Væskens vilde vej.
Artiklen har været bragt i Dansk Kemi nr. 6, 2025 og kan læses uden illustrationer, strukturer eller ligninger herunder
(læs originalartiklen her)
Af Isaac Appelquist Løge, DTU Kemiteknik, Center for Energy Ressource Engineering (CERE)
I de to første afsnit af denne serie beskrev vi, hvordan krystalvækst sker, og hvordan det sætter sig fast. Nu er vi nået til den tredje hovedaktør: selve væskestrømmen, der bærer de reaktive materialer.
I laboratoriet kan forskere måle, at højere flow enten accelererer eller sænker mængden af krystaller, der bliver siddende på væggen. Når man læser hele den akademiske litteratur på emnet igennem, springer paradokset i øjnene: 14 studier peger på, at højere væskehastighed giver mere vækst, hvorimod 17 studier mener, at der bliver mindre vækst. I denne artikel vil vi se nærmere på forklaringen bag dette paradoks [1].
Når buffet og madpakke forveksles
Den tilsyneladende uenighed bliver mindre mystisk, når man opdager, at forsøgene falder i to lejre. I de “åbne” systemer – altså dem, hvor der hele tiden tilføres friske ioner – vokser krystallerne næsten altid hurtigere, jo mere vandet piskes rundt. I de “lukkede” systemer, hvor opløsningen gradvist tømmes for byggesten, giver ekstra flow derimod et fald i nettoaflejringen, fordi krystallaget bliver revet løs, før nye ioner kan erstatte de mistede molekyler.
Det hjælper at tænke på to frokostscenarier, der i praksis er hinandens modsætninger.
Forestil dig først en kontinuerligt fyldt buffet på et hotel: ethvert fad, der bliver tømt, fyldes øjeblikkeligt igen, så gæsterne kan øse uendelige portioner op. Jo hurtigere de bevæger sig gennem buffeten, jo mere mad kan de indtage, lidt som ionerne i et åbent system, hvor øget flow blot skaffer flere byggesten til overfladen, hvor reaktionshastigheden stiger.
Tager vi derimod på vandretur med en madpakke i rygsækken, er mængden af rugbrødsmadder fastlagt fra start. Hvis man spiser hurtigere, når man hurtigere igennem maden og ender sulten, længe inden turen slutter; på samme måde skylles ionerne hurtigere forbi overfladen i et lukket system, og laget får ikke tid til at vokse.
Tre regimer – én fælles ramme
Man kan forstå effekten af væskens hastighed på, hvor hurtigt krystallerne gror med en konceptuel tre-regime-model, der sætter ord på de modstridende observationer. Hvert regime er defineret ved, hvilken grundlæggende mekanisme der begrænser væksten.
I transportregimet er det tilførslen af ioner, der halter, og derfor stiger lagtykkelsen, hver gang pumpehjulet får et nøk opad.
I reaktionsregimet kan overfladen ikke “spise” ionerne hurtigere, uanset hvor kraftigt de kommer susende.
Og i adhæsionsregimet er det væskens forskydningsspænding τ, der overgår krystallagets indre styrke, så aflejringen falder. Nogle gange helt til nul.
Overgangen fra ét regime til et andet sker ikke ved én universel hastighed, men afhænger af både mineral, overflade og temperatur. Netop derfor dukker man ofte ned i forskellige regimer, når man flytter et forsøg fra glasrør i laboratoriet til en stålvarmeveksler på et procesanlæg.
Eksempler på, at virkeligheden skifter gear
To forskere, Al-Hadhrami og Quddus, viste, at når CaSO4 bliver dannet ved en højere og højere hastighed, fladede kurven ud, hvilket peger på, at man gled over i et reaktionsbegrænset felt, hvor ekstra turbulens ikke gjorde nogen forskel. De kom altså i et tilfælde af, at der var nok mad til gæsterne i buffeten, og selvom fadene blev fyldt hurtigere op, blev gæsterne ikke mere mætte [2].
