Khoảng một phần tư tổng sản phẩm quốc nội của các nước công nghiệp phát triển ước tính bị thâm hụt do một vấn đề kỹ thuật duy nhất: sự đóng cặn bẩn của muối và các khoáng chất hòa tan khác lên bề mặt của bộ trao đổi nhiệt. Vấn đề sẽ có thể được giải quyết triệt để và mang lại lợi ích lớn cho sản xuất công nghiệp.
Sự đóng cặn bẩn của muối làm giảm hiệu quả của nhiều quy trình công nghệ trong ngành công nghiệp và thường đòi hỏi các biện pháp đối phó tốn kém như cần xử lý nước trước khi đưa vào vận hành của quá trình sản xuất.
Giờ đây, những phát hiện từ Đại học kỹ thuật Massachusetts (MIT) có thể dẫn đến một phương pháp mới để giải quyết vấn đề này và thậm chí có khả năng cho phép biến quy trình có hại đó thành một quy trình hiệu quả có thể mang lại các sản phẩm có thể kinh doanh được.
Các phát hiện là kết quả nghiên cứu của nhiều năm làm việc của các sinh viên tốt nghiệp MIT gần đây như các tiến sĩ Samantha McBride và Henri-Louis Girard cùng với giáo sư kỹ thuật cơ khí Kripa Varanasi. Công trình được công bố trên tạp chí Science Advances cho thấy rằng, bằng sự kết hợp của bề mặt kỵ nước (đẩy nước) và nhiệt, các muối hòa tan có thể kết tinh theo cách giúp chúng dễ dàng tự loại bỏ mình khỏi bề mặt của bộ trao đổi nhiệt, trong một số trường hợp chỉ bằng trọng lực của chính nó.
Khi các nhà nghiên cứu bắt đầu nghiên cứu cách muối kết tinh trên các bề mặt như vậy, họ nhận thấy rằng ban đầu muối kết tủa sẽ tạo thành một phần vỏ hình cầu xung quanh giọt nước. Thật bất ngờ, lớp vỏ này sau đó sẽ đột ngột nở ra bởi một tập hợp các phần tử bám tụ lại giống như chân người trong quá trình bay hơi. Quá trình này lặp đi lặp lại tạo ra nhiều hình dạng, giống như voi và các động vật khác, và thậm chí cả những hình dáng kỳ lạ như trong khoa học viễn tưởng. Các nhà nghiên cứu đặt tên cho những hình thành này là "các sinh vật tinh thể" trong tiêu đề của bài báo của họ.
Sau nhiều thử nghiệm và phân tích chi tiết, nhóm nghiên cứu đã xác định được cơ chế sinh ra những chỗ lồi lõm giống như chân này. Họ cũng cho thấy các phần lồi lõm thay đổi như thế nào tùy thuộc vào nhiệt độ và bản chất của bề mặt kỵ nước, được tạo ra bằng cách tạo ra một mô hình các gờ thấp với kích thước nano.
Họ phát hiện ra rằng các chân có hình dạng giống như sinh vật này tiếp tục phát triển lên từ phía dưới, khi nước mặn chảy xuống qua các chân giống như rơm và kết tủa ở phía dưới, phần nào giống như một viên băng đang phát triển. Cuối cùng, đôi chân trở nên dài đến mức không thể chịu được trọng lượng toàn bộ khối hình và các tinh thể muối vỡ ra và rơi xuống hoặc bị cuốn trôi.
Công trình được thúc đẩy bởi mong muốn hạn chế hoặc ngăn chặn sự hình thành đóng cặn muối kết tinh trên các bề mặt, bao gồm cả bên trong đường ống, nơi mà việc đóng cặn như vậy có thể dẫn đến tắc nghẽn. Varanasi cho biết: “Thí nghiệm của Samantha đã cho thấy hiệu ứng thú vị này khi mà các khối kết tủa đủ lớn nó sẽ tự bật ra.
Tiến sĩ McBride cho biết: “Những chiếc chân này là những ống rỗng và chất lỏng được dẫn xuống qua những ống này. Một khi nó chạm đáy và bốc hơi, nó sẽ hình thành những tinh thể mới liên tục làm tăng chiều dài của ống. Dần dần sự tiếp xúc giữa chất nền và tinh thể sẽ rất hạn chế, đến khi những khối tinh thể này sẽ tự lăn đi".
Tiến sĩ McBride nhớ lại rằng khi thực hiện các thí nghiệm ban đầu như một phần của công trình luận án tiến sĩ của mình, "chúng tôi đoán rằng bề mặt này sẽ hoạt động tốt để loại bỏ sự kết dính natri clorua, nhưng chúng tôi không biết rằng hệ quả của việc ngăn chặn sự kết dính đó là việc làm cho toàn bộ những cặn bám vào bề mặt đều bị rơi ra”.
