I dag skal vi snakke uønsket begroning. På engelsk kaldet fouling – løst oversat er det uønsket vækst af materialer på en overflade.
Artiklen har været bragt i Dansk Kemi nr. 1, 2025 og kan læses uden illustrationer, strukturer eller ligninger herunder
(læs originalartiklen her)
Af Isaac Appelquist Løge1 og Benaiah U. Anabaraonye2
1 DTU Kemiteknik, Center for Energy Resources Engineering (CERE)
2 DTU Offshore
Fouling er måske et ydmygt ord, men med implikationer for milliarder. Uønskede materialer på overfladen kan opstå på mange måder og i mange sammenhænge, fra vores tænder til rør, der transporterer olie. For at forstå konceptet fouling bedre tager vi tre eksempler, hvor begroning kan have store konsekvenser.
Varmen bliver blokeret
Et andet vigtigt eksempel på begroning er, når varmevekslere – for eksempel i fjernvarmesystemer – bliver blokeret af mineraludfældninger. En varmeveksler overfører varme fra ét medium til et andet, men hvis der ligger et lag af kalk eller andre mineraler på væggene inde i varmeveksleren, kan varmen ikke passere effektivt.
En radiator er en type varmeveksler. Den overfører varmen fra vandet inde i den til luften omkring den. Forestil dig nu en radiator, der er dækket af et tykt lag støv: Du kan skrue nok så meget op for varmen, men rummet vil ikke blive tilsvarende varmt. En stor del af varmen vil gå til at varme støvlaget op, og vil derfor aldrig komme ud i rummet. På samme måde med en tilgroet varmeveksler – energiudnyttelsen falder, og det kræver mere brændsel eller elektricitet at opretholde den ønskede temperatur. I industrien tabes op til 0,25 procent af industrialiserede landes GDP hvert år grundet ineffektive varmevekslere (EPSTEIN, 1983).
Trykket stiger
Begroning i systemer, der udvinder geotermisk energi kan være et kritisk problem. Når varmt vand hentes op fra undergrunden, bringer det ofte opløste mineraler med sig. Når det varme, mineralholdige vand afkøles og trykket ændres, udfældes mineralerne i rør, som kan føre til blokeringer. Denne opbygning kræver omfattende vedligeholdelse og kan føre til driftsstop, hvilket påvirker produktiviteten og økonomien i geotermiske anlæg.
I Margretheholm så forskere, at mineraludfældninger halverede udbyttet af vand, samtidig med at trykket steg syv gange (Kazmierczak et al., 2022). Derfor er det afgørende at udvikle metoder til at forhindre eller minimere denne type begroning for at sikre bæredygtig og økonomisk rentabel geotermisk energi.
Vandet stopper
Membraner, altså meget fine filtre, bruges i vid udstrækning til at filtrere vand, luft eller andre væsker. De kan bruges til at lave beskidt vand om til rent drikkevand – hvis de da virker, som de skal. Men ligesom rør kan membraner blive tilstoppet af aflejringer. Når mineraler sætter sig fast på membranernes overflade eller i deres mikroskopiske porer, blokeres gennemstrømningen. Resultatet er, at filtreringseffektiviteten falder, mens energiforbruget stiger, fordi man skal pumpe hårdere for at opretholde flowet.
Dette problem er især kritisk i fødevareindustrien, i medicinsk udstyr og i fremstillingen af rent drikkevand. Når en membran stopper til, skal den udskiftes. Når man laver drikkevand med membraner, kan op til 20 procent af driftsomkostningerne gå til at udskifte membraner, og 25 procent ekstra går til at behandle vandet, for at der sker så få mineralaflejringer som muligt (Rolf et al., 2022). Derfor er det afgørende at udvikle metoder til at forhindre, at belægningen opstår, og for at kunne rense eller udskifte membraner hurtigt og effektivt.
Hvad er begroning?
For at begroning kan ske, skal et mineral først være overmættet i en opløsning. Overmætning opstår ved forskellige forhold for ulige mineraler. Det andet kriterie er en overflade, hvor mineralerne kan sætte sig fast på. I husholdet kan det være bunden af en elkedel, hvor kalklag gror.
Hvordan undgår vi det?
En stor del af kampen mod mineralaflejringer begynder allerede med selve væsken. Ved at behandle vandet – fysisk eller kemisk – kan man fjerne eller mindske de ioner, der senere vil udfældes som krystaller. Et eksempel på fysisk behandling er behandling af vandet med elektromagnetisk stråling (Lin et al., 2020), mens kemisk behandling kan være tilsætning af stoffer, der hæmmer krystalvækst. Man kan også overfladebehandle rørsystemer, varmevekslere eller membraner med særlige belægninger, der gør det sværere for mineralerne at sætte sig fast.
Fælles for alle disse metoder er dog, at man skal vide, hvor og hvornår mineralerne sætter sig, så rengøringen kan planlægges optimalt. Hvis vi ikke forstår de underliggende processer – hvordan mineraler udfældes, klæber til overflader og i sidste ende løsriver sig – risikerer vi enten at rense for tidligt eller for sent. Begge dele koster tid, penge og ressourcer. Og derfor er det vigtigt at forstå, hvordan begroning gror.
