Как извлечь соль из воды: сделать так, чтобы она сама выбрасывалась

По оценкам, около четверти процента всего валового внутреннего продукта промышленно развитых стран теряется из-за единственной технической проблемы: поверхностей теплообменников солями и другими растворенными минералами. Такое загрязнение снижает эффективность множества промышленных процессов и часто требует дорогостоящих мер противодействия, таких как предварительная очистка воды. Теперь выводы Массачусетского технологического института могут привести к новому способу уменьшения такого загрязнения и, возможно, даже позволить превратить этот вредный процесс в продуктивный, который может дать товарную продукцию.


Полученные данные являются результатом многолетней работы недавних выпускников Массачусетского технологического института Саманты МакБрайд с докторской степенью ’20 ‘и Анри-Луи Жирара с докторской степенью ’20’ с профессором машиностроения Крипа Варанаси. Работа, опубликованная в журнале Достижения науки, показывает, что из-за комбинации гидрофобных (водоотталкивающих) поверхностей и тепла растворенные соли могут кристаллизоваться таким образом, что их можно легко удалить с поверхности, в некоторых случаях только под действием силы тяжести.

Когда исследователи начали изучать способ кристаллизации солей на таких поверхностях, они обнаружили, что осаждающаяся соль сначала образует частичную сферическую оболочку вокруг капли. Неожиданно эта внезапно поднялась бы на множестве веретенообразных ножек, выросших во время испарения. В процессе неоднократно появлялись многоногие формы, напоминающие слонов и других животных, и даже научно-фантастических дроидов. Исследователи окрестили эти образования «хрустальными тварями» в названии своей статьи.

После многих экспериментов и подробного анализа команда определила механизм, который вызывал эти выступы, похожие на ноги. Они также показали, как выступы меняются в зависимости от температуры и природы гидрофобной поверхности, которая была получена путем создания наноразмерного рисунка с низкими выступами. Они обнаружили, что узкие ножки, на которых держатся эти похожие на существа формы, продолжают расти снизу вверх, поскольку соленая вода течет вниз через соломенно-подобные ножки и выпадает на дно, что-то вроде растущей сосульки, балансирующей только на ней. кончик. В конце концов ноги становятся настолько длинными, что не могут выдержать вес существа, и капля кристалла соли отламывается и падает или уносится прочь.

По словам Варанаси, работа была мотивирована желанием ограничить или предотвратить образование накипи на поверхностях, в том числе внутри труб, где такое образование накипи может привести к засорению. «Эксперимент Саманты показал этот интересный эффект, когда шкала в значительной степени появляется сама собой», – говорит он.

«Эти ножки представляют собой полые трубки, и жидкость направляется вниз по этим трубам. Как только она достигает дна и испаряется, она образует новые кристаллы, которые непрерывно увеличивают длину трубки», – говорит Макбрайд. «В конце концов, у вас есть очень, очень ограниченный контакт между подложкой и кристаллом, до такой степени, что они будут просто откатываться сами по себе».

Макбрайд вспоминает, что, проводя первые в рамках своей докторской диссертации, «мы определенно подозревали, что эта конкретная поверхность будет хорошо работать для устранения адгезии хлорида натрия, но мы не знали, что следствием предотвращения этой адгезии будет выброс всего “с поверхности”.

Она обнаружила, что одним из ключей является точный масштаб узоров на поверхности. В то время как многие узоры с различными масштабами длины могут давать гидрофобные поверхности, только узоры в нанометровом масштабе обеспечивают этот эффект самовыдувания. «Когда вы испаряете каплю соленой воды на супергидрофобной поверхности, обычно происходит то, что эти кристаллы начинают попадать внутрь текстуры и просто образуют шар, и они не отрываются», – говорит Макбрайд. «Так что это что-то очень специфическое в текстуре и масштабе длины, на которые мы здесь смотрим, что позволяет проявиться этому эффекту».

Этот процесс самовыдувания, основанный просто на испарении с поверхности, текстуру которой можно легко получить травлением, абразивным истиранием или нанесением покрытия, может быть благом для самых разных процессов. Все виды металлических конструкций, находящихся в морской среде или подверженных воздействию морской воды, страдают от накипи и коррозии. По словам исследователей, полученные данные также могут позволить использовать новые методы исследования механизмов образования накипи и коррозии.

0 Комментарий
Inline Feedbacks
View all comments