提供液体浸渍疏污垢性表面的制品和方法技术

本发明专利技术大体上涉及用于在各种工业制程期间抑制或防止形成污垢的制品、器件以及方法。在某些实施例中，提供容器用于工业制程中，所述容器具有与矿物溶液接触的纹理化液体浸渍表面，其中所述液体浸渍表面包含具有间隔足够近以稳定地在其间或其内含有浸渍液体润滑剂的特征的矩阵，其中所述浸渍润滑剂具有低表面能密度，并且其中在盐溶液(下标‘w’)存在下所述浸渍润滑剂(下标‘o’)在衬底(下标‘s’)上的铺展系数Sos(w)大于零，从而使得所述浸渍润滑剂完全浸没所述纹理化衬底。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】相关申请的交叉引用本申请要求2013年12月31日提交的标题为“提供液体浸渍疏污垢性表面的制品和方法(ArticlesandMethodsProvidingLiquid-ImpregnatedScale-PhobicSurfaces)”的美国临时专利申请第61/922,574号和2013年3月1日提交的标题为“提供液体浸渍疏污垢性表面的制品和方法”的美国临时专利申请第61/771,486号的优先权和权益，其公开内容以全文引用的方式并入本文中。
本专利技术大体上涉及用于抑制或防止表面上形成污垢的制品、器件以及方法，并且更尤其涉及用于在工业制程中抑制或防止表面上形成矿物污垢的制品、器件以及方法。
技术介绍
污垢形成是在尤其如石油和天然气工业、脱盐厂以及电厂的多种工业中遇到的持久性问题，并且在这些工业中导致加工设备的效率和适用寿命的显著损失。举例来说，热交换器表面和石油和天然气管道的污垢形成或沉淀积垢是一个显著问题。研发出对污垢具有较低亲和性的表面已在过去的十年中一直是备受关注的一个领域。与污垢形成相关的挑战对大多数转化过程的资本和操作成本具有较大影响。举例来说，据估计，对于工业化国家，与热交换器积垢相关的成本约为这些国家国名生产总值(GNP)的0.25％。此外，污垢形成可能在油管道中起显著作用。举例来说，污垢形成导致北海油井产量在仅24小时内从30,000筒/天到0(零)筒/天的巨大损失，如克拉布特里(Crabtree)等人,油田新技术(OilfieldRev.)1999,秋季刊(Autumn),30中所论述。在熟知矿物污垢沉积物中，CaSO4是在许多工业制程中遇到的矿物污垢沉积物。除具有较低溶解度极限外，CaSO4的主要困难是其水合物与多晶型物之间尤其在高温(高于100℃)下的相变，其导致其溶解度极限显著下降。此外，CaSO4的溶解度极大地受系统中其它离子的存在和浓度影响。CaSO4污垢沉积物的另一挑战是其甚至在较低pH下形成并且只有通过机械手段才可以有效地去除，这明显提高了工厂的操作成本。去除污垢沉积物的常规技术包括机械和化学方法。然而，由于涉及去除过程的较高(常常过高)成本以及其不环保的性质，这些技术是次最优的。举例来说，涉及表面上的化学添加剂的减少污垢的常规方法可以改变污垢平衡条件或通过延长污垢形成时间而用作抑制剂。其它方法包括用低表面能材料涂布衬底以抑制污垢形成。然而，此类化学添加剂和涂层涉及聚合物、硫醇或硅烷，其在各种工业中的污垢形成期间通常遇到的恶劣环境下可能劣化，产生环境风险。因此，为了实现各种制程的经济和效率的进一步推进，需要减少并且控制污垢的创新技术。
技术实现思路
