Journal of Advanced Materials Interface. Статья была написана аспирантом Шринивасом Субраманьямом, научным сотрудником Жизель Азими и Крипой Варанаси, доцентом морского использования на факультете машиностроения Массачусетского технологического института. «Вы можете увидеть [масштаб] практически где угодно», — сказал Варанаси. В быту эти отложения в основном раздражают, но в промышленности они могут привести к «снижению производительности, а метод [их] удаления может быть вредным для окружающей среды», обычно связанный с использованием агрессивных химикатов. На электростанциях и опреснительных установках накипь может привести к значительным потерям эффективности, поскольку она действует как тепловой барьер и влияет на охлаждение или конденсацию в теплообменнике. Проблема возникает потому, что вода обычно содержит много растворенных солей и минералов. Способность воды растворять эти вещества зависит от растворимости, поэтому, если вода охлаждается или испаряется, раствор может стать перенасыщенным: в нем содержится больше растворенных веществ, чем он может удержать, поэтому некоторые вещества начинают выпадать в осадок. Когда теплый и влажный воздух внезапно охлаждается при встрече с более холодной поверхностью, это вызывает запотевание холодного стекла, что происходит по тому же принципу. По словам Варанаси, в большинстве случаев инженеры решают эту проблему путем перепроектирования системы: «Используйте трубу гораздо большего размера, чем необходимо, например, ожидается, что засорение приведет к частичной закупорке или большей площади поверхности, в этом случае теплообменник». под. Субраманьям отмечает, что эта проблема не нова: «Древние кухонные принадлежности имеют такого рода накопления», — сказал он. «У нас пока нет хорошего решения». Хотя новый метод, разработанный командой Массачусетского технологического института, еще предстоит доказать в промышленном масштабе, он может оказать существенное влияние на скорость образования накипи, а во многих случаях может полностью предотвратить его. Их метод звучит просто: эффективное нанотекстурирование поверхности и заполнение полученной текстуры смазкой. Текстура в основном зависит от размера образующихся неровностей и бороздок; точная форма, похоже, не имеет значения. Поэтому для создания этой текстуры можно использовать различные методы, включая нанесение текстурированного покрытия на поверхность или химическое травление на месте. Исследователи также описали процесс выбора подходящей смазки, которая не только увеличивает энергетический барьер, образуемый накипью, но и распространяется на текстурированные твердые тела, делая поверхность «гладкой» и уменьшая образование зародышей, которые можно использовать для образования накипи. Сайт. Предыдущие попытки предотвратить или уменьшить образование накипи обычно включали нанесение на поверхность покрытия (например, тефлона), чтобы предотвратить связывание с ней минералов. Варанаси объяснил, что проблема этого метода в том, что эти покрытия изнашиваются, точно так же, как покрытия на сковородах с антипригарным покрытием часто разрушаются по мере использования. Он сказал, что даже если в покрытии есть небольшое отверстие, оно обеспечивает место для образования накипи. При использовании нового метода после образования нанотекстуры на поверхность наносится масло или другая смазочная жидкость. Варанаси сказал, что крошечные нано-бороздки захватывают эту жидкость и прочно удерживают ее на месте посредством капиллярного действия. В отличие от твердых антипригарных покрытий, жидкость может течь, заполняя любые зазоры, растекаться по текстуре поверхности, а если часть смывается, ее можно постоянно пополнять. «Даже если есть механическое повреждение, смазка может вернуться на эту поверхность», — сказал Субраманьям. «Он может сохранять гладкость в течение длительного времени». Поскольку этот смазочный слой очень тонкий — всего несколько сотен нанометров, — для защиты поверхности на десятилетия требуется лишь небольшое количество смазки. Варанаси заявил, что резервуар, построенный на участке трубопровода, может обеспечивать смазку на протяжении всего срока службы оборудования. В случае нефтепроводов «смазка уже существует», масло, захваченное текстурой поверхности, может защитить поверхность трубопровода. Юрген Рюэ, руководитель лаборатории химии и физики интерфейсов Фрайбургского университета, не участвовал в исследовании, заявив, что оно представляет собой «очень важные открытия и важные научные достижения». Он назвал метод команды по уменьшению образования накипи «новым и креативным» и сказал, что «он может оказать потенциальное влияние на все области, где нагревается вода и генерируется пар». Исследователи заявили, что после дальнейших лабораторных испытаний, чтобы определить лучшее для конкретного применения, после применения методов смазки и текстурирования, система может быть готова к коммерческому применению всего за три года. Эта работа была поддержана MIT Energy Initiative.
Время публикации: 08 декабря 2021 г.
