Nový povlak odpudí vodný kameň a zlepší účinnosť tepelnej elektrárne
- Autor:
- Roman Mališka
- Zverejnené:
- 15. 2. 2024
- Hodnotenie:
- Už ste hlasovali.
Usadzovanie vodného kameňa v tepelných elektrárňach v dôsledku používania horúcej vody môže výrazne ovplyvniť účinnosť, čo podnietilo výskumníkov k vývoju nového povrchového náteru na báze mäkkého hydrogélu, ktorý odpudzuje kryštáliky vodného kameňa a zabraňuje ich priľnutiu k povrchu.
Usadzovanie vodného kameňa, ktorý sa skladá najmä z uhličitanu vápenatého, sa vyskytuje v domácnostiach na vnútornej strane varných kanvíc, nádrží na vodu či v práčkach. A to najmä v oblastiach s tvrdou vodou, čiže s vysokým obsahom minerálov, a pri kontakte povrchov s horúcou vodou.
Zatiaľ čo v domácnosti je to nepríjemné, usadzovanie vodného kameňa má väčší vplyv na tepelné elektrárne. Tieto elektrárne používajú na ohrev vody kotly, ktoré produkujú vysokotlakovú paru poháňajúcu turbínu na výrobu mechanickej energie, ktorú generátor premieňa na elektrickú energiu. Priemyselné výmenníky tepla a membrány sú náchylné na usadzovanie vodného kameňa, čo spôsobuje obrovské energetické straty, najmenej 2 % celkovej svetovej výroby energie ročne, v dôsledku zníženej účinnosti prenosu tepla a výkonu prietoku.
Na riešenie tohto problému spolupracovali švajčiarski výskumníci z ETH Zürich s kolegami z Kalifornskej univerzity v Berkley na vývoji inovatívneho povrchového náteru na báze hydrogélov, ktorý odpudzuje vodný kameň a zabraňuje jeho priľnutiu.
Výskumníci začali skúmaním jednotlivých kryštálov vodného kameňa a okolitého toku vody na mikroskopickej úrovni, aby zistili, ako sa kryštály usadzujú a priľnú v dynamickom vodnom prostredí. Potom sa pustili do vývoja niekoľkých povlakov z mäkkých materiálov a testovali ich v laboratóriu.
Pri experimentovaní predovšetkým s rôznym obsahom polymérov výskumníci zistili, že čím nižší bol obsah polymérov a vyšší obsah vody, tým horšie priľnuli kryštály uhličitanu vápenatého k povrchu, ktorý vyrobili tak, aby obsahoval drobné hrebene. Výskumníci sa pri svojom návrhu inšpirovali prírodou, najmä hrebienkami na koži žraloka, ktoré veľmi sťažujú prichytenie mikróbov.
Testy s použitím modelových častíc vyrobených z polystyrénu ukázali, že povrchové hrebene musia byť menšie ako častice, ktoré sa na nich usadzujú, aby sa zmenšila kontaktná plocha, a tým aj výsledná adhézna sila.
„Menili sme povrch materiálu, aby sme dosiahli čo najväčšiu účinnosť, a potom sme uskutočnili experimenty s kryštálmi s optimálnou veľkosťou štruktúry,“ povedal Julian Schmid, hlavný autor štúdie.
Pri pokusoch s kryštálmi vodného kameňa výskumníci zistili, že keď voda pretekala cez mäkký hydrogélom potiahnutý povrch, odstránilo sa až 98 % kryštálov s veľkosťou približne 10 mikrometrov. To bolo o 66 % viac ako pri použití pevného, neupraveného substrátu za rovnakých podmienok.
V súčasnosti sa na odstránenie vodného kameňa z výmenníkov tepla a membrán niekedy používajú toxické chemikálie. Vedci tvrdia, že ich nová povrchová úprava je ekologickejšia a účinnejšia ako súčasné prístupy. Okrem toho očakávajú, že ich riešenie bude škálovateľné.
Namiesto patentovania svojho prístupu sa výskumníci rozhodli zverejniť výsledky svojej štúdie, aby mohli nový povlak používať a ďalej rozvíjať aj iné zainteresované strany. Štúdia bola pritom nedávno uverejnená v magazíne Science Advances.