I et varmevekslerstudie fra Mwaba og kolleger opstod der derimod et tydeligt maksimum for CaCO3: Da shear-stress først oversteg lagets adhæsion, begyndte krystallerne at slippe, og nettoaflejringen faldt asymptotisk, i takt med at man skruede yderligere op for hastigheden.
Det mest dramatiske eksempel kommer fra Masoudi, som målte, at et CaSO4-lag ophørte fuldstændigt med at eksistere, når den kraft, overfladen oplevede oversteg 23 mPa; systemet hoppede direkte ind i adhæsionsregimet [3].
Den hemmelige styrke under laget
Hvorfor kan to tilsyneladende ens lag reagere så forskelligt?
En del af svaret ligger i, at krystallag ikke er homogene. Allerede i 1990’erne viste forskere, at lagstyrken kan variere med en faktor 30 fra inderst til yderst i et fem millimeter tykt CaSO4-lag [4]. Porøsitet, defekter, indlejrede partikler og mikroporer betyder, at σ ændrer sig, mens laget vokser; de tal, vi måler i ét tykt stykke skala, gælder derfor ikke nødvendigvis to centimeter længere henne i systemet.
De største ubekendte
Selv om tre-regime-modellen giver et fælles sprog, er der mange åbne spørgsmål, der hindrer vores evne til at forudsige, hvor hurtigt krystallerne gror. For det første er der stadig ingen konsensus om, hvordan man beregner den reelle adhæsionsstyrke, når krystaldefekter, forskellige krystalformer og temperatur ændrer sig undervejs i vækstens tilkomst.
For det andet er de lokale stressfordelinger vanskelige at måle i rør, hvor selve krystallerne forvrænger strømningsfeltet og skaber mikrohvirvler, som standardmodeller overser.
Endelig står det uklart, hvordan ionkoncentration påvirker lagets interne vekselvirkninger; studier antyder, at højere koncentrationer kan gøre lagene mere tætte og dermed stærkere [5].
Afslutning
Fra ioner i opløsningen over overfladens mikromønstre til væskens vilde vej tegner der sig et fælles motiv: Krystalliseringsfouling er ikke én fjende, men et levende samspil mellem kemi, materialer og hydrodynamik.
Først når modellerne rummer alle tre dimensioner, og især når de tør tage fat på de stadig ukendte mekanikker bag adhæsion og mikro-shear, kan vi begynde at forudsige og forhindre de driftsstop, der hvert år koster industrien milliarder.
Indtil da vil den bedste kurs være at forstå krystalstyrken og væskestyrken. Dertil skal man huske, at selv den mest uskyldige vandstråle kan skifte rolle, når betingelserne ændrer sig.
E-mail:
Isaac Appelquist Løge: isacl@kt.dtu.dk
Referencer
1. Løge, I.A. & Anabaraonye, B.U. The importance of detachment processes in modelling crystallization fouling. Chemical Engineering Journal 497, 154642 (2024).
2. Quddus, A. & Al-Hadhrami, L.M. Hydrodynamically deposited CaCO3 and CaSO4 scales. Desalination 246, 526-533 (2009).
3. Masoudi, A., Irajizad, P., Farokhnia, N., Kashyap, V. & Ghasemi, H. Antiscaling Magnetic Slippery Surfaces. ACS Appl Mater Interfaces 9, 21025-21033 (2017).
4. Bohnet, M.W. Crystallization Fouling on Heat Transfer Surfaces-25 Years Research in Braunschweig. Heat Exchanger Fouling and Cleaning – Challenges and Opportunities RP2, 295-302 (2005). 5. Løge, I.A., Anabaraonye, B.U., Bovet, N. & Fosbøl, P.L. Crystal Nucleation and Growth: Supersaturation and Crystal Resilience Determine Stickability. Cryst Growth Des 23, 2619-2627 (2023).
