La acumulación de cal en las centrales térmicas debido al uso de agua caliente puede afectar sustancialmente la eficiencia, lo que llevó a los investigadores a desarrollar un novedoso revestimiento superficial suave a base de hidrogel que repele los cristales de cal y evita que se adhieran.
La acumulación de cal, compuesta principalmente de carbonato de calcio, se puede observar alrededor de la casa, en el interior de teteras, tanques de agua y lavadoras, especialmente en áreas donde el agua es dura (es decir, con un alto contenido de minerales) y cuando las superficies entran en contacto con contacto con agua caliente.
Si bien es una molestia en casa, la acumulación de cal tiene un mayor impacto en las centrales térmicas. Estas plantas utilizan calderas para calentar agua, produciendo vapor a alta presión que impulsa una turbina para producir energía mecánica que un generador convierte en energía eléctrica. Los intercambiadores de calor y las membranas industriales son propensos a la acumulación de cal, lo que provoca una enorme pérdida de energía (al menos el 2 % de la producción mundial total de energía por año) debido a la reducción de la transferencia de calor y la eficiencia del rendimiento del flujo.
Para abordar este problema, investigadores de ETH Zurich en Suiza y la Universidad de California en Berkley han colaborado para desarrollar un innovador recubrimiento de superficie a base de hidrogel que repele la cal y evita que se adhiera.
Los investigadores comenzaron examinando cristales de cal individuales y el flujo de agua circundante a nivel microscópico para ver cómo los cristales se depositan y se adhieren en ambientes acuosos dinámicos. Luego se dedicaron a desarrollar varios recubrimientos a partir de materiales blandos y los probaron en el laboratorio.
Al experimentar principalmente con diferentes contenidos de polímeros, los investigadores descubrieron que cuanto menor era el contenido de polímero y mayor era el contenido de agua, peor se adherían los cristales de carbonato de calcio a la superficie, que habían fabricado para incluir pequeñas crestas. Los investigadores se inspiraron para su diseño en la naturaleza, particularmente en las crestas de la piel de un tiburón, lo que dificulta que los microbios se adhieran.
Las pruebas utilizando partículas modelo hechas de poliestireno demostraron que las crestas de la superficie debían ser más pequeñas que las partículas depositadas sobre ellas para reducir la superficie de contacto y, por tanto, la fuerza adhesiva resultante.
«Variamos la superficie del material para lograr la mayor eficiencia y luego llevamos a cabo los experimentos con cristales con el tamaño de estructura óptimo», dijo Julian Schmid, autor principal del estudio.
Pasando a experimentos con cristales de cal, los investigadores descubrieron que cuando el agua fluía a través de la suave superficie recubierta de hidrogel, se eliminaban hasta el 98% de los cristales, con un tamaño de alrededor de 10 micrómetros. Esto fue un 66% mejor que usar un sustrato rígido sin tratar en las mismas condiciones.
Actualmente, a veces se utilizan productos químicos tóxicos para eliminar la cal de los intercambiadores de calor y las membranas. Los investigadores dicen que su novedoso revestimiento de superficie es más ecológico y eficiente que los enfoques actuales. Además, esperan que su solución sea escalable.
En lugar de patentar su enfoque, los investigadores decidieron publicar los resultados de su estudio para que otras partes interesadas puedan utilizar y desarrollar aún más el nuevo recubrimiento.
El estudio fue publicado en la revista Avances científicos.
Fuente: ETH Zúrich