Se estima que alrededor de un cuarto por ciento de todo el producto interno bruto de los países industrializados se pierde debido a un solo problema técnico: el ensuciamiento de las superficies del intercambiador de calor por sales y otros minerales disueltos. Este ensuciamiento reduce la eficiencia de múltiples procesos industrialesy a menudo requiere contramedidas costosas, como el pretratamiento del agua. Ahora, los hallazgos del MIT podrían conducir a una nueva forma de reducir tales incrustaciones, y potencialmente incluso permitir convertir ese proceso perjudicial en uno productivo que pueda producir productos vendibles.
Los hallazgos son el resultado de años de trabajo de los recién graduados del MIT Samantha McBride PhD '20 y Henri-Louis Girard PhD '20 con el profesor de ingeniería mecánica Kripa Varanasi. El trabajo, informado en la revista avances científicos , muestra que debido a una combinación de superficies hidrófobas repelentes al agua y calor, las sales disueltas pueden cristalizar de una manera que facilita su eliminación de la superficie, en algunos casos solo por gravedad.
Cuando los investigadores comenzaron a estudiar la forma en que las sales cristalizan en tales superficies, descubrieron que la sal precipitada inicialmente formaría una capa esférica parcial alrededor de una gota. Inesperadamente, esta capa se elevaría repentinamente sobre un conjunto de extensiones delgadas con forma de patas que crecierondurante la evaporación. El proceso produjo repetidamente formas de múltiples patas, parecidas a elefantes y otros animales, e incluso droides de ciencia ficción. Los investigadores llamaron a estas formaciones "criaturas de cristal" en el título de su artículo.
Después de muchos experimentos y análisis detallados, el equipo determinó el mecanismo que producía estas protuberancias en forma de patas. También mostraron cómo las protuberancias variaban según la temperatura y la naturaleza de la superficie hidrófoba, que se produjo al crear un patrón a nanoescala deDescubrieron que las patas estrechas que sostienen estas formas parecidas a criaturas continúan creciendo hacia arriba desde la parte inferior, a medida que el agua salada fluye hacia abajo a través de las patas parecidas a paja y se precipita en la parte inferior, algo así como un carámbano en crecimiento, soloen equilibrio sobre su punta. Con el tiempo, las patas se vuelven tan largas que no pueden soportar el peso de la criatura, y la gota de cristal de sal se rompe y cae o es arrastrada.
El trabajo fue motivado por el deseo de limitar o prevenir la formación de incrustaciones en las superficies, incluidas las tuberías interiores donde dicha incrustación puede provocar bloqueos, dice Varanasi. "El experimento de Samantha mostró este efecto interesante en el que la escala prácticamente desaparece poren sí ", dice.
"Estas patas son tubos huecos, y el líquido se canaliza hacia abajo a través de estos tubos. Una vez que llega al fondo y se evapora, forma nuevos cristales que aumentan continuamente la longitud del tubo", dice McBride.tienen un contacto muy, muy limitado entre el sustrato y el cristal, hasta el punto en que estos simplemente se van a rodar por sí solos ".
McBride recuerda que al hacer los experimentos iniciales como parte de su trabajo de tesis doctoral, "definitivamente sospechamos que esta superficie en particular funcionaría bien para eliminar la adhesión de cloruro de sodio, pero no sabíamos que una consecuencia de prevenir esa adhesión seríala expulsión de todo "de la superficie.
Una clave, descubrió, era la escala exacta de los patrones en la superficie. Si bien muchas escalas de patrones de longitud diferentes pueden producir superficies hidrofóbicas, solo los patrones a escala nanométrica logran este efecto de autoeyección. "Cuando evaporas una gotade agua salada en una superficie superhidrofóbica, por lo general, lo que sucede es que esos cristales comienzan a meterse dentro de la textura y simplemente forman un globo, y no terminan despegando ", dice McBride." Así que es algo muy específico sobre la textura yla escala de longitud que estamos viendo aquí que permite que se produzca este efecto ".
Este proceso de autoeyección, basado simplemente en la evaporación de una superficie cuya textura se puede producir fácilmente mediante grabado, abrasión o recubrimiento, podría ser una bendición para una amplia variedad de procesos. Todo tipo de estructuras metálicas en un entorno marino oexpuestos al agua de mar sufren de incrustaciones y corrosión. Los hallazgos también pueden permitir nuevos métodos para investigar los mecanismos de incrustaciones y corrosión, dicen los investigadores.
Al variar la cantidad de calor a lo largo de la superficie, incluso es posible hacer que las formaciones de cristales rueden en una dirección específica, encontraron los investigadores. Cuanto más alta es la temperatura, más rápido se produce el crecimiento y despegue de estas formas, minimizandola cantidad de tiempo que los cristales bloquean la superficie.
Los intercambiadores de calor se utilizan en una amplia variedad de procesos diferentes, y su eficiencia se ve fuertemente afectada por cualquier ensuciamiento de la superficie. Esas pérdidas por sí solas, dice Varanasi, equivalen a un cuarto por ciento del PIB de los EE. UU. Y otras naciones industrializadas. PeroEl ensuciamiento también es un factor importante en muchas otras áreas. Afecta a las tuberías de los sistemas de distribución de agua, pozos geotérmicos, entornos agrícolas, plantas de desalinización y una variedad de sistemas de energía renovable y métodos de conversión de dióxido de carbono.
Este método, dice Varanasi, incluso podría permitir el uso de agua salada sin tratar en algunos procesos en los que no sería práctico de otra manera, como en algunos sistemas de enfriamiento industrial. Además, en algunas situaciones, las sales recuperadas y otros minerales podrían venderseproductos.
Si bien los experimentos iniciales se realizaron con cloruro de sodio ordinario, se espera que otros tipos de sales o minerales produzcan efectos similares, y los investigadores continúan explorando la extensión de este proceso a otros tipos de soluciones.
Debido a que los métodos para hacer las texturas para producir una superficie hidrófoba ya están bien desarrollados, dice Varanasi, la implementación de este proceso a gran escala industrial debería ser relativamente rápida y podría permitir el uso de agua salada o salobre para sistemas de enfriamiento que podríande lo contrario, requieren el uso de agua dulce valiosa y, a menudo, limitada. Por ejemplo, solo en los EE. UU., Se usan un billón de galones de agua dulce por año para enfriar. Una planta de energía típica de 600 megavatios consume alrededor de mil millones de galones de agua por año,lo que podría ser suficiente para atender a 100.000 personas. Eso significa que usar agua de mar para enfriar siempre que sea posible podría ayudar a aliviar un problema de escasez de agua dulce.
El trabajo fue apoyado por Equinor a través de MIT Energy Initiative, el MIT Martin Fellowship Program y la National Science Foundation.
Video: http://www.youtube.com/watch?v=XpV1t4pvqrA&t=2s
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