Overfladens rolle.
Artiklen har været bragt i Dansk Kemi nr. 2, 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 Ressource Engineering (CERE)
2 DOTC, Danish Offshore Technology Center
I den første del af denne artikelserie undersøgte vi, hvordan uønsket begroning – fouling – opstår i forskellige systemer, og hvilke konsekvenser det kan have. Vi så, hvordan geotermiske anlæg, membranfiltrering og varmevekslere lider under mineralaflejringer. I denne artikel vender vi blikket mod et afgørende aspekt i, hvorfor fouling opstår: overfladen, hvorpå begroningen foregår.
Overfladens betydning for begroning
Måden fouling opbygger sig på over tid, afhænger ikke kun af væskens sammensætning, men også af selve overfladen, som det sætter sig på. Overfladens struktur og egenskaber kan enten forværre eller mindske begroning [1]. Figur 1 illustrerer forskellige overflader, hvor begroning kan ske. Her vises eksempler på mønstrede overflader og forskellige materialer.
Forskning viser, at en ru overflade kan accelerere hastigheden af begroning, fordi små ujævnheder i en overflade kan give krystallerne flere steder at fæstne sig på. Desuden kan krystaller, der er groet på en ru overflade, vokse sammen på en mere kaotisk måde, hvilket gør, at de kan binde sig tættere til hinanden [2]. På den anden side kan en glat overflade reducere risikoen for ophobning, fordi færre krystalstrukturer kan få fodfæste.
Men det er desværre ikke så simpelt. Når man skal bestemme en overflades påvirkning på begroning, er der mange faktorer, som spiller ind. For bedst muligt at blive fri for begroning, skal man derfor have godt styr på, hvilken indflydelse overfladen har.
Mønstrede overflader kan minimere begroning
Forskere har vist, at hvis man laver et strategisk design af sin overflade, kan det have en mindskende effekt på fouling [3]. Dette kan for eksempel være ved at skære sin overflade i et bestemt mønster. Man kan lave sin overflade på en måde, som fremmer krystallernes løsrivelse. På den måde vil man få mindre vækst over tid. Det kan gøres ved, at en overflade skaber turbulens i væsken, som gør, at der er en større kraftpåvirkning på overfladen, og at krystallerne løsner sig lettere [4]. Dette betyder, at i stedet for en tyk, fastsiddende belægning, kan der opstå en cyklus af opbygning og løsrivelse, hvilket gør det lettere at fjerne begroningen ved rengøring eller naturlig erosion.
Overfladebehandling som en løsning på begroning
Udover at lave mønstrede overflader, kan man også coate sin overflade. For at mindske fouling har forskere udviklet en række coatings, der ændrer overfladers egenskaber. To eksempler på dette er:
• Liquid infused surfaces (LIS): Inspireret af naturen har forskere udviklet overflader, der imiterer blade med vandafvisende egenskaber og forhindrer fastsiddende belægninger [5].
• Magnetiske belægninger: Visse materialer kan anvendes til at skabe en dynamisk interaktion med aflejringer, der gør dem lettere at fjerne [6].
Liquid Infused Surfaces (LIS)
En klassisk tilgang til at skabe LIS er at anvende en porøs overflade – for eksempel en polymer- eller metalstruktur – som bliver infunderet med en væske, der har lav overfladespænding. Ideen er inspireret af kødædende planter, der udskiller et tyndt lag væske på deres overflade, så insekter ikke kan få fodfæste. I praksis kan man bruge silikone- eller fluorbaserede olier, der trænger ned i de mikroskopiske porer, så overfladen fremstår jævn og “glat” for eventuelle aflejringer. Materialer som PTFE (teflon) fungerer ofte som grundlag for disse porøse strukturer, fordi de er hydrofobe og kemisk stabile.
Fordelen er, at de faste partikler i væsken eller krystalstrukturerne har svært ved at binde sig på en overflade, der hele tiden er “våd” med en uforenelig væske. På den måde bliver aflejring enten helt forhindret eller i det mindste løsnet, så den er nemmere at skylle væk. LIS-teknologien er særligt interessant for medicinsk udstyr, fødevareproduktion samt varmevekslere, hvor man ønsker så lidt begroning som muligt og i øvrigt vil undgå aggressive rengøringsmetoder.
Magnetiske belægninger
Magnetiske belægninger er et andet lovende værktøj i kampen mod fouling. Her integreres magnetiske partikler – for eksempel jernoxid (Fe3O4) – i overfladestrukturen eller i en separat coating, der kan påføres det ønskede materiale. Fordelen er, at man kan bruge eksterne magnetfelter til at påvirke aflejringerne på overfladen: Krystaller eller biologisk materiale, som forsøger at sætte sig, kan ofte ikke få stabilt fæste, hvis belægningen hele tiden “vibrerer” eller forstyrres magnetisk.
