p Estima-se que cerca de um quarto de um por cento de todo o produto interno bruto dos países industrializados seja perdido devido a um único problema técnico:a incrustação das superfícies do trocador de calor por sais e outros minerais dissolvidos. Essa incrustação diminui a eficiência de vários processos industriais e muitas vezes requer contramedidas caras, como o pré-tratamento da água. Agora, descobertas do MIT podem levar a uma nova maneira de reduzir essa incrustação, e potencialmente até possibilitar a transformação desse processo deletério em um processo produtivo que pode render produtos vendáveis. p As descobertas são o resultado de anos de trabalho da recém-formada pelo MIT, Samantha McBride, Ph.D. '20 e Henri-Louis Girard Ph.D. '20 com o professor de engenharia mecânica Kripa Varanasi. O trabalho, relatado no jornal Avanços da Ciência , mostra que, devido a uma combinação de superfícies hidrofóbicas (repelentes de água) e calor, sais dissolvidos podem cristalizar de uma forma que torna mais fácil removê-los da superfície, em alguns casos, apenas pela gravidade.

p Quando os pesquisadores começaram a estudar a forma como os sais cristalizam nessas superfícies, eles descobriram que o sal precipitado formaria inicialmente uma concha esférica parcial ao redor de uma gota. Inesperadamente, essa casca, então, subiria repentinamente em um conjunto de extensões finas semelhantes a pernas crescidas durante a evaporação. O processo produziu repetidamente formas com várias pernas, semelhante a elefantes e outros animais, e até mesmo dróides de ficção científica. Os pesquisadores apelidaram essas formações de "criaturas de cristal" no título de seu artigo.

p Depois de muitos experimentos e análises detalhadas, a equipe determinou o mecanismo que estava produzindo essas protuberâncias semelhantes a pernas. Eles também mostraram como as saliências variavam dependendo da temperatura e da natureza da superfície hidrofóbica, que foi produzido através da criação de um padrão em nanoescala de cristas baixas. Eles descobriram que as pernas estreitas que sustentam essas formas semelhantes a bichos continuam a crescer de baixo para cima, à medida que a água salgada flui para baixo através das pernas semelhantes a palha e precipita no fundo, um pouco como um pingente crescente, equilibrado apenas em sua ponta. Eventualmente, as pernas tornam-se tão longas que são incapazes de suportar o peso da criatura, e a gota de cristal de sal se quebra e cai ou é arrastada.

p O trabalho foi motivado pelo desejo de limitar ou prevenir a formação de incrustações em superfícies, incluindo dentro de tubos onde tal escalonamento pode levar a bloqueios, Varanasi diz. "O experimento de Samantha mostrou este efeito interessante em que a escala praticamente salta sozinha, " ele diz.

p "Essas pernas são tubos ocos, e o líquido é canalizado para baixo por esses tubos. Uma vez que atinge o fundo e evapora, forma novos cristais que aumentam continuamente o comprimento do tubo, "McBride diz." No final, voce tem muito, contato muito limitado entre o substrato e o cristal, ao ponto em que eles vão rolar por conta própria. "

p McBride lembra que, ao fazer os experimentos iniciais como parte de seu trabalho de tese de doutorado, "definitivamente suspeitamos que esta superfície em particular funcionaria bem para eliminar a adesão de cloreto de sódio, mas não sabíamos que uma consequência de impedir essa adesão seria a ejeção de tudo "da superfície.

p Uma chave, ela encontrou, era a escala exata dos padrões na superfície. Embora muitas escalas de comprimento diferentes de padronização possam produzir superfícies hidrofóbicas, apenas padrões na escala nanométrica conseguem esse efeito de auto-ejeção. "Quando você evapora uma gota de água salgada em uma superfície superhidrofóbica, normalmente o que acontece é que esses cristais começam a entrar na textura e apenas formam um globo, e eles não acabam decolando, "McBride diz." Portanto, é algo muito específico sobre a textura e a escala de comprimento que estamos vendo aqui que permite que esse efeito ocorra. "

p Este processo de auto-ejeção, baseado simplesmente na evaporação de uma superfície cuja textura pode ser facilmente produzida por corrosão, abrasão, ou revestimento, pode ser uma bênção para uma ampla variedade de processos. Todos os tipos de estruturas metálicas em um ambiente marinho ou expostas à água do mar sofrem de incrustação e corrosão. As descobertas também podem permitir novos métodos para investigar os mecanismos de incrustação e corrosão, dizem os pesquisadores.

p Variando a quantidade de calor ao longo da superfície, é até possível fazer com que as formações de cristal rolem em uma direção específica, os pesquisadores descobriram. Quanto mais alta a temperatura, quanto mais rápido o crescimento e a decolagem dessas formas ocorrem, minimizando a quantidade de tempo que os cristais bloqueiam a superfície.

p Os trocadores de calor são usados ​​em uma ampla variedade de processos diferentes, e sua eficiência é fortemente afetada por qualquer incrustação na superfície. Só essas perdas, Varanasi diz, equivalem a um quarto de um por cento do PIB dos EUA e de outras nações industrializadas. Mas a incrustação também é um fator importante em muitas outras áreas. Afeta tubulações em sistemas de distribuição de água, poços geotérmicos, configurações agrícolas, usinas de dessalinização, e uma variedade de sistemas de energia renovável e métodos de conversão de dióxido de carbono.

p Este método, Varanasi diz, pode até permitir o uso de água salgada não tratada em alguns processos onde isso não seria prático de outra forma, como em alguns sistemas de resfriamento industriais. Avançar, em algumas situações, os sais e outros minerais recuperados podem ser produtos vendáveis.

p Enquanto os experimentos iniciais foram feitos com cloreto de sódio comum, outros tipos de sais ou minerais devem produzir efeitos semelhantes, e os pesquisadores continuam explorando a extensão desse processo a outros tipos de soluções.

p Como os métodos para fazer as texturas para produzir uma superfície hidrofóbica já estão bem desenvolvidos, Varanasi diz, implementar este processo em grande escala industrial deve ser relativamente rápido, e poderia permitir o uso de água salgada ou salobra para sistemas de resfriamento que, de outra forma, exigiriam o uso de água doce valiosa e muitas vezes limitada. Por exemplo, só nos EUA, um trilhão de galões de água doce são usados ​​por ano para resfriamento. Uma usina elétrica típica de 600 megawatts consome cerca de um bilhão de galões de água por ano, o que poderia ser o suficiente para atender 100, 000 pessoas. Isso significa que usar água do mar para resfriamento, sempre que possível, pode ajudar a aliviar o problema de escassez de água doce.