Принцип действия и перспективы использования нанопокрытий для гидрофобизации поверхностей, металлических изделий с целью придания им химической стойкости, водоотталкивающих и антифрикционных свойств, а также использование таких покрытий для труб, применяемых при добыче и транспортировке нефти.

НАНОТЕХНОЛОГИИ В НЕФТЕГАЗОВОМ ХОЗЯЙСТВЕ УМЕНЬШЕНИЕ СИЛ ТРЕНИЯ И МЕТАЛЛИЧЕСКОЙ КОРРОЗИИ Принцип действия и перспективы использования нанопокрытий для гидрофобизации поверхностей, металлических изделий с целью придания им химической стойкости, водоотталкивающих и антифрикционных свойств, а также использование таких покрытий для труб, применяемых при добыче и транспортировке нефти. Лекция 7 2 ПРИЧИНА АВАРИЙ НА ТРУБОПРОВОДАХ Функционирование транспортных и нефтегазопромысловых трубопроводов происходит в жестких условиях, поскольку они подвержены различным нагрузкам (внутреннему давлению, осевым растягивающим или сжимающим напряжениям, давлению грунта засыпки и подвижных средств, перепадам температур). Коррозия – это разрушение металлов в результате химического или электрохимического воздействия окружающей среды, это окислительновосстановительный гетерогенный процесс на поверхности раздела фаз. Основная причина аварий на промысловых трубопроводах – внутренняя коррозия, на транспортных – внешняя. Нефть даже после подготовки к транспортировке по трубопроводу содержит определенное количество химически активных веществ, которые вызывают внутреннюю коррозию труб. Кроме этого, в потоке переносится некоторое количество абразивных твердых частиц. На внутренних поверхностях возможны отложения солей или парафина. Коррозия не только приводит к разрушению трубопровода, но и ухудшает качество перекачиваемого продукта. Вдобавок коррозия, отложения солей и парафинов увеличивают гидродинамическое сопротивление в трубах, что ведет к падению эффективности перекачки нефти. 3 АТМОСФЕРНАЯ КОРРОЗИЯ Атмосферная коррозия - наиболее распространенный вид коррозии металлов, протекающей во влажной воздушной среде. Отличительной особенностью атмосферной коррозии является то, что она протекает не в объеме электролита, а в тонких пленках. При этом коррозионный процесс протекает по законам электрохимической кинетики, но имеет свои специфические особенности. Основными факторами, влияющими на скорость протекания атмосферной коррозии, являются: • влажность атмосферы; • химический состав атмосферы; • длительность периодов увлажнения и высыхания пленок влаги. Основные коррозионноопасные примеси в атмосфере 4 ВИДЫ АТМОСФЕРНОЙ КОРРОЗИИ Сухая атмосферная коррозия протекает в тонких пленках (до 10 нм) при влажности воздуха 30-50% и характеризуется поверхностным окислением металла по химическому механизму с образованием соответствующих оксидов, не приводит к серьезным коррозионным разрушениям. Влажная атмосферная коррозия начинается при относительной влажности воздуха выше 70%. При этой критической влажности, происходит капиллярная конденсация влаги и вода начинает проявлять свойства электролита. Толщина формирующихся на металле пленок влаги составляет от 0,01 до 1 мкм, и происходит очень интенсивное поступление кислорода, что приводит к ускорению коррозионного процесса по сравнению с объемом электролита. Мокрая атмосферная коррозия протекает при толщинах пленки влаги на металлической поверхности от 1 до 1000 мкм. Процесс коррозии несколько замедляется по сравнению с влажной атмосферной коррозией вследствие затрудненности диффузии кислорода к поверхности металла и более сходен с обычной электрохимической коррозией. 5 ВНУТРЕННЯЯ КОРРОЗИЯ Коррозия внутренней поверхности трубопроводов имеет место в основном при перекачке жидких сред, особенно если в них растворены коррозионно-опасные вещества: соли, кислоты, щелочи и т.д. Электрохимическая коррозия возникает в результате работы множества макро- или микрогальванопар в металле, соприкасающемся с электролитом. Причины возникновения гальванических пар в металлах: · Соприкосновение двух разнородных металлов; · Наличие в металле примесей; · Наличие участков с различным кристаллическим строением; · Образование пор в окисной пленке; · Наличие участков с различной механической нагрузкой; · Наличие участков с неравномерным доступом активных компонентов внешней среды, например, воздуха. Так образуются гальванические элементы, то есть образуются анодные и катодные участки. Анодом является металл с более высоким отрицательным потенциалом, катодом является металл с меньшим потенциалом. Между ними возникает электрический ток. На анодных участках атомы железа переходят в раствор в виде гидратированных катионов Fe2+, то есть происходит анодное растворение металла и процесс коррозии распространяется вглубь металла. 