Begroning skal nemlig ses som en balance mellem opbygning og nedbrydning. Hvis vi kun fokuserer på, hvor hurtigt belægningen vokser, men ignorerer hastigheden af, hvor hurtigt den samtidig falder af, får vi et ufuldstændigt billede. Historisk har der været et større fokus på, hvordan et lag bliver opbygget over tid, end hvordan det gradvist knækker af. Faktisk er det er lige netop løsrivelsesprocessen, der gør, at begroning på en overflade er anderledes fra blot at være en almindelig udfældning i selve væskevolumen. De kræfter, der får mineralbelægningen til at slippe eller knække af, kan påvirke væksten på måder, der ved første øjekast kan virke paradoksale (Løge & Anabaraonye, 2024).
Når kemiske inhibitorer arbejder imod os
For eksempel skulle man tro, at kemiske inhibitorer altid hjælper med at reducere krystaldannelse på overflader, men forskning viser, at de nogle gange gør det modsatte (Løge et al., 2023). For eksempel kan lave koncentrationer af inhibitorer faktisk øge, hvor meget der gror på en overflade. Det sker, fordi inhibitorerne sænker, hvor hurtigt krystallerne gror. Men når krystaller gror meget hurtigt, kan der dannes skrøbelige krystalstrukturer, som lettere knækker af, især når væsken har et højt indhold af mineraler. Derfor kan en inhibitor faktisk sørge for, at krystallerne gror lidt langsommere, men også laver mere stabile strukturer.
Inhibitorerne kan både reducere og forværre fouling, afhængigt af situationen – et fænomen, som gør det svært at forudsige effekten og planlægge vedligehold.
Når rækkefølgen afgør alt
Det viser sig, at rækkefølgen af, hvordan forskellige lag af materialer aflejres, kan have en overraskende stor betydning (Loge et al., 2022). Hvis det første lag, der aflejres på en overflade, er stærkt og modstandsdygtigt, skaber det en stabil base, hvor nye lag kan vokse hurtigt og jævnt. Omvendt, hvis det første lag er skrøbeligt eller har svage bindinger til overfladen, kan hele systemet blive ustabilt. Det betyder, at de efterfølgende lag lettere løsner sig, selvom de måske normalt ville binde godt. Denne dynamik mellem stærke og svage lag kan føre til en paradoksal situation, hvor væksten først accelereres, men senere hæmmes af hyppig løsrivelse.
Netop denne effekt er vist med to mineraler, barite (BaSO4) og kalk (CaCO3). Her er barite et stærkt mineral, som binder meget hårdt til en overflade. Når der blev groet kalk på et eksisterende barite-lag, groede kalken dobbelt så hurtigt. Men når det omvendte var tilfældet; at barite groede på kalk, så faldt næsten det hele af.
Sådan en uventet effekt understreger, hvor vigtigt det er at forstå, hvordan forskellige materialer interagerer, og hvordan deres rækkefølge påvirker det samlede system.
Hvordan kan begroning så løsrive sig?
Derfor er det vigtigt at forstå, hvorfor og hvordan løsrivning af begroning sker. Der er generelt tre processer, der kan få en belægning til at løsrive sig fra overfladen, hvor det har sat sig:
• Genopløsning (kemisk opløsning af aflejringerne)
• Erosion (slid gennem flow)
• Knæk (brud af større stykker).
At forstå disse mekanismer mere præcist er det næste store skridt inden for fouling-forskning, fordi det åbner for mere præcise modeller og bedre rengørings- og driftsstrategier.
I den kommende miniserie vil vi beskrive, hvordan en bedre forståelse af disse løsrivningsmekanismer kan bruges til at minimere begroning. I næste udgave kan du læse mere om, hvordan den overflade begroningen sker på, har en afgørende rolle for opbygningen og løsrivningen.
E-mail:
Isaac Appelquist Løge: isacl@kt.dtu.dk
FAKTABOKS:
Typiske mineraler som danner aflejringer
1. Calciumcarbonat (CaCO3)
– Kaldes også kalk i hverdagen.
– Meget almindeligt i både danske husholdninger (kalkaflejringer i elkedlen eller brusekabinen) og industrien (varmevekslere, køletårne).
– Bliver nemt udfældet, når vand opvarmes, eller pH stiger.
2. Calciumsulfat (CaSO4)
– Kaldes også gips (i hydratiseret form).
– Forekommer ofte i kedler, varmevekslere og geotermiske anlæg, hvor salte ophobes.
– Laver en relativ porøs belægning.
3. Bariumsulfat (BaSO4)
– Typisk set i olie- og gasindustrien, hvor det kan give massive udfældninger dybt nede i brønde.
– Også meget “tungtopløseligt”, så selv små ændringer i vandkemi kan føre til kraftige aflejringer.
4. Silicabaserede mineraler (for eksempel SiO2)
– Kan udfældes fra varmt vand i for eksempel geotermiske anlæg eller dampkedler.
– Danner hårde, glasagtige belægninger, der er vanskelige at fjerne.
5. Jern- og manganforbindelser
– I vandforsyningen kan jern eller mangan udfældes og give rødlige eller sorte belægninger.
– Kan påvirke drikkevandskvaliteten og kræver ofte speciel kemisk behandling.
