Во многих промышленных процессов, например, в биореакторах, которые производят топливо или лекарственных препаратов, пена может попасть в путь. Пенистый пузыри могут занимать много места, что ограничивает объем доступных для изготовления изделия, а иногда и склеивания труб и арматуры или повреждая живых клеток. Компании тратят около 3 миллиардов долларов в год на химические добавки, называемые пеногасители, но это может повлиять на чистоту продукта и может потребовать дополнительных шагов обработки для их удаления.
Теперь, исследователи из Массачусетского технологического института придумали простой, недорогой, и полностью пассивную систему для уменьшения или исключения налипания пены, используя пузырь-привлечение листов специально сетчатые вставки, которые делают пузыри рушатся так же быстро, как они образуют. Новый процесс описан в журнале Advanced интерфейсы материалов, в работе недавний выпускник Леонид Рапопорт К. ’18, приезжий студент Тео Эммерих, и профессор машиностроения крипа Варанаси.
Новая система использует поверхностей исследователи называют «аэрофильных», который привлечет и пролить пузырьки воздуха или газа во многом таким же образом, что гидрофильным (притягивающим воду) поверхностей вызывают капельки воды, чтобы цепляться за поверхность, разложить и отпадают, Варанаси объясняет.
«Пен везде» в промышленных процессах, он говорит, в том числе пива, бумажной, нефтяной и газовой добычи и переработки, производства биотоплива, шампуня и косметики производства и химической обработки.
Кроме того, «это одна из главных проблем в культуре клеток или в биореакторах», — добавляет он. Чтобы способствовать росту клеток, различных газов обычно диффундирует через воду или другие жидкости. Но это может привести к налипанию пены, и как крошечные пузырьки лопаются, они могут производить поперечные силы, которые могут повредить или убить клетки, чтобы контролировать пена имеет важное значение.
Обычный способ борьбы с проблемой пены путем добавления химических веществ, таких как гликоли и спирты, которые, как правило, затем нужно будет снова отфильтрована. Но это требует дополнительных затрат и дополнительных этапов обработки, и может влиять на химический состав продукта. Так, команда спрашивает: «Как вы можете избавиться от пены без добавления химикатов? Это был наш вызов», — говорит Варанаси.
Для решения этой проблемы, они создали высокоскоростное видео для того, чтобы изучить, как пузыри реагируют, когда они поразят поверхность. Они обнаружили, что пузырьки, как правило, отскакивают, как резиновый мячик, подпрыгивая несколько раз, прежде чем в конечном итоге торчит на месте, просто как капельки жидкости делают, когда они достигли поверхности, только вверх ногами. (Пузырьки растут, так они отскакивают вниз.)
«Для того, чтобы эффективно захватить пузырь влияет, нам пришлось понять, как жидкой пленки, отделяющей его от поверхности стоков», — говорит Рапопорт. «И надо было начинать с нуля, потому что там не было даже устоявшейся метрикой для измерения того, насколько хорошо поверхность, влияющих на захват пузырьков. В конечном итоге, нам удалось понять физику за то, что вызывает пузырь, чтобы отскочить в сторону, и это понимание побудило процесс проектирования».
Команда пришла вверх с телевизором с плоским устройством, которое имеет множество тщательно проработанные текстуры поверхности в различных размеров. Поверхность была настроена так, что пузыри будут придерживаться сразу, без подпрыгивая и быстро разложить и рассеять, чтобы освободить место для следующего пузыря вместо того, чтобы накапливаться в виде пены.
«Ключ для быстрого захвата пузырьков и контроль пены оказалось трехслойной системы с характеристиками все более тонких размеров», — говорит Эммерих. Эти функции помогают в ловушку очень тонкий слой воздуха вдоль поверхности материала. Эта поверхность, известен как пластрон, имеет сходство с текстурой перья на пикирующих птиц, чтобы помочь сохранить животных сухой водой. В данном случае, пластрон помогает сделать пузырьки прилипают к поверхности и рассеиваться.
Чистый эффект заключается в сокращении времени, которое требуется для пузырь прилипает к поверхности сторицей, Варанаси говорит. В тестах, подпрыгивая время сократилось с сотен миллисекунд до нескольких миллисекунд.
Чтобы проверить идею в лаборатории, команда создала устройство, содержащее пузырь-захвата поверхности и вставил ее в стакан, что было пузырьков, поднимающихся через него. Они установили, что стакан рядом с такой же содержащих пены пенясь с листа тех же размеров, но без фактурного материала. В стакан с бабл-захват поверхности, пена быстро рассеивается вплоть до почти ничего, в то время как полный слой пены остался на месте в другой стакан.
Такой пузырь-захват поверхности могут быть легко модернизированы для многих промышленных перерабатывающих предприятий, которые в настоящее время полагаются на пеноуничтожения химических веществ, Варанаси говорит. Он предположил, что в долгосрочной перспективе, такой способ может даже быть использован как способ, чтобы захватить метан просачивается от таяния вечной мерзлоты, как мир согревает. Это может предотвратить некоторые из этих мощных парниковых газов в атмосферу, и в то же время служат источником топлива. На данный момент эта возможность «пирога в небе», — говорит он, но в принципе это может сработать.
В отличие от многих новых технологических разработок, эта система достаточно проста, что она может быть легко реализован, Варанаси говорит. «Он готов пойти. … Мы с нетерпением ожидаем совместной работы с промышленностью».
Работа выполнена при поддержке Фонда Билла и Мелинды Гейтс.
сделать разницу: спонсорские возможности
Ответить
Хотите присоединиться к обсуждению?Не стесняйтесь вносить свой вклад!