6 КОРРОЗИОННОЕ РАСТРЕСКИВАНИЕ Коррозионное растрескивание под напряжением в магистральных трубопроводах (в основном газопроводах) развивается в результате одновременного воздействия на металл коррозионной среды и растягивающих напряжений. Формирование и развитие микротрещин в металле происходит в результате наводораживания трубной стали в местах дислокаций и вакансий кристаллической решетки и роста в них внутреннего давления до значений, превышающих эквивалент энергии связи атомов решетки. Наводораживание происходит вследствие диффузии протонов (H+), образующихся в результате гидролиза воды при повышенных потенциалах катодной защиты, диссоциации ряда неорганических соединений, таких как гидрокарбонаты, гидросульфиды и сульфиды, нитраты, аммонаты, фосфаты и т.д., жизнедеятельности сульфатвосстанавливающих организмов. Коррозия от перепада температур – при замораживании вещество расширяется, а при нагревании объем его уменьшается. При его замораживании, оно начинает давить на поверхность конструкции, что приводит к нарушению ее целостности, попаданию ненужных веществ, что приводит к появлению разрушающей коррозии. 7 ПУТИ УМЕНЬШЕНИЯ КОРРОЗИИ Для защиты нефтепроводов от коррозии изначально проводятся технологические мероприятия. Коррозию можно уменьшить путем тщательной очистки нефти от различных примесей — как механических, так и растворенных, а именно от солей и газов (в первую очередь от сероводорода). Традиционным способом борьбы с коррозией также является применение электрохимической защиты (устранение анодных зон путем повышения потенциала трубопровода по абсолютному значению до величины, достаточной для того, чтобы остановить анодное растворение, при этом поверхность трубопровода будет содержать лишь катодные участки). Распространенный метод борьбы — применение ингибиторов коррозии, то есть веществ, которые, будучи растворенными в перекачиваемой среде, реагируют с металлом труб, образуя на нем защитную пленку. Ингибиторы коррозии могут быть растворимыми в воде и в углеводородах, в ряде случаев применяют комплекс ингибиторов. Способ защиты внутренней поверхности труб путем нанесения защитных покрытий. 8 КЛАССИФИКАЦИЯ ЗАЩИТНЫХ ПОКРЫТИЙ Защитные покрытия Лакокрасочные Полимерные Пленочные Порошковые Стеклоэмали Силикатно-цементные Цементы определенного типа Комбинированные 9 ЭТАПЫ НАНЕСЕНИЯ ЗАЩИТНОГО ПОКРЫТИЯ Все большую долю занимают порошковые полимерные покрытия. Они наносятся различными способами в виде порошка на внутреннюю поверхность труб, разогретых до достаточно высокой температуры (около 300 градусов Цельсия) и спекаются на поверхности, образуя прочную, цельную пленку на поверхности металла. 10 МНОГОСЛОЙНЫЕ ПОКРЫТИЯ НА ОСНОВЕ ПОЛИЭТИЛЕНА И УГЛЕРОДНЫХ НАНОЧАСТИЦ Одно из направлений повышения надежности трубопроводов – внедрение новых изоляционных материалов и современных технологий их нанесения. В последние годы для повышения прочностных свойств и износостойкости полимерных материалов и покрытий применяют их армирование наноструктурными наполнителями. Углеродные нанотрубки (УНТ) и углеродные нановолокна (УНВ) как наполнители полимеров способны: • повысить электропроводность; • увеличить теплопроводность, теплостойкость, температуру воспламенения; • придать антистатические свойства; • улучшить механические характеристики (прочность при растяжении и на разрыв; увеличить модуль упругости и предельное растяжение; повысить износостойкость); • увеличить адгезионную прочность и расширить температурный диапазон применения (от -60 до 250°С); • обеспечить устойчивость к воздействию агрессивных рабочих сред. Надмолекулярная структура образцов полиэтилена с наполнителем: а) СВМПЭ + 2%УНВ; б) СВМПЭ + 10% УНВ 11 МНОГОСЛОЙНЫЕ ПОКРЫТИЯ НА ОСНОВЕ ПОЛИЭТИЛЕНА И УГЛЕРОДНЫХ НАНОЧАСТИЦ Добавление УНВ – эффективный способ улучшения только некоторых физикомеханических характеристик материалов на основе полиэтилена – прочность и износостойкость полимерного материала на основе сверхмолекулярного полиэтилена повышается в несколько раз, коэффициент трения снижается. Однако при увеличении концентрации УНТ проводимость композитов возрастает, защитные свойства падают. Полученное на основе полиэтилена и УНТ многослойное покрытие не превосходит существующие покрытие по стойкости к огню, не выдерживает более трех термоциклов. 