Сверхвысокая стойкость гексагонального нитрида бора к образованию минеральных накипи.

Nature Communications, том 13, номер статьи: 4523 (2022) Цитировать эту статью

5948 Доступов

6 цитат

10 Альтметрика

Подробности о метриках

Образование минеральных отложений на поверхности материала оказывает глубокое влияние на широкий спектр природных процессов, а также на промышленное применение. Однако то, как конкретные характеристики поверхности материала влияют на взаимодействие минерала с поверхностью и последующее образование минеральных отложений, не совсем понятно. Здесь мы сообщаем о превосходной стойкости гексагонального нитрида бора (hBN) к образованию минеральных отложений по сравнению не только с обычными металлическими и полимерными поверхностями, но и с графеном, обладающим высокой устойчивостью к образованию накипи, что делает hBN, возможно, самым устойчивым к образованию накипи материалом, известным на сегодняшний день. Результаты экспериментов и моделирования показывают, что эта сверхвысокая стойкость к масштабированию объясняется сочетанием атомно-гладкой поверхности hBN, гофром атомной энергии в плоскости из-за полярной связи бор-азот и тесным соответствием между его межатомным расстоянием и размером молекулы воды. Последние два свойства приводят к сильным полярным взаимодействиям с водой и, следовательно, к образованию плотного гидратного слоя, который сильно препятствует сближению минеральных ионов и кристаллов, уменьшая как поверхностное гетерогенное зародышеобразование, так и прикрепление кристаллов.

Межфазные взаимодействия играют фундаментальную роль во многих водных процессах, включая адсорбцию, каталитическую реакцию, коррозию, фильтрацию и образование накипи. В частности, образование накипи, т.е. развитие минеральных отложений на поверхности материала вследствие осаждения из объемного раствора и/или образование кристаллов, инициированное зародышеобразованием на поверхности, оказывает большое влияние на межфазный перенос массы, тепла, электронов и света. Это вызывает глубокое снижение производительности многих промышленных процессов, таких как нарушение теплопередачи в теплообменниках и котлах, повышенный перепад давления в трубах, закупорка потока в фильтрующих мембранах, коррозионные повреждения паровых турбин, снижение проводимости и активности электродов, преждевременный выход из строя систем отопления. и электрохимические компоненты и т. д. 1,2,3,4, что приводит к увеличению эксплуатационных затрат и риску безопасности. Сообщается, что экономические потери из-за отложений полезных ископаемых в котлах, турбинах и теплообменниках составляют 0,17–0,25% валового внутреннего продукта (ВВП) промышленно развитых стран5. Понимание поведения минеральных отложений важно для разработки материалов и технологий следующего поколения, которые решат эти критические проблемы.

Образование накипи может происходить за счет осаждения минеральных кристаллов, образовавшихся в объеме раствора, а также за счет поверхностно-индуцированной гетерогенной нуклеации, когда кристаллы растут из мест зародышеобразования на поверхности6. На оба процесса сильно влияют свойства поверхности материала. Подобно осаждению других частиц, свойства материала влияют на прикрепление минеральных кристаллов посредством гидрофобных и электростатических взаимодействий. Поверхностно-индуцированная гетерогенная нуклеация является более термодинамически выгодным процессом, но она плохо изучена, поскольку происходит в очень малых масштабах времени и длины7. В нескольких предыдущих исследованиях изучались различные свойства поверхности, которые влияют на индуцированное поверхностью гетерогенное зародышеобразование: шероховатость, заряд и гидрофобность6. Шероховатость поверхности напрямую связана с количеством центров зародышеобразования; Общепризнано, что кристаллизация минералов увеличивается с увеличением шероховатости поверхности. Однако данные о влиянии заряда и гидрофобности поверхности оказались противоречивыми. Например, некоторые исследования показали, что поверхностный заряд влияет на гетерогенное зародышеобразование посредством электростатических взаимодействий или реакций комплексообразования с минеральными ионами2,8, в то время как другие сообщают об аналогичных скоростях зародышеобразования на поверхностях с разными зарядами9. Противоречивые результаты также были получены о роли гидрофобности поверхности в отложении минеральных отложений. В некоторых исследованиях10,11,12 было показано, что гидрофильные покрытия, такие как оксид графена (ГО), привитые полимеры и полиэтиленгликоль, задерживают начало отложения CaCO3, в то время как другие исследования показали, что гидрофильные поверхности способствуют нуклеации CaCO38, а GO не оказывает -эффект масштабирования13. Одна из возможных причин такого кажущегося противоречия заключается в том, что модификация свойств поверхности (например, гидрофобности или заряда) часто приводит к неизбежным изменениям других свойств поверхности, что затрудняет выяснение роли отдельного свойства поверхности в развитии средств против накипи. материалы.