新技術(shù)：新型軟水ゲル表面コーティングによるスケール除去

火力発電所の熱水使用によるスケール蓄積は効率に深刻な影響を與えるため、研究者はスケール結(jié)晶を排除し、付著を防ぐことができる新しい軟水ゲル表面コーティングを開発した。スケールは主に炭酸カルシウムで構(gòu)成され、家庭の周り、水筒、タンク、洗濯機(jī)の內(nèi)部にスケールの堆積が見られ、特に水質(zhì)が硬い（すなわちミネラル含有量が高い）地域、および表面がお湯に接觸している場合。

家の中に水垢が溜まるのは悩ましいが、火力発電所への影響はもっと大きい。これらの発電所はボイラーを用いて水を加熱し、高圧蒸気を発生させ、タービンを駆動(dòng)して機(jī)械エネルギーを発生させ、発電機(jī)から電気エネルギーに変換する。工業(yè)用熱交換器と膜はスケーリングが容易であり、熱伝導(dǎo)と流動(dòng)性能の効率が低下したため、毎年発生するエネルギー損失は大きく、少なくとも世界のエネルギー総生産量の2%。

この問題を解決するために、スイスのチューリッヒ連邦理工學(xué)部と米カリフォルニア大學(xué)バークレー校の研究者が協(xié)力して、スケールを除去して付著を防ぐ革新的なヒドロゲルコーティングを開発した。

研究者はまず顕微鏡下で単一スケール結(jié)晶と周囲の水流を観察し、結(jié)晶が動(dòng)的な水環(huán)境でどのように堆積し、付著するかを調(diào)べた。その後、彼らは軟質(zhì)材料でいくつかのコーティングの開発に著手し、実験室でテストを行った。

研究者は主に異なるポリマー含有量に対して実験を行った結(jié)果、ポリマー含有量が低く、含水量が高いほど、炭酸カルシウム結(jié)晶の表面での付著力が悪くなることが分かった。研究者の設(shè)計(jì)のインスピレーションは自然、特にサメの皮膚の背骨に由來し、この背骨は微生物を付著させにくい。ポリスチレン製のモデル粒子を用いた試験により、表面リッジは上に堆積した粒子より小さくなければならず、接觸面を小さくし、結(jié)果として生じる接著力を小さくすることができることが明らかになった。

同研究の第1著者であるジュリアン?シュミット氏は、「最高効率を達(dá)成するために材料の表面を変え、最適な構(gòu)造寸法で結(jié)晶実験を行った」と述べた。

電子顕微鏡で見たリッジ狀ヒドロゲル表面被覆と接觸するミクロンスケール結(jié)晶Julian Schmid／ETH Zurich

スケール結(jié)晶の実験過程で研究者は、柔らかいヒドロゲルコーティング表面を流れるとき、98%までの大きさが約10であることを発見したミクロンの結(jié)晶が除去された。同じ條件下では、これは未処理の硬質(zhì)基材を使用するより66%優(yōu)れている。

現(xiàn)在、熱交換器や膜上のスケールを除去するために有毒化學(xué)品が使用されることがある。研究者によると、彼らの新しいコーティングは現(xiàn)在の方法よりも環(huán)境に優(yōu)しく、効率的だという。また、彼らのソリューションが普及することを望んでいます。

研究者は彼らの方法のために特許を申請(qǐng)するのではなく、他の関連方面でこの新しいコーティングを使用し、さらに開発するために、彼らの研究結(jié)果を公表することにした。

この研究は『科學(xué)的進(jìn)展』誌に発表された。