I nogle systemer kan man endda skifte polarisering eller intensiteten af magnetfeltet, så belægningen nærmest “ryster” potentielle aflejringer væk. Teknologien er stadig under udvikling, men viser lovende resultater i laboratorieforsøg.
Hvorfor er forudsigelse af overfladens rolle i fouling så udfordrende?
Selvom vi ved meget om, hvordan fouling dannes, forbliver forudsigelsen af begroningens vækst en udfordring. Der er en kompleks interaktion mellem krystaller og overflader, hvilket gør, at vækstrater er svære at forudsige. Hastigheden begroning kan ske med, kan variere op til fem gange, alt efter hvilken overflade de gror på [7]. Figur 2 viser, hvordan forskere testede begroning af CaSO4 på forskellige overflader og så forskellige vækstrater.
Dertil kommer, at når krystallerne har nået en bestemt størrelse, vil de også begynde at knække af. Den styrke, som de har hæftet sig fast på overfladen, og dermed hvor meget der skal til at rive dem, er ikke særlig godt forstået. De fleste modeller fokuserer primært på, hvor hurtigt et lag dannes, men ignorerer den løsrivelse, der finder sted. Ved at inkludere mekanismer for, hvordan belægninger løsriver sig, kan vi opnå mere præcise beregninger og dermed bedre planlægge vedligeholdelse og forebyggende behandlinger.
Hvordan kan overflader hjælpe med, at du bliver fri for begroning?
For at bekæmpe fouling effektivt er det ikke nok blot at fjerne de opbyggede lag – vi skal forstå samspillet mellem væske, overflade og tid. Fremtidens løsninger vil sandsynligvis kombinere forbedrede overfladematerialer med mere præcise modeller, der kan forudsige både vækst og løsrivelse af belægninger.
I takt med at forskningen skrider frem, bliver vi klogere på, hvordan vi kan bruge overfladevidenskab til at designe systemer, hvor fouling ikke blot reduceres, men bliver en forudsigelig og håndterbar del af vedligeholdelsen.
E-mail:
Isaac Appelquist Løge: isacl@kt.dtu.dk
Referencer
1. Bogacz, W. et al. Impact of roughness, wettability and hydrodynamic conditions on the incrustation on stainless steel surfaces. Appl Therm Eng 112, 352-361 (2017).
2. Keysar, S., Semiat, R., Hasson, D. & Yahalom, J. Effect of Surface Roughness on the Morphology of Calcite Crystallizing on Mild Steel. J Colloid Interface Sci 162, 311-319 (1994).
3. Eroini, V., Neville, A., Kapur, N. & Euvrard, M. Preventing Scale Formation Using Modified Surfaces. in Corrosion 1-15 (2011).
4. Løge, I.A. et al. Scale attachment and detachment: The role of hydrodynamics and surface morphology. Chemical Engineering Journal 430, 132583 (2021).
5. Villegas, M., Zhang, Y., Abu Jarad, N., Soleymani, L. & Didar, T.F. Liquid-Infused Surfaces: A Review of Theory, Design, and Applications. ACS Nano 13, 8517-8536 (2019).
6. Masoudi, A., Irajizad, P., Farokhnia, N., Kashyap, V. & Ghasemi, H. Antiscaling Magnetic Slippery Surfaces. ACS Appl Mater Interfaces 9, 21025-21033 (2017).
7. Løge, I.A. & Anabaraonye, B.U. The importance of detachment processes in modelling crystallization fouling. Chemical Engineering Journal 497, 154642 (2024).
8. Jin, H.Q., Athreya, H., Wang, S. & Nawaz, K. Experimental study of crystallization fouling by calcium carbonate: Effects of surface structure and material. Desalination 532, 115754 (2022).
9. Løge, I.A., Anabaraonye, B.U. & Fosbøl, P.L. Growth mechanisms for composite fouling: The impact of substrates on detachment processes. Chemical Engineering Journal 446, 137008 (2022).
10. Løge, I.A. et al. Scale attachment and detachment: The role of hydrodynamics and surface morphology. Chemical Engineering Journal 430, 132583 (2021).
11. Løge, I.A. et al. Revealing the complex spatiotemporal nature of crystal growth in a steel pipe: Initiation, expansion, and densification. Chemical Engineering Journal 466, 143157 (2023).
