Ученые помогут избавиться от накипи в трубах и резервуарах с горячей водой

Специальное покрытие для труб и устройств с проточной горячей водой, обладающее микроскопическими выступами, которые предотвращают прилипание к их внутренней поверхности кристаллов известкового налета, разработала команда исследователей из Швейцарской высшей технической школы Цюриха (ETHZ) и Калифорнийского университета в Беркли, 9 февраля сообщает пресс-служба ETHZ.

Известковый налет всегда присутствует там, где течет горячая вода. Но если в домашнем хозяйстве это достаточно легко разрешаемая проблема, то для тепловых электростанций (ТЭС) загрязнение оборудования известковым налетом обходится дорого.

Особенно подвержены образованию накипи теплообменники ТЭС. Она значительно снижает эффективность этих систем. Даже миллиметровый слой накипи в трубах теплообменника приводит к снижению эффективности производства электроэнергии примерно на 1,5%.

Компенсировать эти потери приходится за счет сжигания дополнительного топлива. Для угольных электростанций это 8,7 млн тонн каменного угля в год. Кроме экономического ущерба, это ведет к увеличению выбросов углекислого газа, оказывающего вредное влияние на климат.

До настоящего времени было проведено мало фундаментальных исследований по разработке поверхностей, отталкивающих известковый налет. Это подтолкнуло команду бывшего тогда профессором ETHZ Томаса Шуциуса тщательно изучить на микроскопическом уровне взаимодействие между отдельными растущими кристаллами известкового налета, окружающим потоком воды и поверхностью.

Основываясь на полученных зависимостях, аспирант Шуциуса Джулиан Шмид и другие члены команды синтезировали несколько покрытий из различных мягких материалов и протестировали их в лаборатории ETHZ. В результате они определили, что наиболее эффективным покрытием является полимерный гидрогель с крошечными выступами на поверхности, которые они создали с помощью фотолитографии.

Микроструктура гидрогеля напоминает созданные природой структуры. Так, у чешуи акулы тоже ребристая структура, которая предотвращает ее загрязнение известковым налетом.

Использование созданного гидрогеля для покрытия внутренней поверхности чайников или бойлеров обеспечит более слабый контакт кристаллов известкового налета с поверхностью, они не смогут прилипнуть к ней. И вода, текущая по гидрогелю через ребристую структуру, унесет эти кристаллики.

Таким образом, не предотвращая полностью образование кристаллов известкового налета, гидрогель обеспечивает постоянное пассивное удаление микроскопических кристаллов, предотвращая их срастание и образование прочной корки налета.

Создавая различные покрытия, исследователи в первую очередь изменяли состав полимера. Эксперименты показали, что чем выше содержание в нем воды, тем хуже прилипают к покрытой им поверхности кристаллы карбоната кальция.

Испытания с модельными частицами из полистирола помогли установить, что структуры на поверхности покрытия должны быть меньше кристаллов накипи. Это уменьшает поверхность их контакта и, соответственно, силу сцепления.

«Мы варьировали структуру поверхности материала для достижения наибольшей эффективности, а затем провели эксперименты с кристаллами с оптимальным размером структуры», — рассказал Шмид.

Полученные результаты показали, что до 98% кристаллов было удалено, когда вода протекала по покрытой гидрогелем поверхности с выращенными предварительно кристаллами известкового налета размером около 10 мкм.

Результаты исследования нового покрытия команда представила в статье «Придание устойчивости к образованию накипи с помощью рационального микротекстурирования мягких материалов», опубликованной в журнале Science Advances.

Ученые отмечают, что предложенное ими решение более экологично и эффективно, чем существующие ныне методы промышленного удаления накипи, некоторые из которых требуют использования токсичных и агрессивных химических веществ. Тогда как их гидрогель биосовместим и экологически безопасен. Технология нанесения покрытия легко масштабируется. Гидрогель можно наносить уже используемыми в промышленности способами.

Разработчики не стали подавать заявку на патент, а сознательно опубликовали подробности создания нового покрытия в научном журнале, чтобы все, кто заинтересован в таких средствах борьбы с известковым налетом, могли свободно разрабатывать и использовать такое покрытие.