مواد و ساخت پیشرفته

در هر وسیله خانگی که با آب (گرم) تماس پیدا می‌کند از مخازن آب گرم گرفته تا ماشین لباسشویی و کتری، رسوب آهک تشکیل می‌شود، به خصوص در مناطقی که آب دارای سختی باشد، به این معنی که کلسیم بالایی دارد. اغلب تنها چیزی که کمک می‌کند استفاده از سرکه یا یک رسوب زدای مخصوص برای از بین بردن رسوبات سخت سنگ‌شده و بازیابی عملکرد دستگاه است.

با اینکه این یک مشکل در همه خانه‌ها وجود دارد است ولی در نیروگاه‌های حرارتی یک مشکل پرهزینه محسوب می‌گردد. مبدل‌های حرارتی به طور ویژه مستعد رسوب آهک هستند که کارایی سیستم‌ها را تا حد زیادی کاهش می‌دهد. یک لایه رسوب آهکی با ضخامت تنها یک میلیمتر در لوله‌های مبدل حرارتی، راندمان تولید برق را تقریباً 1.5 درصد کاهش می‌دهد. برای جبران این تلفات، باید 8.7 میلیون تن دیگر زغال‌سنگ سوزانده شود. به علاوه آلودگی کربنی و آب و هوا را نیز باید به لیست اضافه نماییم که این مسئله جدا از گران‌تر درآمدن هزینه تولید برق است.

در این راستا یک تیم تحقیقاتی از دانشگاه‌های زوریخ و کالیفرنیا، یک راه حل احتمالی پیدا کرده‌اند. استفاده از یک پوشش مخصوص دافع رسوب آهک با برجستگی‌های کوچک میکروسکوپی که از چسبیدن کریستال‌های رسوب آهک جلوگیری می‌کند. مطالعه این تیم در مجله Science Advances منتشر شد. تحقیقات بنیادی در زمینه توسعه سطوح دافع رسوب آهک بسیار پراکنده است. از اینرو محققان به رهبری پروفسور توماس شوتزیوس نگاهی دقیق به فعل و انفعالات بین کریستال‌های آهکی در حال رشد، جریان آب اطراف و سطح در سطح میکروسکوپی انداختند.

بر این اساس اعضای تیم چندین پوشش از مواد نرم مختلف ایجاد کردند و مشخص شد که موثرترین پوشش یک هیدروژل پلیمری است که سطح آن به لطف قالب‌های ریزبافتی که محققان با استفاده از فتولیتوگرافی ساخته‌اند با برآمدگی‌های ریز پوشیده شده است. ریزساختار هیدروژل یادآور مدل‌های طبیعی مانند فلس‌های کوسه است که دارای ساختاری آجدار برای جلوگیری از رسوب روی پوست کوسه‌ها هستند.

به همین علت می‌توان مطمئن شد که در کتری‌ها یا بویلرها و ریبلت‌ها، کریستال‌های رسوب آهک تماس کمتری با سطح دارند، به این معنی که نمی‌توانند بچسبند و در نتیجه راحت‌تر حذف می‌شوند. آبی که روی هیدروژل جریان می‌یابد و از طریق ساختار آجدار آنها را می‌برد. در حالیکه پوشش نمی‌تواند به طور کامل از تشکیل کریستال‌های رسوب آهک جلوگیری کند ولی حذف غیرفعال دائمی کریستال‌های میکروسکوپی مانع از رشد آنها با هم و جلوگیری از تشکیل یک لایه مقاوم می‌شود.

در تولید پوشش‌های مختلف، محققان در درجه اول محتوای پلیمر را تغییر دادند. هر چه محتوای پلیمر کمتر و محتوای آب بیشتر باشد، کریستال‌های کربنات کلسیم کمتر به سطح می‌چسبند. آزمایش با ذرات مدل ساخته شده از پلی استایرن نشان می‌دهد که ساختار سطح پوشش باید کوچک‌تر از ذرات رسوب شده روی آن باشد. این باعث کاهش سطح تماس و در نتیجه نیروی چسب می‌شود. جولان اشمید از محققان این تیم می‌گوید ما ساختار سطح مواد را تغییر دادیم تا به بیشترین بازدهی دست پیدا کنیم، سپس آزمایش‌های کریستالی را با این اندازه ساختار بهینه انجام دادیم.

آزمایش‌های این تیم نشان می‌دهد که پوشش هیدروژل بسیار مؤثر است به طوریکه وقتی آب در سطح پوشش‌داده شده با هیدروژل، که قبلاً کریستال‌های رسوب آهکی با اندازه حدود 10 میکرومتر روی آن رشد کرده بودند، جریان یافت تا 98 درصد از کریستال‌ها حذف شدند.

محققان تاکید می‌کنند که راه‌حل آنها سازگارتر با محیط‌زیست و کارآمدتر از روش‌های موجود برای رسوب‌زدایی است که برخی از آنها شامل مواد شیمیایی سمی و تهاجمی است. هیدروژل زیست سازگار و سازگار با محیط زیست است. فناوری پشت این راه‌حل نیز باید مقیاس‌پذیر باشد، پوشش را می‌توان به روش‌های مختلفی که امروزه در صنعت استفاده می‌شود، اعمال کرد. لازم به ذکر است که نتایج این تحقیق برای استفاده همگان به صورت آزاد دردسترس قرار گرفته است.

منبع