Bạn có thể đã nhìn thấy nó trong dụng cụ nấu ăn trong nhà bếp hoặc ống nước cũ: nước cứng, giàu khoáng chất sẽ để lại cặn theo thời gian. Nó không chỉ xảy ra trong các đường ống và dụng cụ nấu ăn tại nhà mà còn xảy ra trong các đường ống và van vận chuyển dầu, khí tự nhiên cũng như đường ống vận chuyển nước làm mát trong các nhà máy điện. Mọi người đều biết rằng quy mô có thể gây ra các vấn đề về hoạt động kém hiệu quả, thời gian ngừng hoạt động và bảo trì. Trong ngành dầu khí, quy mô đôi khi dẫn đến việc đóng cửa hoàn toàn các giếng đang hoạt động, ít nhất là tạm thời. Vì vậy, giải quyết vấn đề này có thể mang lại những phần thưởng rất lớn. Giờ đây, một nhóm các nhà nghiên cứu của MIT đã đưa ra một giải pháp tiềm năng cho vấn đề lớn nhưng ít được biết đến này. Họ phát hiện ra rằng phương pháp xử lý bề mặt mới—bao gồm tạo kết cấu nano trên bề mặt và sau đó bôi chất lỏng bôi trơn—có thể làm giảm tốc độ hình thành cặn ít nhất mười lần. Tuần này, kết quả nghiên cứu đã được công bố trên Tạp chí Giao diện Vật liệu Tiên tiến. Bài báo được viết bởi nghiên cứu sinh Srinivas Subramanyam, nghiên cứu sinh sau tiến sĩ Gisele Azimi và Kripa Varanasi, phó giáo sư về sử dụng hàng hải tại Khoa Cơ khí tại MIT. “Bạn có thể thấy [quy mô] ở hầu hết mọi nơi,” Varanasi nói. Trong gia đình, những chất cặn này chủ yếu gây khó chịu, nhưng trong công nghiệp, chúng có thể dẫn đến “giảm năng suất và phương pháp loại bỏ [chúng] có thể gây hại cho môi trường”, thường liên quan đến việc sử dụng các hóa chất khắc nghiệt. Trong các nhà máy điện và nhà máy khử muối, cặn có thể gây tổn thất hiệu suất đáng kể vì nó hoạt động như một rào cản nhiệt và ảnh hưởng đến việc làm mát hoặc ngưng tụ trong bộ trao đổi nhiệt. Vấn đề nảy sinh vì nước thường chứa nhiều muối và khoáng chất hòa tan. Khả năng hòa tan các chất này của nước phụ thuộc vào độ hòa tan, vì vậy nếu nước nguội đi hoặc bay hơi, dung dịch có thể trở nên quá bão hòa: nó chứa nhiều chất hòa tan hơn mức có thể giữ lại, do đó một số chất bắt đầu kết tủa. Khi không khí ấm và ẩm đột ngột nguội đi khi gặp bề mặt lạnh hơn sẽ gây ra hiện tượng mờ sương trên kính lạnh, nguyên lý tương tự. Trong hầu hết các trường hợp, các kỹ sư giải quyết vấn đề này bằng cách thiết kế hệ thống quá mức, Varanasi cho biết: Sử dụng một đường ống lớn hơn nhiều so với mức cần thiết, chẳng hạn, người ta cho rằng việc tắc nghẽn sẽ gây ra tắc nghẽn một phần hoặc diện tích bề mặt lớn hơn, trong trường hợp này là Bộ trao đổi nhiệt. dưới. Subramanyam chỉ ra rằng vấn đề này không phải là mới: “Dụng cụ nấu ăn cổ xưa có kiểu tích tụ này”, ông nói. “Chúng tôi chưa có giải pháp tốt.” Mặc dù vẫn chưa được chứng minh ở quy mô công nghiệp nhưng phương pháp mới do nhóm MIT phát triển có thể có tác động đáng kể đến tốc độ hình thành cặn và trong nhiều trường hợp có thể ngăn chặn hoàn toàn điều đó. Phương pháp của họ nghe