Tiến sĩ đã phát hiện ra một điểm then chốt là tỷ lệ chính xác của các cặn mẫu bám trên bề mặt. Trong khi nhiều độ dài khác nhau của phần chân này có thể tạo ra các bề mặt kỵ nước, chỉ những mẫu ở quy mô nanomet mới đạt được hiệu ứng tự rơi ra này. Tiến sĩ McBride cho biết: “Khi một giọt nước muối trên bề mặt kỵ nước bay hơi, thông thường những tinh thể đó bám vào bề mặt và tạo thành hình cầu và không thể rời ra. Vì vậy có một tỷ lệ rất cụ thể về hình thể bề mặt và chiều dài chân mà chúng tôi cần nghiên cứu ở đây để có thể xảy ra việc tư rơi ra khỏi bề mặt của giọt nước muối đó”.
Quá trình tự rơi ra khỏi bề mặt này, đơn giản dựa trên sự bay hơi từ một bề mặt có kết cấu có thể dễ dàng tạo ra bằng cách ăn mòn, mài mòn hoặc tạo lớp phủ, có thể là một lợi ích cho nhiều quy trình khác nhau. Tất cả các loại kết cấu kim loại trong môi trường biển hoặc tiếp xúc với nước biển đều bị đóng cặn và ăn mòn. Các nhà nghiên cứu cho biết, phát hiện này cũng có thể cho phép các phương pháp mới để điều tra cơ chế đóng cặn và ăn mòn.
Các nhà nghiên cứu nhận thấy bằng cách thay đổi lượng nhiệt dọc theo bề mặt, thậm chí có thể khiến các tinh thể hình thành cuộn theo một hướng cụ thể. Nhiệt độ càng cao, sự phát triển và bay ra của các dạng này diễn ra càng nhanh, giảm thiểu thời gian khối tinh thể bám trên bề mặt.
Bộ trao đổi nhiệt được sử dụng trong nhiều quy trình công nghệ sản xuất sản phẩm khác nhau và hiệu quả của chúng bị ảnh hưởng mạnh bởi bất kỳ sự đóng cặn bẩn nào trên bề mặt. Theo giáo sư Varanasi, những thiệt hại đó đã bằng một phần tư GDP của Hoa Kỳ và các quốc gia công nghiệp phát triển khác. Nhưng đóng cặn bẩn cũng là một yếu tố chính trong nhiều lĩnh vực khác. Nó ảnh hưởng đến các đường ống trong hệ thống phân phối nước, giếng địa nhiệt, nông nghiệp, nhà máy khử muối, và nhiều hệ thống năng lượng tái tạo và phương pháp chuyển đổi carbon dioxide.
Giáo sư Varanasi nói rằng phương pháp này thậm chí có thể cho phép sử dụng nước mặn chưa qua xử lý trong một số quy trình mà nếu không thì điều đó sẽ không thực tế, chẳng hạn như trong một số hệ thống làm mát công nghiệp. Hơn nữa, trong một số tình huống, muối thu hồi và các khoáng chất khác có thể là sản phẩm bán được.
Trong khi các thí nghiệm ban đầu được thực hiện với natri clorua thông thường, các loại muối hoặc khoáng chất khác dự kiến sẽ tạo ra các hiệu ứng tương tự và các nhà nghiên cứu đang tiếp tục khám phá việc mở rộng quá trình này sang các loại dung dịch khác.
Vì các phương pháp tạo ra bề mặt kỵ nước đã được phát triển tốt, giáo sư Varanasi nói, việc thực hiện quy trình này ở quy mô công nghiệp lớn sẽ tương đối nhanh chóng và có thể cho phép sử dụng nước mặn hoặc nước lợ cho các hệ thống làm mát, qua đó có thể hạn chế sử dụng nước ngọt có giá trị hơn. Ví dụ, chỉ riêng ở Hoa Kỳ, một nghìn tỷ khối nước ngọt được sử dụng mỗi năm để làm mát. Một nhà máy điện 600 megawatt điển hình tiêu thụ khoảng một tỷ khối nước mỗi năm, có thể đủ để phục vụ 100.000 người. Điều đó có nghĩa là nếu sử dụng nước biển làm mát, có thể giúp giảm bớt vấn đề khan hiếm nước ngọt.
Công trình được Equinor hỗ trợ thông qua Sáng kiến Năng lượng của Đại học MIT, Chương trình Học bổng MIT Martin và Quỹ Khoa học Quốc gia.
Nguyễn Can
Theo Đại học MIT/Sciencedaily
