Het proces van kristallisatievervuiling is een fenomeen waarbij kalkaanslag ontstaat op oppervlakken. Het is wijdverspreid in de natuur en technologie en beïnvloedt de energie- en waterindustrie. Ondanks eerdere pogingen blijven rationeel ontworpen oppervlakken met intrinsieke weerstand ongrijpbaar vanwege een gebrek aan inzicht in hoe microvervuilingen zich hechten in dynamische waterige omgevingen.

In een onderzoek dat nu is gepubliceerd in Science Advances , Julian Schmid en een team van onderzoekers in oppervlaktetechniek in Zwitserland en de VS bestudeerden de grensvlakdynamica van microfoulants met behulp van een microscanning vloeistofdynamisch meetsysteem om een ​​rationeel ontwikkelde coating aan te tonen die 98% van de afzettingen verwijdert onder afschuifstromingsomstandigheden.

De dynamiek van water en energie

Water en energie zijn onderling verbonden hulpbronnen, waarbij water nodig is om energie te produceren voor transport, ontzilting en waterzuivering. De eindige aard van deze hulpbronnen en de groeiende mondiale uitdagingen, waaronder klimaatverandering en bevolkingsgroei, plaatsen ze echter onder toenemende druk. Passieve methoden om kalkvorming tegen te gaan zijn onder meer oppervlaktetechniek, grensvlakmaterialen en coatings, die aantrekkelijke alternatieven zijn voor duurzaamheid en ook kostenefficiënt zijn.

Onderzoekers hadden zich eerder ook gericht op het ontwikkelen van stijve aangroeiwerende oppervlakken die de oppervlakte-energie van materialen veranderen om vervuiling te elimineren. Materiaalwetenschappers hebben een groeiende interesse getoond in de ontwikkeling van grensvlakmaterialen en coatings die de aangroeiwerende eigenschappen verbeteren door gebruik te maken van de inherente barrières van het materiaal.

In dit nieuwe werk ontwikkelden Schmid en collega's een nieuwe methode om de fysica van de adhesie van microvervuiling te bestuderen en creëerden ze een microscanning vloeistofdynamische meter. De wetenschappers onthulden drie onderliggende mechanismen voor het verwijderen van microvervuiling om een ​​coating met microtextuur te ontwerpen en testten de schaalbaarheid ervan onder laminaire en turbulente stromingsomstandigheden. De uitkomst kan licht werpen op de eigenschappen van kristallisatie en deeltjesvervuiling, en leiden tot het ontwerp van grensvlakmaterialen als aangroeiwerende oppervlakken om de uitdagingen van het verband tussen water en energie aan te pakken.

Bio-geïnspireerde materialen

De natuur kent uitzonderlijke voorbeelden van superbevochtigbaarheid en transportsystemen die hebben bijgedragen aan de ontwikkeling van bio-geïnspireerde afstotende substraten voor het onderzoek naar de dynamiek van kristalliet-water-interacties. Schmid en collega's kwantificeerden de verwijdering van microvervuiling van substraten met variërende compliantie door hun oppervlaktebevochtigbaarheid te bepalen. Om bijvoorbeeld calciumcarbonaatkristallieten te verwijderen, gebruikte het team een ​​instelbare laminaire waterschuifstroom en visualiseerde tegelijkertijd het proces door water door een glazen capillair te pompen om schuifspanning te genereren.

Schmid en team kwantificeerden ook het passieve, door schuifkracht aangedreven aggregaatverwijderingsproces. Toen het team de methode bijvoorbeeld toepaste op een stijf glassubstraat dat kristallisatievervuiling onder afschuifstroming had ondergaan, observeerden ze het veranderende aantal kristallieten op het oppervlak ten opzichte van de oorspronkelijke waarde. Dergelijke glasoppervlakken kunnen hydrofoob worden gemaakt door behandeling met fluorsilaan en een zachte siliconen om de ingewikkelde aard van substraat-kristallietinteracties te benadrukken en oppervlakte-eigenschappen met microvervuilingen aan te tonen.

