Boblefangst overflade hjælper med at slippe af med skum

I mange industrielle processer, såsom i bioreaktorer, der producerer brændstoffer eller lægemidler, skum kan komme i vejen. Skummende bobler kan tage meget plads, begrænse mængden til rådighed for fremstilling af produktet og undertiden gumming af rør og ventiler eller beskadigelse af levende celler. Virksomheder bruger anslået 3 milliarder dollar om året på kemiske tilsætningsstoffer kaldet skumdæmpere, men disse kan påvirke produktets renhed og kan kræve ekstra behandlingstrin for fjernelse.

Nu, forskere på MIT er kommet med en simpel, billig, og helt passivt system til at reducere eller eliminere skumdannelsen, ved hjælp af bobletiltrækkende ark af specielt struktureret mesh, der får bobler til at falde sammen så hurtigt, som de dannes. Den nye proces er beskrevet i journalen Avancerede materialegrænseflader , i et papir af nyuddannede Leonid Rapoport Ph.D. '18, gæstestuderende Theo Emmerich, og professor i maskinteknik Kripa Varanasi.

Det nye system bruger overflader, som forskerne kalder "aerofil, "som tiltrækker og kaster bobler af luft eller gas på omtrent samme måde som hydrofile (vandtrækkende) overflader får dråber vand til at klæbe til en overflade, spredt ud, og falder væk, Varanasi forklarer.

"Skum er overalt" i industrielle processer, han siger, herunder ølbrygning, papirfremstilling, produktion og forarbejdning af olie og gas, produktion af biobrændstoffer, produktion af shampoo og kosmetik, og kemisk forarbejdning.

Også, "Det er en af ​​de største udfordringer i cellekultur eller i bioreaktorer, "tilføjer han. For at fremme cellevækst, forskellige gasser diffunderer typisk gennem vandet eller et andet flydende medium. Men dette kan føre til opbygning af skum, og når de små bobler brister, kan de producere forskydningskræfter, der kan beskadige eller dræbe cellerne, så det er vigtigt at kontrollere skummet.

Den sædvanlige måde at håndtere skumproblemet på er ved at tilføje kemikalier, såsom glycoler eller alkoholer, som typisk derefter skal filtreres ud igen. Men det tilføjer omkostninger og ekstra behandlingstrin, og kan påvirke produktets kemi. Så, spurgte holdet, "Hvordan kan du slippe af med skum uden at skulle tilføje kemikalier? Det var vores udfordring, "Siger Varanasi.

For at løse problemet, de lavede højhastighedsvideo for at undersøge, hvordan bobler reagerer, når de rammer en overflade. De fandt ud af, at boblerne har en tendens til at hoppe væk som en gummikugle, hopper flere gange, før det til sidst stikker på plads, ligesom dråber væske gør, når de rammer en overflade, kun på hovedet. (Boblerne stiger, så de hopper nedad.)

"For effektivt at fange den påvirkende boble, vi måtte forstå, hvordan den flydende film, der adskiller den fra overfladen, dræner, "siger Rapoport." Og vi var nødt til at starte på firkant et, fordi der ikke engang var en fastlagt måling til at måle, hvor god en overflade er til at fange påvirkende bobler. Ultimativt, vi var i stand til at forstå fysikken bag, hvad der får en boble til at hoppe væk, og den forståelse drev designprocessen. "

Holdet kom med en flad enhed, der har et sæt omhyggeligt designet overfladestrukturer i forskellige størrelsesskalaer. Overfladen var afstemt, så bobler ville klæbe med det samme uden at hoppe, og hurtigt spredes og spredes for at gøre plads til den næste boble i stedet for at akkumulere som skum.

"Nøglen til hurtigt at fange bobler og kontrollere skum viste sig at være et trelags system med funktioner af gradvist finere størrelser, "siger Emmerich. Disse funktioner hjælper med at fange et meget tyndt lag luft langs overfladen af ​​et materiale. Denne overflade, kendt som en plastron, har ligheder med strukturen af ​​nogle fjer på dykkerfugle, der hjælper med at holde dyrene tørre under vandet. I dette tilfælde, plastronen hjælper med at få boblerne til at klæbe til overfladen og forsvinde.

Nettoeffekten er at reducere den tid, det tager for en boble at klæbe til overfladen hundrede gange, Siger Varanasi. I test, studsetiden blev reduceret fra hundredvis af millisekunder til blot et par millisekunder.

For at teste ideen i laboratoriet, holdet byggede en enhed indeholdende en bobleopsamlingsoverflade og indsatte den i et bægerglas, der havde bobler, der steg gennem den. De placerede dette bægerglas ved siden af ​​et identisk, der indeholder skummende skum med et ark af samme størrelse, men uden det teksturerede materiale. I bægeret med den boblefangende overflade, skummet forsvandt hurtigt til næsten ingenting, mens et helt lag skum blev på plads i det andet bægerglas.

Sådanne boblefangende overflader kan let eftermonteres på mange industrielle behandlingsfaciliteter, der i øjeblikket er afhængige af skumdannelse af kemikalier, Siger Varanasi. Han spekulerede på, at på længere sigt en sådan metode kan endda bruges som en måde at fange metan, der siver fra smeltende permafrost, når verden varmes op. Dette kan både forhindre, at nogle af den potente drivhusgas kommer ud i atmosfæren, og samtidig give en kilde til brændstof. På dette tidspunkt er denne mulighed "tærte på himlen, " han siger, men i princippet kunne det fungere.

I modsætning til mange nye teknologiske udviklinger, dette system er simpelt nok til, at det let kan implementeres, Siger Varanasi. "Det er klar til at gå.… Vi ser frem til at arbejde med industrien."

Denne historie er genudgivet med tilladelse fra MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), et populært websted, der dækker nyheder om MIT -forskning, innovation og undervisning.