WO2010060930A1 - Verfahren zur verhinderung von ablagerungen - Google Patents

Abstract

Zur Vermeidung von Ablagerungen auf Oberflächen infolge von Ausfällungen bisher gelöster Stoffe in Flüssigkeit gefüllten Systemen werden die Oberflächen mit einer Nano-Beschichtung versehen, die dazu führt, dass unmittelbar im Bereich der Oberfläche in einer Grenzschicht die Löslichkeit der ausfallenden Stoffe vergrößert wird. In dieser Schicht wird das Löslichkeitsprodukt der Stoffe deutlich und dauerhaft in Richtung der Löslichkeit verschoben. Bei sich aufgrund von Aggregatübergängen abzusetzenden Stoffen wird in der Grenzschicht eine Bedingung durch die Beschichtung hergestellt die derartige Absetzungen verhindert.

Description

Beschreibung Verfahren zur Verhinderung von Ablagerungen

Die Erfindung betrifft die Verhinderung von Ausfällreaktionen aus flüssi- gen oder gasförmigen Systemen.

Es ist bekannt, dass es bei kalkhaltigem Wasser zu einer Abscheidung von Kalk kommt. Diese Kalkablagerung setzt sich in Behältern an den Oberflächen ab. Bei Leitungen findet eine solche Ablagerung ebenfalls statt, was zu einer Verringerung des Durchflussquerschnitts und damit zu einer Beeinträchtigung der Strömung durch Leitungen führt. Darüber hinaus verschlechtert sich der Wärmeübergang zwischen der Flüssigkeit und der Leitung beziehungsweise dem Behälter.

Diese Kalkablagerungen kann man mit Kalklösem wieder beseitigen, beispielsweise Zitronensäure, Essigsäure oder dergleichen. Calciumcarbonat löst sich in saurem Medium leichter auf. Daher ist es theoretisch denkbar, zur Vermeidung von Kalkablagerungen dem Wasser ständig eine Säure zuzusetzen. Dies ist aber bei Trinkwasser natürlich nicht möglich.

Ebenfalls bekannt ist es, dass beim Phasenübergang von flüssig oder gasförmig zu fest beispielsweise Eiskristalle gebildet werden, die ebenfalls an Oberflächen haften.

Zur Verhinderung von Polymeranlagerungen an den inneren Oberfachen von Reaktoren ist es bekannt, an den inneren Oberflächen eine relativ dicke Schicht aus Polymeren aufzubringen (EP 71223).

Ebenfalls bekannt ist es, an den Wänden eines Reaktors zur Polymeri- sierung eine organische und ionische Beschichtung aufzubringen (GB 2052302). Der Erfindung liegt die Aufgabe zu Grunde, eine Möglichkeit zu schaffen, die Ablagerung von derartigen aufgrund von chemischen Reaktionen ausfällenden Stoffen oder von bei einem Phasenübergang sich bildenden Stoffen, insbesondere von Eis und Kalk, zu vermeiden. Hierzu sollen auch keine äußeren Energiequellen benötigt werden.

Zur Lösung dieser Aufgabe schlägt die Erfindung ein Verfahren mit den im Anspruch 1 genannten Merkmalen vor. Weiterbildungen der Erfindung sind Gegenstand von abhängigen Ansprüchen. Die Erfindung schlägt ebenfalls einen Behälter und eine Leitung vor, bei denen die inneren Oberflächen mit einem derartigen Verfahren behandelt sind.

Die Erfindung geht von dem Gedanken aus, dass das Ausfällen von Stoffen aufgrund chemischer Reaktionen durch eine Änderung der das Ausfällen begünstigenden Umgebungseigenschaften in der Weise be- einflusst werden kann, dass das Ausfällen nicht mehr auftritt. Es reicht dabei aus, das Ausfällen nur dort zu verhindern, wo es zu einer Ablagerung führen könnte. Daher schlägt die Erfindung vor, die Umgebungseigenschaften beispielsweise in Wasser nur unmittelbar an der Oberfläche zu ändern, an der eine Ablagerung auftreten könnte. Es braucht also nicht mehr das gesamte Wasser beeinflusst werden, sondern nur das Wasser in einer sehr dünnen Grenzschicht unmittelbar vor der Oberfläche. Das Material, mit dem die Oberfläche beschichtet wird, ist entweder ein anorganisches Material oder enthält mindestens einen anorgani- sehen Bestandteil. Insbesondere können auch Kombinationen mit organischen Materialien verwendet werden, beispielsweise anorganischorganische Hybridmaterialien.

