การรักษาพื้นผิวใหม่ป้องกันการสะสมของคราบหินปูน | ข่าวเอ็มไอที

คุณอาจเคยเห็นสิ่งนี้ในเครื่องครัวในครัวหรือท่อประปาเก่า น้ำกระด้างที่อุดมไปด้วยแร่ธาตุจะทิ้งคราบไว้ตามกาลเวลา มันเกิดขึ้นไม่เพียงแต่ในท่อและอุปกรณ์ทำอาหารที่บ้านเท่านั้น แต่ยังเกิดในท่อและวาล์วที่ขนส่งน้ำมันและก๊าซธรรมชาติ และท่อที่ขนส่งน้ำหล่อเย็นในโรงไฟฟ้า เป็นที่ทราบกันดีว่าขนาดอาจทำให้เกิดความไร้ประสิทธิภาพ การหยุดทำงาน และปัญหาในการบำรุงรักษา ในอุตสาหกรรมน้ำมันและก๊าซ บางครั้งขนาดอาจนำไปสู่การปิดหลุมปฏิบัติการโดยสมบูรณ์ อย่างน้อยก็ชั่วคราว ดังนั้นการแก้ปัญหานี้อาจนำมาซึ่งผลตอบแทนมหาศาล ขณะนี้ ทีมนักวิจัยของ MIT ได้คิดวิธีแก้ปัญหาที่เป็นไปได้สำหรับปัญหาใหญ่แต่ไม่ค่อยมีใครรู้จักนี้ พวกเขาพบว่าการรักษาพื้นผิวแบบใหม่ ซึ่งรวมถึงการสร้างพื้นผิวระดับนาโน จากนั้นจึงใช้ของเหลวหล่อลื่น สามารถลดอัตราการเกิดตะกรันได้อย่างน้อยสิบเท่า สัปดาห์นี้ ผลการวิจัยได้รับการตีพิมพ์ใน Journal of Advanced Materials Interface บทความนี้เขียนโดยนักศึกษาระดับบัณฑิตศึกษา Srinivas Subramanyam เพื่อนนักศึกษาหลังปริญญาเอก Gisele Azimi และ Kripa Varanasi รองศาสตราจารย์ด้านการใช้ทางทะเลในภาควิชาวิศวกรรมเครื่องกลที่ MIT “คุณสามารถเห็น [สเกล] ได้เกือบทุกที่” พาราณสีกล่าว ในบ้าน คราบเหล่านี้มักสร้างความรำคาญ แต่ในอุตสาหกรรม คราบเหล่านี้สามารถนำไปสู่ ​​"การลดประสิทธิภาพการผลิต และวิธีการกำจัด [พวกมัน] อาจเป็นอันตรายต่อสิ่งแวดล้อม" ซึ่งมักจะเกี่ยวข้องกับการใช้สารเคมีที่รุนแรง ในโรงไฟฟ้าและโรงงานแยกเกลือออกจากน้ำทะเล ตะกรันอาจทำให้สูญเสียประสิทธิภาพอย่างมีนัยสำคัญ เนื่องจากทำหน้าที่เป็นเกราะป้องกันความร้อน และส่งผลต่อการทำความเย็นหรือการควบแน่นในตัวแลกเปลี่ยนความร้อน ปัญหาเกิดขึ้นเนื่องจากน้ำมักจะมีเกลือและแร่ธาตุที่ละลายอยู่จำนวนมาก ความสามารถของน้ำในการละลายสารเหล่านี้ขึ้นอยู่กับความสามารถในการละลาย ดังนั้น หากน้ำเย็นลงหรือระเหยไป สารละลายอาจมีความอิ่มตัวมากเกินไป เนื่องจากประกอบด้วยสารที่ละลายมากกว่าที่จะกักเก็บได้ ดังนั้น สารบางชนิดจึงเริ่มตกตะกอนออกมา เมื่ออากาศร้อนชื้นเย็นลงกะทันหันเมื่อสัมผัสกับพื้นผิวที่เย็นกว่า ก็จะทำให้เกิดฝ้าบนกระจกเย็นซึ่งเป็นหลักการเดียวกัน ในกรณีส่วนใหญ่ วิศวกรแก้ปัญหานี้ด้วยการออกแบบระบบมากเกินไป พาราณสีกล่าวว่า: ใช้ท่อที่มีขนาดใหญ่กว่าที่จำเป็นมาก เช่น คาดว่าการเปรอะเปื้อนจะทำให้เกิดการอุดตันบางส่วน หรือพื้นที่ผิวที่ใหญ่ขึ้น ในกรณีนี้ เครื่องแลกเปลี่ยนความร้อน ภายใต้. สุบรามันยัมชี้ให้เห็นว่าปัญหานี้ไม่ใช่เรื่องใหม่ “อุปกรณ์ทำอาหารโบราณมีการสะสมเช่นนี้” เขากล่าว “เรายังไม่มีวิธีแก้ปัญหาที่ดี” แม้ว่าจะยังไม่ได้รับการพิสูจน์ในระดับอุตสาหกรรม แต่วิธีการใหม่ที่พัฒนาโดยทีมงาน MIT อาจมีผลกระทบอย่างมีนัยสำคัญต่อความเร็วของการก่อตัวของขนาด