Model microfoulants

De individuele verwijdering van kristallieten verliep snel, wat substantiële gevolgen heeft voor aangroeiwerende of scalefobe materialen, aangezien het de verwijdering van kristallieten mogelijk maakt vóór de opbouw van hardnekkige kalklagen. Om de mechanismen te begrijpen die ten grondslag liggen aan de verbeterde afstoting van coatings op basis van kalk, hebben de materiaalwetenschappers complexe kristallieten die in grootte variëren vervangen door bolvormige polystyreenmicrodeeltjes van vergelijkbare grootte. Zo hebben ze het effect van waterafschuiving, hun Young-modulus, bevochtigbaarheid en dikte bestudeerd.

Naast kristallisatievervuiling gebruikten Schmid en team deeltjesvervuiling door microvervuiling op de coating af te zetten als een andere subset van de methode. De meeste microvervuilingen waren kleiner dan de dikte van de coating, hoewel ijs- en hydraatvervuilingen deze dikte overschreden. De wetenschappers voerden aanvullende experimenten uit om de interacties tussen microvervuiling en coating te detecteren.

Ontwerpen en ontwikkelen van een scalefobe coating

Uit bestaand onderzoek is gebleken dat uniforme, niet-poreuze hydrogels met een laag zwelgedrag een polymeergehalte van minimaal 40 gew.% vereisen. Om een ​​soortgelijk fabricageproces te volgen, kozen Schmid en collega's ervoor om het polymeergehalte van de coating te verhogen tot 50% per gewicht, wat de hechtings- en verwijderingseigenschappen van de coating negatief beïnvloedde.

De resultaten benadrukten de uitstekende schaalfobiciteit van de coating. De eerste kristallieten werden bijvoorbeeld vrijwel onmiddellijk na het initiëren van de stroming uit het polymeer met microtextuur verwijderd. Vanaf het begin verwijderde het team een ​​aanzienlijk aantal kristallieten om een ​​vrijwel schoon oppervlak te verkrijgen, waarmee de eigenschappen van de schaalfobiciteit van de ontworpen coating onder turbulente stromingsomstandigheden konden worden benadrukt.

Vooruitzichten

Op deze manier integreerden Julian Schmid en zijn team hechtings- en grensvlakfluïdische theorieën om een ​​methode te ontwikkelen om de onderliggende fysica van de hechting van microvervuiling op en verwijdering van technische materialen te bestuderen. Ze ontwikkelden deze techniek op basis van een eerder vastgestelde methode om aangroeiwerende materialen te analyseren om de aanpak voor het bestuderen van aangroeiwerende materialen te verbeteren.

De methode gaf inzicht in de dynamiek van het volledige gedrag van de coating. De resultaten onthulden de interacties tussen vervuilingen, substraten en water om aan het oppervlak gehechte kristallieten onder stromingsomstandigheden te verwijderen. Het team onderzocht de veelzijdigheid van aangroeiwerende materialen en hoe de ontwerpstrategieën varieerden afhankelijk van het dominante aangroeimechanisme.

Bij deeltjesvervuiling presteerden stijve coatingoppervlakken bijvoorbeeld goed, terwijl zachte coating beter presteerde bij kristallisatievervuiling. Hydrogels hadden daarentegen een laag polymeergehalte en vertoonden daarom uitstekende verwijderingsprestaties voor zowel microvervuilingen als kristallieten. Voor niet-poreuze en hydrofiele hydrogels moest het polymeergehalte worden verhoogd, wat Schmid en zijn team verzachtten door het oppervlak te microtexturen.

De materiaalwetenschappers realiseerden intrinsiek scalefobe oppervlakken en zachte hydrogels met microtextuur om overheersende gebieden van kristallieten te verwijderen. De uitkomsten bieden belangrijke details voor het ontwerpen van aangroeiwerende en scalefobe oppervlakken voor onderzoek naar hechting en grensvlaktransport onder warmteoverdracht- en stromingsomstandigheden.

Meer informatie: Julian Schmid et al, Schaalfobiciteit bijbrengen met rationele microtextuur van zachte materialen, Wetenschappelijke vooruitgang (2023). DOI:10.1126/sciadv.adj0324

Journaalinformatie: Wetenschappelijke vooruitgang

© 2024 Science X Netwerk