Du kanske har sett det i köksredskap eller gamla vattenrör: hårt, mineralrikt vatten kommer att lämna fjällande avlagringar med tiden. Det förekommer inte bara i rör och köksredskap hemma, utan även i rör och ventiler som transporterar olja och naturgas, och rör som transporterar kylvatten i kraftverk. Det är välkänt att skalan kan orsaka ineffektivitet, stillestånd och underhållsproblem. Inom olje- och gasindustrin leder skala ibland till fullständig stängning av operativa brunnar, åtminstone tillfälligt. Att lösa detta problem kan därför ge enorma belöningar. Nu har ett team av MIT-forskare kommit med en potentiell lösning på detta enorma men föga kända problem. De fann att en ny ytbehandling - inklusive nano-texturering av ytan och sedan applicering av smörjvätska - kan minska hastigheten för skalbildning med minst tio gånger. Denna vecka publicerades resultaten av forskningen i Journal of Advanced Materials Interface. Uppsatsen skrevs av doktoranden Srinivas Subramanyam, postdoktor Gisele Azimi och Kripa Varanasi, docent i marin användning vid avdelningen för maskinteknik vid MIT. "Du kan se [skala] nästan var som helst," sa Varanasi. I hemmet är dessa avlagringar mest ett irritationsmoment, men inom industrin kan de leda till "produktivitetsminskning, och metoden att ta bort [dem] kan vara skadlig för miljön", vanligtvis med användning av starka kemikalier. I kraftverk och avsaltningsanläggningar kan kalksten orsaka betydande effektivitetsförluster eftersom det fungerar som en termisk barriär och påverkar kylning eller kondensation i värmeväxlaren. Problemet uppstår eftersom vatten vanligtvis innehåller mycket lösta salter och mineraler. Vattnets förmåga att lösa upp dessa ämnen beror på lösligheten, så om vattnet svalnar eller avdunstar kan lösningen bli övermättad: den innehåller mer lösta ämnen än den kan hålla, så vissa ämnen börjar falla ut. När den varma och fuktiga luften plötsligt svalnar när den möter en kallare yta kommer det att orsaka imma på det kalla glaset, vilket är samma princip. I de flesta fall löser ingenjörer detta problem genom att överdesigna systemet, sa Varanasi: Använd ett mycket större rör än vad som behövs, till exempel förväntas det att nedsmutsning kommer att orsaka partiell blockering, eller en större yta, i detta fall värmeväxlare under. Subramanyam påpekar att detta problem inte är nytt: "Forntida matlagningsredskap har den här typen av ackumulering," sa han. "Vi har ingen bra lösning än." Även om det ännu inte har bevisats i industriell skala, kan den nya metoden som utvecklats av MIT-teamet ha en betydande inverkan på hastigheten för skalbildning, och i många fall kan den förhindra det helt. Deras metod låter enkel: effektivt nanotexturera ytan och fylla den resulterande texturen med ett smörjmedel. Strukturen beror huvudsakligen på storleken på de knölar och spår som produceras; den exakta formen verkar inte spela någon roll. Därför kan en mängd olika tekniker användas för att skapa denna textur, inklusive applicering av en texturerad beläggning på ytan eller kemisk etsning av den på plats. Forskarna beskrev också en process för att välja ett lämpligt smörjmedel som inte bara ökar energibarriären som bildas av beläggningar, utan också sprider sig till strukturerade fasta ämnen, vilket gör ytan "len" och minskar kärnbildning som kan användas för beläggningsbildning. Webbplats. Tidigare försök att förhindra eller minska beläggningsbildning innebär vanligtvis att man lägger till en beläggning (som teflon) på ytan för att förhindra att mineraler binder till den. Varanasi förklarade att problemet med denna metod är att dessa beläggningar slits ut, precis som beläggningarna på stekpannor med non-stick ofta försämras vid användning. Han sa att även om det finns ett litet hål i beläggningen, ger det en plats för skalan att börja bildas. Med den nya metoden appliceras olja eller annan smörjvätska på ytan när nanotexturen väl har bildats på ytan. Varanasi sa att små nanoskaliga spår fångar upp denna vätska och håller den stadigt på plats genom kapillärverkan. Till skillnad från fasta non-stick-beläggningar kan vätska rinna för att fylla eventuella luckor, spridas på ytstrukturen, och om en del tvättas bort kan den fyllas på kontinuerligt. "Även om det finns mekanisk skada kan smörjmedlet återvända till den ytan," sa Subramanyam. "Den kan behålla sin jämnhet under lång tid." Eftersom detta smörjskikt är mycket tunt - bara några hundra nanometer tjockt - kräver det bara en liten mängd smörjmedel för att skydda en yta i årtionden. Varanasi sa att en reservoar byggd i en del av rörledningen kan ge smörjning under hela utrustningens livslängd. När det gäller oljeledningar, "smörjmedel finns redan", oljan som fångas upp av ytstrukturen kan skydda rörledningens yta. Jurgen Rühe, chef för Laboratory of Interface Chemistry and Physics vid University of Freiburg, var inte involverad i studien och sa att den representerar "mycket viktiga upptäckter och viktiga vetenskapliga framsteg." Han kallade lagets metod för att minska skalbildning "ny och kreativ" och sa "det kan ha en potentiell inverkan på alla områden där vatten värms upp och ånga genereras." Forskarna sa att efter ytterligare laboratorietester för att bestämma det bästa för en viss applikation. Efter smörjmedel och textureringsmetoder kan systemet vara redo för kommersiell användning på bara tre år. Detta arbete stöddes av MIT Energy Initiative.
Posttid: 2021-08-08
