Článek
Inovativní povrch odpuzující vodní kámen. Výzkumný tým z ETH Zurich a Univerzity California v Berkeley nyní našel možné řešení tohoto problému: speciální povlak odpuzující vodní kámen s mikroskopicky malými vroubky, které zabraňují přilnutí krystalů vodního kamene. Studie týmu byla nedávno publikována v časopise Science Advances, eadj0324 (2023). DOI: 10.1126/sciadv.adj0324.
Základní výzkum vývoje povrchů odpuzujících vodní kámen byl řídký. Vědci, vedení bývalým profesorem ETH Thomasem Schutziusem, se tedy podrobně podívali na interakce mezi jednotlivými rostoucími krystaly vodního kamene, okolním vodním tokem a povrchem na mikroskopické úrovni.
Na základě toho vyvinul Schutziusův doktorand Julian Schmid a další členové týmu několik povlaků z různých měkkých materiálů a testovali je v laboratoři ETH Zurich. Zásobníky na horkou vodu, pračky, varné konvice, vodní kámen se tvoří v každém domácím spotřebiči, který přichází do styku s (horkou) vodou, zejména v oblastech, kde je voda tvrdá, tedy s vysokým obsahem vápníku. Často pomůže jen ocet nebo speciální odstraňovač vodního kamene, který usazeniny tvrdé jako kámen rozpustí a obnoví funkčnost spotřebiče.
To je nepříjemnost v domácnostech, ale drahý problém v tepelných elektrárnách, například v těch, které vyrábějí elektřinu, kde je tvorba vodního kamene známá jako zanášení. Výměníky tepla jsou obzvláště náchylné k tvorbě vodního kamene, což výrazně snižuje účinnost systémů: vrstva vodního kamene silná jen jeden milimetr v trubkách výměníku tepla snižuje účinnost výroby elektřiny přibližně o 1,5 procenta. Pro kompenzaci těchto ztrát by muselo být spáleno dalších 8,7 milionů tun černého uhlí. To je špatné pro uhlíkovou stopu a klima a pro výrobce elektřiny je to drahé.
Hydrogel s mikrostrukturou je nejúčinnější
Nejúčinnějším povlakem se ukázal být polymerní hydrogel, jehož povrch je pokrytý drobnými vroubky díky mikrotexturovaným formám, které vědci vyrobili pomocí fotolitografie.
Mikrostruktura hydrogelu připomíná přírodní modely, jako jsou žraločí šupiny, které mají také žebrovanou strukturu pro potlačení usazování na žraločí kůži.
V kotlích nebo nádržích zajišťují žebrování, že krystaly vodního kamene mají menší kontakt s povrchem, což znamená, že nemohou přilnout a lze je tak snadněji odstranit. Voda proudící přes hydrogel a skrz žebrovanou strukturu je odnáší pryč. Zatímco povlak nemůže zcela zabránit tvorbě krystalů vodního kamene, neustálé pasivní odstraňování mikroskopických krystalů zastavuje srůstání a vytváření houževnaté vrstvy.
Testy s modelovými částicemi vyrobenými z polystyrenu ukazují, že povrchové struktury povlaku musí být menší než částice, které jsou na něm usazeny.
Experimenty týmu ukazují, že hydrogelový povlak je velmi účinný: když voda protékala po povrchu potaženém hydrogelem, na kterém předtím vyrostly krystaly vodního kamene o velikosti kolem 10 mikrometrů, bylo odstraněno až 98 procent krystalů.
Ekologické řešení
Vědci zdůrazňují, že jejich řešení je šetrnější k životnímu prostředí a účinnější než stávající přístupy k odstraňování vodního kamene, z nichž některé zahrnují toxické a agresivní chemikálie. Naproti tomu hydrogel je biokompatibilní a šetrný k životnímu prostředí. Technologie tohoto řešení by také měla být škálovatelná: povlak by mohl být aplikován různými způsoby, které se již dnes v průmyslu používají.
Spíše než žádost o patent na jejich vývoj se vědci záměrně rozhodli pro zveřejnění ve vědeckém časopise. To znamená, že všechny zainteresované strany mohou nový nátěr dále vyvíjet a používat.