本文呈现液体浸渍表面，其与液-液界面一起组合低表面能和低粗糙度的所需性质，所有这些都减少污垢在表面上成核和/或生长。此外，已示出，可以例如以低成本处理如钢(例如在一些实施例中，所述钢是碳钢或不锈钢)、铝、铜或锡的标准容器材料以产生适用于液体浸渍的微纹理化表面。此外，现有工业容器可以通过对其内表面进行微纹理化，随后用低表面能浸渍液体浸渍微纹理化表面来改造。本文呈现容器(例如储槽或管道)，其抑制矿物污垢沉积物于其上形成。容器具有液体浸渍内表面，其中浸渍液体稳定地保持在表面上具有微米级或纳米级(固体)特征的矩阵内，或浸渍液体填满表面上的孔隙或其它小孔(例如孔、空腔、空穴、凹槽、凹坑等)。稳定地含有浸渍液体并且不会明显(或完全)沥出进入容器的内容物中，即使当容器含有如水的其它液体时。浸渍润滑剂通过由微米或纳米纹理产生的毛细力稳定并且可以赋予表面上的移动相(例如液滴)显著移动性。在某些实施例中，容器具有与矿物溶液接触的纹理化液体浸渍表面，其中浸渍润滑剂具有低表面能密度，并且其中在盐溶液(下标‘w’)存在下浸渍润滑剂(下标‘o’)在衬底(下标‘s’)上的铺展系数Sos(w)大于零，从而使得浸渍润滑剂完全浸没纹理化衬底。在一个方面，本专利技术涉及适用于工业制程的容器，所述容器包含液体浸渍内表面，其中液体浸渍表面包括具有间隔足够近以稳定地在其间或其内含有浸渍液体的特征的矩阵(例如以足够良好地含有所述浸渍液体，从而使得可以例如经由与含有浸渍液体的储槽接触来补充因浸渍液体沉降、蒸发和/或溶解为一或多种与表面接触的其它相所致的少量浸渍液体损失)，并且浸渍液体的表面能密度γ(如在25℃下所测量)不超过约35mJ/m2(例如不超过约30mJ/m2，不超过约25mJ/m2，或不超过约20mJ/m2)，从而向矿物污垢沉积物于其上形成提供抗性(例如当容器的液体浸渍表面与包含污垢形成矿物的溶液接触时)(例如其中容器经设计以适用于其中容器的液体浸渍表面含有、传送或以其它方式与包含污垢形成矿物的溶液接触的制程)(例如其中浸渍液体与包含污垢形成矿物的溶液(容器内表面经设计以与其接触)不可混溶或与其混溶少到可以忽略)。在某些实施例中，浸渍液体是润滑剂并且内表面是纹理化衬底，其中容器的液体浸渍内表面在操作期间经配置以与包含污垢形成矿物的盐溶液接触(或保持接触)(例如其中容器经设计以适用于其中容器的液体浸渍表面与包含污垢形成矿物的盐溶液接触的制程，或其中容器含有包含污垢形成矿物的盐溶液或传送包含污垢形成矿物的盐溶液)，并且其中在盐溶液(下标‘w’)存在下浸渍润滑剂(下标‘o’)在衬底(下标‘s’)上的铺展系数Sos(w)大于零，从而使得浸渍润滑剂完全浸没纹理化衬底(例如图1d中的状态IV)。在某些实施例中，浸渍液体是硅酮油。在某些实施例中，液体浸渍表面是抑制污垢于其上形成的疏污垢性表面。在某些实施例中，液体浸渍表面包括(固体)金属。在某些实施例中，金属选自由以下组成的群组：铝、钢(例如不锈钢或碳钢)、铜、钛、锡或其任何组合、其合金或其氧化物。在某些实施例中，浸渍液体浸没表面。在某些实施例中，液体浸渍表面包括硅烷涂层。在某些实施例中，硅烷涂层是选自由以下组成的群组的一员：甲基硅烷、苯基硅烷、异丁基硅烷、二甲基硅烷、四甲基二硅烷、己基硅烷、十八基硅烷以及氟硅烷。在某些实施例中，液体浸渍表面经纹理化。在某些实施例中，液体浸渍表面包括微米级和/或纳米级特征。