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如何抑制盐污染?让盐分长“腿”出逃

科学家将析出盐分称为“晶体生物”。

据统计,热交换器表面的盐和其他溶解矿物污染造成的损失占工业化国家国内生产总值的四分之一左右。并且,盐污染会显著降低工业过程效率。为此,工程师们必须采取昂贵的预处理解决方案。当地时间4月28日,美国麻省理工学院(MIT)的Samantha McBride博士与Kripa Varanasi教授带领的团队在《科学进展》杂志中发表论文称,他们找到了减少盐污染的新方法:通过融合疏水表面和热量作用,让溶解盐结晶。在某些情况下,单靠重力就能轻松完成表面除盐。研究人员表示,新方法甚至有可能将有害的结垢过程转化为生产过程,制造出可销售的产品。

研究人员观察盐在表面上的结晶方式时发现,沉淀的盐分最初会在液滴周围形成不完整的球形壳体。令人意外的是,在蒸发过程中,壳体会突然“长出”细长的腿状延伸结构。该过程反复多次后稳定为多足结构,研究人员称其为“晶体生物”。

经过多次实验分析,McBride等人确定了腿状凸起的产生机制,并展示了凸起与温度和疏水表面性质的变化关系。他们发现,由于咸水会通过中空的“长腿”向下流动,并在底部沉淀,支撑着类生物结构的“长腿”会持续生长。最终,表面和晶体之间的连接物无法支撑晶体重量,盐晶体便会自动脱落。

McBride指出,新方法的关键在于表面纹理的精确比例。虽然许多尺度的纹理都能产生疏水表面,但只有纳米尺度的纹理才能满足这种自动喷射(指盐主动脱离)的需求。McBride说:“在超疏水表面蒸发盐水时,通常会发生的情况是,晶体开始侵入纹理内部,形成一个牢牢吸附在表面的球体。”这种表面纹理可以通过蚀刻、磨削或涂层等方式制造。研究人员表示,金属结构在海洋或咸水环境中很容易结垢、被腐蚀,新发现或许能为研究结垢和腐蚀机制提供新思路――对水质要求较高的工业冷却系统也许能直接使用未经处理的盐水。此外,研究人员还发现,通过改变晶体表面热量,有可能使晶体结构向特定方向靠拢。温度越高,晶体生长、脱离的速度越快。

虽然初步实验由普通氯化钠完成,但研究人员认为新方法也适用于其他矿物质。Varanasi说,疏水表面的纹理处理已经非常成熟,大规模推广自动喷射方案几乎不存在障碍。新方法对于洁净水节约具有重要意义。仅在美国,每年就有1万亿加仑淡水被用于冷却系统之中。一个典型的600兆瓦发电厂,每年消耗10亿加仑淡水,这足以满足10万人的用水需求。新方案的实施有助于工厂使用海水作为冷却水,从而缓解淡水短缺问题。

科界原创

编译:雷鑫宇

审稿:西莫

责编:陈之涵

期刊来源:《科学进展》

期刊编号:2375-2548

原文链接:

https://phys.org/news/2021-04-salt-self-eject.html

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