และในหลายกรณีอาจขัดขวางไม่ให้เกิดขึ้นได้อย่างสมบูรณ์ วิธีการของพวกเขาฟังดูเรียบง่าย: การทำพื้นผิวระดับนาโนอย่างมีประสิทธิภาพและเติมสารหล่อลื่นให้กับพื้นผิวที่ได้ พื้นผิวส่วนใหญ่ขึ้นอยู่กับขนาดของการกระแทกและร่องที่เกิดขึ้น รูปร่างที่แม่นยำดูเหมือนจะไม่สำคัญ ดังนั้นจึงสามารถใช้เทคนิคต่างๆ มากมายเพื่อสร้างพื้นผิวนี้ รวมถึงการลงสีเคลือบบนพื้นผิว หรือการกัดด้วยสารเคมี นักวิจัยยังได้อธิบายกระบวนการในการเลือกน้ำมันหล่อลื่นที่เหมาะสมซึ่งไม่เพียงเพิ่มอุปสรรคด้านพลังงานที่เกิดจากตะกรันเท่านั้น แต่ยังกระจายไปยังของแข็งที่มีพื้นผิว ทำให้พื้นผิว "เรียบ" และลดการเกิดนิวเคลียสที่สามารถนำมาใช้ในการสร้างตะกรันได้ เว็บไซต์. ความพยายามก่อนหน้านี้ในการป้องกันหรือลดการเกิดตะกรันมักจะเกี่ยวข้องกับการเพิ่มสารเคลือบ (เช่น เทฟลอน) ลงบนพื้นผิวเพื่อป้องกันไม่ให้แร่ธาตุเกาะติดกับมัน พาราณสีอธิบายว่าปัญหาของวิธีนี้ก็คือสารเคลือบเหล่านี้จะเสื่อมสภาพ เช่นเดียวกับที่สารเคลือบบนกระทะเคลือบสารกันติดมักจะเสื่อมสภาพตามการใช้งาน เขากล่าวว่าถึงแม้จะมีรูเล็กๆ บนสารเคลือบ แต่ก็เป็นพื้นที่สำหรับให้เกล็ดเริ่มก่อตัว ด้วยวิธีการใหม่ เมื่อพื้นผิวนาโนเกิดขึ้นบนพื้นผิว น้ำมันหรือของเหลวหล่อลื่นอื่นๆ ก็จะถูกทาลงบนพื้นผิว พาราณสีกล่าวว่าร่องขนาดนาโนเล็กๆ จะจับของเหลวนี้และยึดให้แน่นอยู่กับที่ผ่านการกระทำของเส้นเลือดฝอย ของเหลวสามารถไหลเพื่อเติมเต็มช่องว่าง กระจายไปบนพื้นผิวต่างจากสารเคลือบกันติดที่เป็นของแข็ง และหากมีบางส่วนถูกชะล้างออกไป ก็สามารถเติมได้อย่างต่อเนื่อง “แม้ว่าจะมีความเสียหายทางกล แต่น้ำมันหล่อลื่นก็สามารถกลับคืนสู่พื้นผิวนั้นได้” Subramanyam กล่าว “สามารถรักษาความเรียบเนียนได้เป็นเวลานาน” เนื่องจากชั้นหล่อลื่นนี้บางมาก—หนาเพียงไม่กี่ร้อยนาโนเมตร—จึงต้องใช้สารหล่อลื่นเพียงเล็กน้อยเพื่อปกป้องพื้นผิวมานานหลายทศวรรษ พาราณสีกล่าวว่าอ่างเก็บน้ำที่สร้างขึ้นในส่วนของท่อส่งสามารถให้การหล่อลื่นได้ตลอดอายุการใช้งานของอุปกรณ์ ในกรณีของท่อส่งน้ำมัน “มีน้ำมันหล่อลื่นอยู่แล้ว” น้ำมันที่ถูกจับโดยพื้นผิวสามารถปกป้องพื้นผิวของท่อได้ Jurgen Rühe หัวหน้าห้องปฏิบัติการเคมีและฟิสิกส์ส่วนต่อประสานที่มหาวิทยาลัยไฟรบูร์ก ไม่ได้เกี่ยวข้องกับการศึกษานี้ โดยกล่าวว่าการศึกษานี้แสดงถึง "การค้นพบที่สำคัญมากและความก้าวหน้าทางวิทยาศาสตร์ที่สำคัญ" เขาเรียกวิธีการของทีมในการลดการก่อตัวของตะกรันว่า "ใหม่และสร้างสรรค์" และกล่าวว่า "อาจมีผลกระทบที่อาจเกิดขึ้นกับทุกพื้นที่ที่มีการให้ความร้อนกับน้ำและไอน้ำ" นักวิจัยกล่าวว่าหลังจากการทดสอบในห้องปฏิบัติการเพิ่มเติมเพื่อกำหนดสิ่งที่ดีที่สุดสำหรับการใช้งานเฉพาะ หลังจากใช้วิธีการหล่อลื่นและพื้นผิว ระบบจะพร้อมสำหรับการใช้งานเชิงพาณิชย์ในเวลาเพียงสามปี งานนี้ได้รับการสนับสนุนจาก MIT Energy Initiative