在某些实施例中，特征包括纳米草。在某些实施例中，液体浸渍表面位于热交换器的内壁上。在某些实施例中，矿物污垢沉积物包括硫酸钙、碳酸钙、硫酸钡、二氧化硅和/或铁中的至少一者。在某些实施例中，容器是用于深海石油和/或天然气回收的导槽或贮槽(例如管道)。在某些实施例中，容器是热交换器的导槽或贮槽。在另一个方面，本发本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种用于工业制程中的容器，所述容器包含液体浸渍内表面，其中所述液体浸渍表面包含具有间隔足够近以稳定地在其间或其内含有浸渍液体的特征的矩阵，并且所述浸渍液体的表面能密度γ(如在25℃下所测量)不超过约35mJ/m2，从而向矿物污垢沉积物于其上形成提供抗性。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】2013.03.01 US 61/771,486;2013.12.31 US 61/922,5741.一种用于工业制程中的容器，所述容器包含液体浸渍内表面，其中所述液体浸渍表
面包含具有间隔足够近以稳定地在其间或其内含有浸渍液体的特征的矩阵，并且所
述浸渍液体的表面能密度γ(如在25℃下所测量)不超过约35mJ/m2，从而向矿物污
垢沉积物于其上形成提供抗性。
2.根据权利要求1所述的容器，其中所述液体浸渍表面包含具有间隔足够近以足够良
好地含有所述浸渍液体的特征的矩阵，从而使得可以补充因所述浸渍液体沉降、蒸
发和/或溶解于一或多种与所述表面接触的相中所致的少量浸渍液体损失。
3.根据权利要求2所述的容器，其中所述补充经由与包含所述浸渍液体的储槽接触来
实现。
4.根据前述权利要求中任一权利要求所述的容器，其中所述表面能密度γ(如在25℃
下所测量)不超过约30mJ/m2，不超过约25mJ/m2，或不超过约20mJ/m2。
5.根据前述权利要求中任一权利要求所述的容器，其中所述容器的所述液体浸渍表面
与包含污垢形成矿物的溶液接触。
6.根据权利要求2到4中任一权利要求所述的容器，其中所述容器经设计以适用于其
中所述容器的所述液体浸渍表面含有、传送或以其它方式与包含污垢形成矿物的溶
液接触的制程。
7.根据前述权利要求中任一权利要求所述的容器，其中所述浸渍液体与包含所述污垢
形成矿物的所述溶液不可混溶或与其的混溶可以忽略，所述容器的内表面经设计以
与所述溶液接触。
8.根据前述权利要求中任一权利要求所述的容器，其中所述浸渍液体是润滑剂，并且
所述内表面是纹理化衬底，其中所述容器的所述液体浸渍内表面在操作期间经配置
以与包含污垢形成矿物的盐溶液接触(或保持接触)，并且其中在所述盐溶液(下标

\t‘w’)存在下所述浸渍润滑剂(下标‘o’)在所述衬底(下标‘s’)上的铺展系数
Sos(w)大于零，从而使得所述浸渍润滑剂完全浸没所述纹理化衬底。
9.根据前述权利要求中任一权利要求所述的容器，其中所述容器经设计以用于其中所
述容器的所述液体浸渍表面与包含污垢形成矿物的盐溶液接触的制程，或其中所述
容器含有包含污垢形成矿物的盐溶液或传送包含污垢形成矿物的盐溶液。
10.根据前述权利要求中任一权利要求所述的容器，其中所述浸渍液体是硅酮油。
11.根据前述权利要求中任一权利要求所述的容器，其中所述液体浸渍表面是抑制污垢
于其上形成的疏污垢性表面。