có vẻ đơn giản: tạo kết cấu nano một cách hiệu quả trên bề mặt và lấp đầy kết cấu thu được bằng chất bôi trơn. Kết cấu chủ yếu phụ thuộc vào kích thước của các vết lồi và rãnh được tạo ra; hình dạng chính xác dường như không quan trọng. Do đó, có thể sử dụng nhiều kỹ thuật khác nhau để tạo ra kết cấu này - bao gồm áp dụng một lớp phủ có kết cấu lên bề mặt hoặc khắc hóa học tại chỗ. Các nhà nghiên cứu cũng mô tả quy trình lựa chọn chất bôi trơn phù hợp không chỉ làm tăng rào cản năng lượng được hình thành bởi cặn mà còn lan sang các chất rắn có kết cấu, làm cho bề mặt trở nên “mịn” và giảm quá trình tạo mầm có thể được sử dụng để hình thành cặn. Địa điểm. Những nỗ lực trước đây nhằm ngăn chặn hoặc giảm thiểu sự hình thành cặn thường liên quan đến việc thêm một lớp phủ (chẳng hạn như Teflon) lên bề mặt để ngăn chặn các khoáng chất liên kết với nó. Varanasi giải thích rằng vấn đề với phương pháp này là những lớp phủ này bị mòn, giống như lớp phủ trên chảo chống dính thường bị xuống cấp khi sử dụng. Ông nói rằng ngay cả khi có một lỗ nhỏ trên lớp phủ, nó vẫn là nơi để cặn bắt đầu hình thành. Sử dụng phương pháp mới, khi kết cấu nano được hình thành trên bề mặt, dầu hoặc chất lỏng bôi trơn khác sẽ được bôi lên bề mặt. Varanasi cho biết các rãnh cực nhỏ có kích thước nano thu giữ chất lỏng này và giữ nó cố định tại chỗ thông qua hoạt động mao dẫn. Không giống như lớp phủ chống dính rắn, chất lỏng có thể chảy để lấp đầy mọi khoảng trống, lan rộng trên kết cấu bề mặt và nếu một phần bị cuốn trôi, nó có thể được bổ sung liên tục. Subramanyam cho biết: “Ngay cả khi có hư hỏng cơ học, chất bôi trơn vẫn có thể quay trở lại bề mặt đó. “Nó có thể duy trì độ mịn trong thời gian dài.” Bởi vì lớp bôi trơn này rất mỏng – chỉ dày vài trăm nanomet – nên chỉ cần một lượng nhỏ chất bôi trơn để bảo vệ bề mặt trong nhiều thập kỷ. Varanasi cho biết một bể chứa được xây dựng trong một đoạn đường ống có thể cung cấp dầu bôi trơn trong suốt vòng đời của thiết bị. Trong trường hợp đường ống dẫn dầu “đã tồn tại chất bôi trơn”, dầu được giữ lại bởi kết cấu bề mặt có thể bảo vệ bề mặt của đường ống. Jurgen Rühe, người đứng đầu Phòng thí nghiệm Vật lý và Hóa học Giao diện tại Đại học Freiburg, không tham gia vào nghiên cứu và nói rằng nó đại diện cho “những khám phá rất quan trọng và những tiến bộ khoa học quan trọng”. Ông gọi phương pháp giảm sự hình thành cặn của nhóm là “mới và sáng tạo” đồng thời cho biết “nó có thể có tác động tiềm tàng đến tất cả các khu vực nơi nước được làm nóng và hơi nước được tạo ra”. Các nhà nghiên cứu cho biết sau khi thử nghiệm sâu hơn trong phòng thí nghiệm để xác định loại tốt nhất cho một ứng dụng cụ thể. Sau các phương pháp bôi trơn và kết cấu, hệ thống có thể sẵn sàng cho ứng dụng thương mại chỉ sau ba năm. Công việc này được hỗ trợ bởi Sáng kiến Năng lượng MIT.
Thời gian đăng: Dec-08-2021