Das gleiche gilt auch für Ablagerungen, die aufgrund eines Phasenüber- gangs auftreten können, wie in dem eingangs genannten Beispiel der Eiskristallbildung.

Insbesondere schlägt die Erfindung vor, dass die Beschichtung der Oberfläche mit einem Material erfolgt, das die Konzentration des Stoffs, dessen Ausfällung beziehungsweise Abscheidung verhindert werden soll, im Bereich der Oberfläche so ändert, dass die Abscheidung beziehungsweise Ausfällung nicht mehr auftritt.

In nochmaliger Weiterbildung schlägt die Erfindung vor, dass die Be- schichtung mit einem Material erfolgt, das die Löslichkeit des Stoffs, dessen Ausfällung verhindert werden sollen, im Bereich der Oberfläche erhöht.

Wenn die Löslichkeit eines Stoffs, dessen Ausfällen verhindert werden soll, von dem pH-Wert der umgebenden Flüssigkeit abhängt, kann erfindungsgemäß vorgesehen sein, eine Beschichtung mit einem Stoff vorzunehmen, der den pH-Wert ändert. Derartige Stoffe sind bekannt. Bei- spielsweise gibt es Werkstoffe, die einen sauren Charakter aufweisen. Hierzu gehören anorganische Metalloxide, welche zum Beispiel in der Glasherstellung als Netzwerkbildner eingesetzt werden. Hier gilt, dass der saure Charakter umso höher ist, je höher der Sauerstoffarteil ist. Ein Beispiel für einen solchen Stoff ist SiO2, da dieses ungiftig und ungefähr- lieh ist. Hierzu gehören jedoch auch zum Beispiel AfeOß, TΪO2, ZrO2, B₂O3, P₂O5 und AS₂O5. Allgemein kann man sagen, dass die meisten Oxide, die im Periodensystem in der dritten oder einer höheren Hauptgruppe zu finden sind, eine Struktur aufweisen, die einen sauren Charakter in wässrigen Systemen aufweist. Hierzu gehören auch die Bronsted-Säure und die Lewis Säuren.

Es gibt auch Stoffe, die einen basischen Charakter aufweisen und für solche Fälle zu verwenden sind, bei denen die Löslichkeit in einer basischen Umgebung größer ist.

In nochmaliger Weiterbildung der Erfindung kann vorgesehen sein, die Beschichtung als Nano-Beschichtung durchzuführen. Dadurch werden Oberflächenstrukturen im Bereich einiger Nanometer erzeugt, die damit keine glatte Oberfläche aufweisen, sondern eine raue Oberfläche. Diese raue Oberfläche hat den Vorteil, dass dadurch die tatsächliche Oberfläche vergrößert wird.

Das Aufbringen solcher Schichten kann über verschiedene Düm- schichtverfahren erfolgen, die heutzutage Standard in der Industrie sind. Hierzu gehören SoI-GeI Verfahren, Lackierverfahren, PVD, CVD und verwandte Verfahren zur Herstellung dünner Schichten. Als Zwischenschichten und Bindeschichten sind auch Silane, Siloxane oder Lacksys- teme vorstellbar.

Als Substrate kommen alle Materialien infrage, da durch geeignete Zwischenschichten jede vorstellbare Werkstoffkombination möglich ist.

Die Erfindung schlägt vor, je nach Anwendungsfall die Beschichtung auch mit einer Mischung von Materialien durchzuführen.

Weiterhin kann vorgesehen sein, dass die Schichtdicke sehr dünn ist, damit physikalische Eigenschaften des Materials, auf dessen Oberfläche die Ablagerung verhindert werden soll, beibehalten bleiben. Beispielsweise soll die gute Leitfähigkeit von Metall durch die Schicht nicht beeinträchtigt werden.

Die Erfindung schlägt, wie bereits erwähnt, auch Behälter und Leitungen vor, bei denen die Oberflächen, insbesondere die inneren Oberflächen mit einer solchen Beschichtung versehen sind.

Als Beispiel für solche Behälter sind Heizungskessel genannt, oder auch ganz normale Wasserkocher.

