스케일(scale, 이물질)은 알려진 것처럼 비효율성, 비가동시간(downtime) 및 유지관리 측면에서의 문제점을 일으킨다.

 

정유 및 가스 업계에서, 스케일은 가동되는 유정을 완전히 혹은 일시적으로 중단시키기도 한다. 따라서 이 문제를 해결하는 것은 큰 도움이 된다.

심각하지만 잘 알려지지 않은 이 문제를 해결하는 수 있는 잠재적 해법이 MIT 연구팀에 의해 개발되었다.

 

나노스케일의 표면 텍스처링(texturing)과 윤활제 코팅을 포함한 포함한 새로운 종류의 표면처리를 통해, 스케일 형성속도를 1/10로 감소시킬 수 있게 되었다. 본 연구결과는 Advanced Materials Interfaces지에 이번 주에 게재되었으며, 대학원생인 Srinivas Subramanyam, 박사후 연구과정의 Gisele Azimi, 및 기계공학부 부교수인 Kripa Varanasi가 연구에 참여하였다.

스케일은 다양한 곳에서 발견될 수 있다. 가정의 경우 대부분 스케일은 성가시게 느껴질 뿐이지만, 산업체의 경우 생산성을 하락시키고 스케일을 제거하는 방식은 보통 독한 화학물질을 사용하기 때문에 환경에 유해하게 작용한다. 발전소 및 탈염공장의 경우, 스케일은 열교환기에서 냉각과 응축을 방해하는 열차단제 역할을 하여 효율을 크게 저하시킨다.

물은 용해된 염과 광물질을 다량 함유하고 있기 때문에 이런 문제가 종종 발생한다. 이런 물질들을 용해시키는 물의 능력은 용해도에 의존하는데, 만약 물이 차갑거나 증발하면 용액은 과포화되게 된다.

 

수용할 수 있는 것보다 더 많은 용해된 물질들을 포함하고 있어서, 일부는 침전되기 시작한다. 이것은 따뜻하고 습기 찬 공기가 차가운 표면을 만나서 갑자기 냉각되면 유리가 뿌옇게 되는 것과 같은 원리이다.

대부분의 경우 공학자들은 시스템 용량을 크게 설계하여 이 문제를 극복하여 왔다. 예를 들어, 스케일이 유발하는 부분적인 배관 막힘이 예상되는 곳에 필요한 것보다 더 큰 파이프를 사용하고, 열교환기의 경우 더 큰 표면적의 배관을 사용하는 것 등이다.

산업현장에서 증명되어야 하겠지만, MIT 연구팀이 개발한 새로운 방법은 다양한 상황에서 스케일 형성 속도를 크게 감소시켰다. 연구팀의 방법은 다소 간단해 보인다. 효과적인 표면처리(나노텍스처링)와 윤활제를 이용하는 것이다.

 

텍스처링은 주로 요철의 크기에 의존한다. 정교한 형태는 중요하지 않은 것 같다. 그래서 표면 코팅에 처리하거나 화학적으로 식각하는 등의 방법으로 텍스처를 구현하기 위해 다양한 방법이 사용될 수 있다.

또한 연구팀은 스케일 형성의 에너지 장벽을 증가시킬 뿐만 아니라 처리된 표면에 퍼져나갈 수 있는 적절한 윤활제를 선택하기 위한 프로세스를 기술하고 있다. 표면을 더 매끄럽게 하고 스케일 형성에 필요한 핵형성 자리(nucleation site)를 감소시키게 된다.

스케일 형성을 감소시키거나 예방하기 위한 이전의 노력들은, 보통 표면에 테플론(Teflon) 코팅을 하여 금속에 결합하는 것을 방지하는 방법을 사용하였다. 이 방법의 문제점은 이런 코팅이 마모될 수 있다는 것이다. 코팅에 작은 구멍이 생기면 스케일 형성의 장소를 제공하는 셈이다.

새로 개발된 방법에서, 일단 나노텍스처가 표면에 형성되면 오일 혹은 다른 윤활제를 표면에 적용한다. 작은 나노크기의 홈은 모세관 현상을 통해 액체를 잡아두게 된다. 고체 논스틱 코팅(nonstick coating)과는 달리, 액체는 흘러 홈을 채우며 표면 텍스처로 퍼져나간다.

 

설사 기계적인 손상이 있다 해도, 윤활제가 다시 그 부위를 채우게 된다. 이 윤활층이 수 백 나노미터 수준의 두께로 얇은 막을 형성하여 오랫동안 표면을 보호하게 되며 아주 적은 양의 윤활제만 사용한다.

최상의 윤활제와 텍스처링 기법을 결정하기 위한 추가적인 실험실 테스트를 거친 후에, 본 시스템은 적어도 3년 이내에 상업적으로 활용될 것으로 기대된다.

그림> (좌측) 표면처리되지 않는 시편과 (우측) 윤활제를 사용한 표면. 실험실에서 석고 성분이 풍부한 물을 끓인 물을 시편에서 제거한 후에 비교한 것이다. 처리된 표면에는 스케일의 형성이 매우 적다.

 

 

 

 

 

Scale, as these deposits are known, causes inefficiencies, downtime, and maintenance issues. In the oil and gas industry, scale has sometimes led to the complete shutdown, at least temporarily, of operating wells. So addressing this problem could have a big payoff.

 

Now a team of researchers at MIT has come up with a potential solution to this huge but little-recognized problem. A new kind of surface treatment—involving nanoscale texturing of the surface, which is then coated with a lubricating liquid—can reduce the rate of scale formation at least tenfold, they have found.

 

The findings are reported this week in a paper in the journal Advanced Materials Interfaces written by graduate student Srinivas Subramanyam, postdoc Gisele Azimi, and Kripa Varanasi, the Doherty Associate Professor of Ocean Utilization in MIT's Department of Mechanical Engineering.

 

"You can see [scale] pretty much everywhere," Varanasi says. In the home, these deposits are mostly an annoyance, but in industry they can cause "lost productivity, and the ways of removing [them] can be environmentally harmful," typically involving the use of harsh chemicals.

 

And in power plants and desalination plants, scale can cause significant efficiency losses, because it acts as a thermal barrier that impairs cooling or condensing in heat exchangers.

 

The problem arises because water often contains large amounts of dissolved salts and minerals. The ability of water to dissolve these materials depends on solubility, so if the water cools or evaporates, the solution may become supersaturated: It contains more of the dissolved material than it can accommodate, so some begins to precipitate out.

 

It's the same principle that causes fogging on a cold glass when warm, moist air cools suddenly as it meets a cooler surface.

 

For the most part, engineers have dealt with the problem by overdesigning systems, Varanasi says: using pipes that are much larger than needed, for example, in anticipation of the partial blockages that scaling will cause, or a larger surface area, in the case of heat exchangers.

 

The problem is far from new, Subramanyam points out: "Cooking pots from ancient times have this buildup," he says. "We don't have good solutions yet."

 

Though it remains to be proven on an industrial scale, the new approach developed by the MIT team could make a significant difference in the rate of scale formation, and in many situations may prevent it altogether.