12.根据前述权利要求中任一权利要求所述的容器，其中所述液体浸渍表面包含(固体)
金属。
13.根据权利要求12所述的容器，其中所述金属选自由以下组成的群组：铝、钢、铜、
钛、锡或其任何组合。
14.根据前述权利要求中任一权利要求所述的容器，其中所述浸渍液体浸没所述表面。
15.根据前述权利要求中任一权利要求所述的容器，其中所述液体浸渍表面包含硅烷涂
层。
16.根据权利要求15所述的容器，其中所述硅烷涂层是选自由以下组成的群组的一员：
甲基硅烷、苯基硅烷、异丁基硅烷、二甲基硅烷、四甲基二硅烷、己基硅烷、十八
基硅烷以及氟硅烷。
17.根据前述权利要求中任一权利要求所述的容器，其中所述液体浸渍表面经纹理化。
18.根据前述权利要求中任一权利要求所述的容器，其中所述液体浸渍表面包含微米级
和/或纳米级特征。
19.根据权利要求18所述的容器，其中所述特征包含纳米草。
20.根据前述权利要求中任一权利要求所述的容器，其中所述液体浸渍表面位于热交换
器的内壁上。
21.根据前述权利要求中任一权利要求所述的容器，其中所述矿物污垢沉积物包含硫酸
钙、碳酸钙、硫酸钡、二氧化硅和/或铁中的至少一者。
22.根据前述权利要求中任一权利要求所述的容器，其中所述容器是用于深海石油和/
或天然气回收的导槽或贮槽。
23.根据前述权利要求中任一权利要求所述的容器，其中所述容器是热交换器的导槽或
贮槽。
24.一种改造容器以提高对矿物污垢沉积物的抗性的方法，所述方法包含修饰所述容器
以产生液体浸渍表面，其中所述液体浸渍表面包含具有间隔足够近以稳定地在其间
或其内含有浸渍液体的特征的矩阵，并且所述浸渍液体的表面能密度γ(如在25℃
下所测量)不超过约35mJ/m2，从而向矿物污垢沉积物于其上形成提供抗性。
25.根据权利要求24所述的方法，其中所述液体浸渍表面包含具有间隔足够近以足够
良好地含有所述浸渍液体的特征的矩阵，从而使得可以补充因所述浸渍液体沉降、
蒸发和/或溶解于一或多种与所述表面接触的相中所致的少量浸渍液体损失。
26.根据权利要求24或25所述的方法，其中所述容器的所述液体浸渍表面与包含污垢
形成矿物的溶液接触。
27.根据权利要求24或25所述的方法，其中所述容器经设计以用于其中所述容器的所
述液体浸渍表面含有、传送或以其它方式与包含污垢形成矿物的溶液接触的制程。
28.根据权利要求24或25所述的方法，其中所述浸渍液体是润滑剂，并且所述内表面
是纹理化衬底，其中所述容器的所述液体浸渍内表面在操作期间经配置以与包含污
垢形成矿物的盐溶液接触(或保持接触)，并且其中在所述盐溶液(下标‘w’)存在下

\t所述浸渍润滑剂(下标‘o’)在所述衬底(下标‘s’)上的铺展系数Sos(w)大于零，从
而使得所述浸渍润滑剂完全浸没所述纹理化衬底。
29.根据权利要求28所述的方法，其中所述容器经设计以用于其中所述容器的所述液
体浸渍表面与包含污垢形成矿物的盐溶液接触的制程，或其中所述容器含有包含污
垢形成矿物的盐溶液或传送包含污垢形成矿物的盐溶液。
30.根据前述权利要求24到29中任一权利要求所述的容器，其中所述浸渍液体与包...

【专利技术属性】
技术研发人员：斯里尼瓦斯·普拉萨德·本加卢鲁·苏布拉马尼亚姆，吉塞勒·阿齐米，乔纳森·大卫·史密斯，克里帕·K·瓦拉纳西，
申请(专利权)人：麻省理工学院，
类型：发明
国别省市：美国;US