Cómo quitar la sal del agua: hágalo autoexpulsar | Noticias del MIT



Se estima que alrededor de un cuarto por ciento del producto interno bruto total de los países industrializados se pierde debido a un solo problema técnico: el ensuciamiento de las superficies de los intercambiadores de calor por sales y otros minerales disueltos. Este ensuciamiento reduce la eficiencia de múltiples procesos industriales y, a menudo, requiere contramedidas costosas, como el tratamiento previo del agua. Ahora, los descubrimientos del MIT podrían conducir a una nueva forma de reducir estas incrustaciones y, potencialmente, incluso convertir este proceso perjudicial en uno productivo que pueda producir productos vendibles.

Los resultados son el resultado de años de trabajo de los recién graduados del MIT Samantha McBride PhD & # 39; 20 y Henri-Louis Girard PhD & # 39; 20 con la profesora de Ingeniería Mecánica Kripa Varanasi. La obra, informa hoy en el diario Progreso cientifico, 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 cómo cristalizan las sales en estas superficies, descubrieron que la sal que precipita inicialmente formaría una capa esférica parcial alrededor de una gota. Inesperadamente, este caparazón se levantaría repentinamente sobre un conjunto de extensiones delgadas con forma de patas que se desarrollaron durante la evaporación. El proceso ha producido repetidamente formas con múltiples patas, que se asemejan a elefantes y otros animales, e incluso a droides de ciencia ficción. Los investigadores apodaron a estas formaciones como "criaturas de cristal" en el título de su artículo.

Después de muchos experimentos y análisis detallados, el equipo determinó el mecanismo que produjo estas protuberancias en forma de pierna. También mostraron cómo las protuberancias variaban según la temperatura y la naturaleza de la superficie hidrofóbica, que se produjo mediante la creación de un patrón nanométrico de crestas bajas. Descubrieron que las patas estrechas que sostienen estas formas parecidas a criaturas continúan creciendo hacia arriba desde el fondo, a medida que el agua salada fluye hacia abajo a través de las patas parecidas a pajitas y se precipita hacia el fondo, como un cubo de hielo en crecimiento, solo balanceándose sobre su punta. Eventualmente, las piernas 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 impulsado 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. "La experiencia de Samantha mostró este efecto interesante en el que la escala aparece por sí sola", dice.

“Estas patas son tubos huecos y el líquido se dirige 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. "Al final del día, el contacto entre el sustrato y el cristal es muy, muy limitado, hasta el punto en que estos simplemente se deslizan por sí mismos".

McBride recuerda que mientras hacía los experimentos iniciales como parte de su trabajo de tesis doctoral, "definitivamente sospechamos que esta superficie en particular funcionaría bien para eliminar la adherencia del cloruro de sodio, pero no sabíamos que lo era. Una consecuencia de prevenir esto la adhesión sería expulsión. de todo 'desde la superficie.

Descubrió que una de las claves era la escala exacta de los patrones de la superficie. Si bien muchas escalas de longitud de patrón diferentes pueden producir superficies hidrofóbicas, solo los patrones de nanoescala logran este efecto de autoexpulsión. "Cuando evaporas una gota de agua salada en una superficie superhidrofóbica, lo que suele ocurrir es que estos cristales comienzan a absorber la textura y simplemente forman un globo, y no terminan asentando. Despega", dice McBride. "Así que es algo muy específico sobre la textura y la escala de longitud que estamos viendo aquí que permite que ocurra 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 de gran ayuda para una amplia variedad de procesos. Todo tipo de estructuras metálicas en el medio marino o expuestas al agua de mar sufren incrustaciones y corrosión. Los resultados también pueden permitir nuevos métodos para estudiar los mecanismos de incrustación y corrosión, dicen los investigadores.

Al variar la cantidad de calor a lo largo de la superficie, incluso es posible hacer rodar las formaciones de cristales en una dirección específica, encontraron los investigadores. Cuanto mayor sea la temperatura, más rápido será el crecimiento y despegue de estas formas, lo que minimiza el 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 muy afectada por cualquier suciedad en la superficie. Estas pérdidas por sí solas, según Varanasi, representan un cuarto de un por ciento del PIB de los Estados Unidos y otros países industrializados. Pero las incrustaciones también son 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 donde no sería práctico de otra manera, como en algunos sistemas de enfriamiento industrial. Además, en determinadas situaciones, las sales y otros minerales recuperados podrían ser productos vendibles.

Si bien los primeros experimentos se realizaron con cloruro de sodio regular, se espera que otros tipos de sales o minerales produzcan efectos similares, y los investigadores continúan explorando la posibilidad de extender este proceso a otros tipos de soluciones.

Debido a que los métodos de fabricación de texturas para producir una superficie hidrofóbica ya están bien desarrollados, dice Varanasi, se espera que la implementación de este proceso a gran escala industrial sea relativamente rápida y podría permitir el uso de agua salada. O salobre para sistemas de enfriamiento que de otra manera lo harían. requieren el uso de agua dulce valiosa y, a menudo, limitada. Por ejemplo, solo en los Estados Unidos, cada año se utilizan un billón de galones de agua dulce para enfriar. Una planta de energía típica de 600 megavatios utiliza alrededor de mil millones de galones de agua por año, lo que podría ser suficiente para abastecer a 100.000 personas. Esto significa que usar agua de mar para enfriar cuando sea posible podría ayudar a aliviar un problema de escasez de agua dulce.

"Este trabajo muestra un fenómeno notable e interesante", dice Neelesh Patankar, profesor de ingeniería mecánica en la Universidad Northwestern, que no estuvo asociado con esta investigación. Los resultados, dice, "pueden conducir a un enfoque completamente nuevo para mitigar las incrustaciones minerales en los procesos industriales. Este trabajo no solo es interesante desde una perspectiva científica fundamental, sino que, en mi opinión, también es de importancia práctica.

El trabajo fue apoyado por Equinor a través de la MIT Energy Initiative, el MIT Martin Fellowship Program y la National Science Foundation.

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