Накопление известкового налета на тепловых электростанциях из-за использования горячей воды может существенно влиять на эффективность, что побудило исследователей разработать новое мягкое поверхностное покрытие на основе гидрогеля, которое отталкивает кристаллы известкового налета и предотвращает их прилипание.
Известковый налет, состоящий в основном из карбоната кальция, можно увидеть по всему дому, внутри чайников, резервуаров для воды и стиральных машин, особенно в местах, где вода жесткая, то есть с высоким содержанием минералов, и когда поверхности соприкасаются с горячей водой.
Хотя дома это всго лишь неприятность, на тепловые электростанции образование известкового налета оказывает большее влияние. Эти электростанции используют котлы для нагрева воды, производящие пар под высоким давлением, который приводит в движение турбину для производства механической энергии, которая преобразуется в электрическую энергию с помощью генератора. Промышленные теплообменники и мембраны склонны к образованию накипи, что приводит к огромным потерям энергии – не менее 2% от общего мирового производства энергии в год – из-за снижения теплопередачи и эффективности потока.
Чтобы решить эту проблему, исследователи из ETH Zurich в Швейцарии и Калифорнийского университета в Беркли совместно разработали инновационное поверхностное покрытие на основе гидрогеля, которое отталкивает известковый налет и предотвращает его прилипание.
Исследователи начали с изучения отдельных кристаллов известкового налета и окружающего потока воды на микроскопическом уровне, чтобы увидеть, как кристаллы откладываются и прилипают в динамичной водной среде. Затем они приступили к разработке нескольких покрытий из мягких материалов и протестировали их в лаборатории.
Экспериментируя в первую очередь с различным содержанием полимеров, исследователи обнаружили, что чем ниже содержание полимера и чем выше содержание воды, тем хуже прилипают кристаллы карбоната кальция к поверхности, на которой они создали крошечные выступы. Для своего дизайна исследователи черпали вдохновение из природы, в частности, из гребней на коже акулы, из-за которых микробам очень трудно прикрепиться.
Испытания с использованием модельных частиц из полистирола показали, что выступы на поверхности должны быть меньше, чем частицы, осажденные на них, чтобы уменьшить поверхность контакта и, следовательно, результирующую силу сцепления.
«Мы варьировали поверхность материала для достижения наибольшей эффективности, а затем провели эксперименты с кристаллами с оптимальным размером структуры», — сказал Джулиан Шмид (Julian Schmid), ведущий автор исследования.
Кристаллы известкового налета микрометрового размера в контакте с ребристым гидрогелевым поверхностным покрытием, как видно под электронным микроскопом. Фото: Julian Schmid/ETH Zurich.
Переходя к экспериментам с кристаллами известкового налета, исследователи обнаружили, что когда вода текла по мягкой поверхности, покрытой гидрогелем, до 98% кристаллов размером около 10 микрометров удалялись. Это было на 66% лучше, чем при использовании жесткой необработанной подложки в тех же условиях.
В настоящее время для удаления известкового налета с теплообменников и мембран иногда применяют ядохимикаты. Исследователи говорят, что их новое поверхностное покрытие более экологично и эффективно, чем нынешние подходы. Кроме того, они ожидают, что их решение будет масштабируемым.
Вместо того, чтобы патентовать свой подход, исследователи решили опубликовать результаты своего исследования, чтобы другие заинтересованные стороны могли использовать и развивать новое покрытие.
Исследование было опубликовано в журнале Science Advances.
Источник: ETH Zurich.