Sämtliche Arten von Rohrleitungen, in denen Wasser zirkuliert, können mit diesem Verfahren beschichtete werden. Auch freie Oberflächen können so beschichtet werden, beispielsweise ein Schiffsrumpf.

Beispiel 1 :

Das erste Beispiel befasst sich mit der Verhinderung von Kalkablagerungen in Behältern oder Leitungen, in denen Wasser enthalten ist. Kalk fällt infolge einer durch die Abnahme des CO2 Partialdrucks bedingten pH-Wert- Veränderung und/oder der Carbonat- lonenkonzentration in heißem Wasser aus. Die Erfindung schlägt nun vor, dieses das Ausfä- len verhindernde saure Milieu nicht über die gesamte fließende oder stehende Flüssigkeit, zum Beispiel ein Wärmetauscher oder in einer Rohrleitung herzustellen, sondern lediglich in einer Grenzschicht, die sich im Nanometerbereich bis Mikrometerbereich oberhalb der Oberflä- che erstreckt. Diese Grenzschicht, die durch Beschichtung in eine funk- tionalisierte Oberfläche verwandelt wird, verhindert durch geänderte Bedingungen, dass in dieser Grenzschicht eine Bedingung herrscht, die eine Kalkbildung möglich macht. Dadurch, dass in dieser Grenzschicht die Bedingungen für eine Fällungsreaktion nicht mehr vorliegen und sich in Richtung Löslichkeit verschieben, können sich auch keine Ablagerungen bilden. Es muss lediglich verhindert werden, dass sich die möglichen Ausfällungen an den Gefäßwänden festsetzen. Hierfür genügt schon eine relative Änderung der physikalisch chemischen Bedingungen in der Grenzfläche selbst.

Um diese Bedingungen in der Grenzschicht herzustellen, wird die Oberfläche mit einem Material beschichtet, das einen sauren Charakter aufweist, wodurch dann die Löslichkeit von Calciumcarbonat wieder ansteigt, so dass in der Grenzschicht keine Ausfällung stattfindet. Beispiele für solche Materialien wurden oben genannt.

Beispiel 2: Das zweite Beispiel befasst sich mit dem Abschneiden von Eiskristallen an kalten Oberflächen. Es ist bekannt, dass Salzwasser bei einer niedrigeren Temperatur gefriert als Wasser ohne Salzgehalt. Hier schlägt nun die Erfindung vor, eine Oberfläche derart zu beschichten, dass sich der Gefrierpunkt von Wasser unmittelbar in dem Bereich der Oberfläche verringert, so dass keine Eiskristalle auftreten.

Claims

Patentansprüche

1. Verfahren zur Verhinderung der Ablagerung von ausfällenden bzw. sich aufgrund von Phasenübergängen von flüssig oder gasförmig nach fest absetzenden Stoffen auf Oberflächen, bei dem die Oberfläche mit einem festen anorganischen oder mindestens einen anorganischen Bestandteil enthaltenden Material beschichtet wird, das in einer dünnen Schicht unmittelbar vor der Oberfa- che die Umgebungsbedingungen lokal so ändert, dass das Gleichgewicht der Ausfällreaktion bzw. der Aggregatsänderung in Richtung auf eine Verhinderung der Ausfällreaktion beziehungsweise der Aggregatsänderung verschoben wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1 , bei dem die Beschichtung mit einem Material erfolgt, das die Konzentration des Stoffs, dessen Ausfä- lung bzw. Abscheidung verhindert werden soll, im Bereich der Oberfläche ändert.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, bei dem die Beschichtung mit einem Material erfolgt, das das Löslichkeitsprodukt des Stoffs, dessen Ausfällung verhindert werden soll, im Bereich der Oberfa- che erhöht.

4. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem die Oberfläche mit einem den pH-Wert ändernden Material beschichtet wird.

5. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem die Beschichtung als Nano-Beschichtung ausgeführt wird.

6. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem die Oberfläche mit einer Mischung aus mehreren Materialien beschichtet wird.

7. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem die Beschichtung in einer Dicke erfolgt, die die physikalischen B- genschaften des Materials der Oberfläche beibehält.

8. Behälter, dessen Innenseiten mit einem Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche behandelt wurde.

9. Leitung, deren innere Oberfläche mit einem Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche behandelt wurde.