Sådan får du salt ud af vandet:Få det til at skubbe ud af sig selv

Omkring en fjerdedel af en procent af hele bruttonationalproduktet i industrialiserede lande anslås at gå tabt gennem et enkelt teknisk problem:tilsmudsning af varmeveksleroverflader med salte og andre opløste mineraler. Denne begroning sænker effektiviteten af ​​flere industrielle processer og kræver ofte dyre modforanstaltninger såsom vandforbehandling. Nu, resultater fra MIT kunne føre til en ny måde at reducere sådan tilsmudsning på, og potentielt endda gøre det muligt at gøre den skadelige proces til en produktiv, der kan give salgbare produkter.

Resultaterne er resultatet af mange års arbejde udført af nylige MIT-kandidater Samantha McBride Ph.D. '20 og Henri-Louis Girard Ph.D. '20 med professor i maskinteknik Kripa Varanasi. Arbejdet, rapporteret i journalen Videnskabens fremskridt , viser, at på grund af en kombination af hydrofobe (vandafvisende) overflader og varme, opløste salte kan krystallisere på en måde, der gør det nemt at fjerne dem fra overfladen, i nogle tilfælde af tyngdekraften alene.

Da forskerne begyndte at studere den måde, salte krystalliserer på sådanne overflader, de fandt ud af, at det udfældende salt i begyndelsen ville danne en delvis sfærisk skal omkring en dråbe. uventet, denne skal ville så pludselig rejse sig på et sæt spinkle ben-lignende forlængelser vokset under fordampning. Processen producerede gentagne gange flerbenede former, der ligner elefanter og andre dyr, og endda sci-fi droider. Forskerne kaldte disse formationer "krystaldyr" i titlen på deres papir.

Efter mange eksperimenter og detaljerede analyser, holdet bestemte mekanismen, der producerede disse benlignende fremspring. De viste også, hvordan fremspringene varierede afhængigt af temperatur og arten af ​​den hydrofobe overflade, som blev produceret ved at skabe et nanoskalamønster af lave kamme. De fandt ud af, at de smalle ben, der holder disse kryblignende former op, fortsætter med at vokse opad fra bunden, da det salte vand strømmer ned gennem de halmlignende ben og bundfældes ud i bunden, lidt som en voksende istap, kun balanceret på spidsen. Til sidst bliver benene så lange, at de ikke er i stand til at bære dyrets vægt, og klatten af ​​saltkrystal brækker af og falder eller bliver fejet væk.

Arbejdet var motiveret af ønsket om at begrænse eller forhindre dannelsen af ​​aflejringer på overflader, inklusive indvendige rør, hvor sådan afskalning kan føre til blokeringer, Varanasi siger. "Samanthas eksperiment viste denne interessante effekt, hvor skalaen stort set bare springer af sig selv, " han siger.

"Disse ben er hule rør, og væsken ledes ned gennem disse rør. Når det rammer bunden og fordamper, det danner nye krystaller, der kontinuerligt øger rørets længde, " siger McBride. "I sidste ende, du har meget, meget begrænset kontakt mellem substratet og krystallen, til det punkt, hvor disse bare vil rulle væk af sig selv."

McBride minder om, at da hun udførte de indledende eksperimenter som en del af sit doktorafhandlingsarbejde, "Vi havde bestemt mistanke om, at denne særlige overflade ville fungere godt til at eliminere natriumchloridadhæsion, men vi vidste ikke, at en konsekvens af at forhindre den vedhæftning ville være udstødningen af ​​det hele" fra overfladen.

En nøgle, hun fandt, var den nøjagtige skala af mønstrene på overfladen. Mens mange forskellige længdeskalaer af mønstre kan give hydrofobe overflader, kun mønstre på nanometerskalaen opnår denne selvudstødende effekt. "Når du fordamper en dråbe saltvand på en superhydrofob overflade, Det, der normalt sker, er, at disse krystaller begynder at komme ind i teksturen og blot danner en globus, og de ender ikke med at løfte sig, " siger McBride. "Så det er noget meget specifikt ved teksturen og længdeskalaen, som vi kigger på her, der gør det muligt for denne effekt at opstå."

Denne selvudstødende proces, udelukkende baseret på fordampning fra en overflade, hvis tekstur let kan fremstilles ved ætsning, slid, eller belægning, kunne være en velsignelse for en lang række processer. Alle former for metalstrukturer i et havmiljø eller udsat for havvand lider under afskalning og korrosion. Resultaterne kan også muliggøre nye metoder til at undersøge mekanismerne for skældannelse og korrosion, siger forskerne.

Ved at variere mængden af ​​varme langs overfladen, det er endda muligt at få krystalformationerne til at rulle sammen i en bestemt retning, fandt forskerne. Jo højere temperatur, jo hurtigere væksten og ophævelsen af ​​disse former finder sted, minimerer den tid, krystallerne blokerer for overfladen.

Varmevekslere bruges i en lang række forskellige processer, bl. og deres effektivitet er stærkt påvirket af enhver overfladebegroning. Disse tab alene, Varanasi siger, svarende til en kvart procent af BNP i USA og andre industrialiserede nationer. Men begroning er også en væsentlig faktor på mange andre områder. Det påvirker rør i vanddistributionssystemer, geotermiske brønde, landbrugsmiljøer, afsaltningsanlæg, og en række vedvarende energisystemer og kuldioxidomdannelsesmetoder.

Denne metode, Varanasi siger, måske endda muliggøre brugen af ​​ubehandlet saltvand i nogle processer, hvor det ellers ikke ville være praktisk, som i nogle industrielle kølesystemer. Yderligere, i nogle situationer kan de genvundne salte og andre mineraler være salgbare produkter.

Mens de indledende eksperimenter blev udført med almindeligt natriumchlorid, andre slags salte eller mineraler forventes at give lignende virkninger, og forskerne fortsætter med at udforske udvidelsen af ​​denne proces til andre former for løsninger.

Fordi metoderne til at fremstille teksturerne til at producere en hydrofob overflade allerede er veludviklede, Varanasi siger, implementering af denne proces i stor industriel skala bør være relativt hurtig, og kunne muliggøre brugen af ​​salt- eller brakvand til kølesystemer, der ellers ville kræve brug af værdifuldt og ofte begrænset ferskvand. For eksempel, alene i USA, der bruges en billion gallons ferskvand om året til afkøling. Et typisk 600 megawatt kraftværk bruger omkring en milliard liter vand om året, hvilket kunne være nok til at tjene 100, 000 mennesker. Det betyder, at brug af havvand til afkøling, hvor det er muligt, kan bidrage til at afhjælpe et problem med ferskvandsmangel.