12 ПРИМЕРЫ СУПЕРГИДРОФОБНЫХ ПОВЕРХНОСТЕЙ В ПРИРОДЕ 13 СУПЕРГИДРОФОБНЫЕ ПОКРЫТИЯ Супергидрофобное покрытие - это тонкий поверхностный слой, который отталкивает воду. Он изготовлен из сверхгидрофобных материалов. Капли, попадающие на такое покрытие, могут полностью отскочить. Сверхгидрофобные покрытия изготавливаются из композиционных материалов, где один компонент обеспечивает шероховатость, а другой-низкую поверхностную энергию 14 МОДЕЛИ ЖИДКОЙ КАПЛИ НА ПОВЕРХНОСТИ Модель Юнга для жидкости на гладкой твердой поверхности Модель Венцеля Краевой угол - угол  между касательными к поверхности жидкости и твердого тела. где SV, SL и LV - силы межфазного натяжения между твердым телом - газом, твердым теломжидкостью и жидкостью-газом соответственно;  - коэффициент поверхностного натяжения: rb – радиус капли. Эта модель количественно определяет краевой угол смачивания жидкой капли, полностью заполняющей микроскопические бороздки шероховатой поверхности. r – фактор шероховатости 15 МОДЕЛИ ЖИДКОЙ КАПЛИ НА ПОВЕРХНОСТИ Модель Кэсси-Бакстера Капля не погружается в канавки на поверхности, а расположена на композитной поверхности, состоящей из газа и твердого тела где f1 и f2 - отношение площади контакта компонента 1 и компонента 2 к общей площади контакта, соответственно, и их сумма равна 1; 1 и 2 - кажущиеся углы смачивания компонента 1 и компонента 2 соответственно. Гистерезис контактного угла Гистерезис контактного угла является мерой сопротивления движению, с которым сталкивается капля жидкости, когда она скатывается с твердой поверхности. По сути, это показатель липкости твердой поверхности. Низкий ГКУ указывает на то, что супергидрофобная поверхность имеет потенциал самоочищения, поскольку капля жидкости может легко скатиться, в то время как высокая ГКУ показывает, что супергидрофобная поверхность имеет высокое сопротивление потоку жидкости. 16 МЕТОДЫ ФОРМИРОВАНИЯ СУПЕРГИДРОФОБНЫХ ПОКРЫТИЙ Термическое напыление При термическом распылении частицы определенных размеров (1-50 мкм) на поверхность различных подложек для получения покрытия. Материалами покрытия могут быть полимеры, керамика, металлы или конкретные смеси этих материалов. Полурасплавленные или расплавленные частицы попадают на поверхность целевой подложки и быстро затвердевают, образуя тонкий “шлепок. Последовательное столкновение приводит к накоплению частиц и взаимодействию между брызгами, причем толщина брызг обычно составляет около 10 мкм. Получено композитное покрытие, состоящее из эпоксидной смолы (EP), модифицированных углеродных нанотрубок (iDCNTs), цинка (Zn) и поливинилиденфторида (PVDF) для нанесения на стальные пластины. Изготовлено механически прочные супергидрофобные металлические поверхности путем термического напыления Cu, Al или NiCrCrBSi с последующей диффузией политетрафторэтилена (ПТФЭ) в поры покрытий на различные подложки, включая нержавеющую сталь 316 17 МЕТОДЫ ФОРМИРОВАНИЯ СУПЕРГИДРОФОБНЫХ ПОКРЫТИЙ Гидротермальный способ Гидротермальный метод включает синтез веществ путем химических реакций, протекающих в закрытом реакционном сосуде при давлении и температуре окружающей среды выше 100°C и 1 бар. Этот метод растворяет и перекристаллизует вещество, которое нерастворимо или плохо растворимо в нормальных условиях. Основные этапы гидротермального синтеза Комплектация раствора Выдержка раствора Перенос раствора в реактор Гидротермальная обработка Центрифугирование, промывка, фильтрация Сушка, прокаливание Схема установки для гидротермального синтеза Продукт 18 МЕТОДЫ ФОРМИРОВАНИЯ СУПЕРГИДРОФОБНЫХ ПОКРЫТИЙ Разработана супергидрофобная композитная пленка Fe2O3/Fe3O4, имеющая микро-наноструктуру на стали N80, для смягчения коррозии с помощью двухступенчатого гидротермального метода с последующим процессом отжига, который проходил на воздухе при 550°C в течение 2 ч. Схема процедуры подготовки образца: G1, пленка Fe3O4; G2, пленка FeOOH/Fe3O4; G3, пленка Fe2O3/Fe3O4; G4, гидрофобный образец. Фотографии (а) голого N80 для испытания на отскок воды и испытания на струйную обработку воды. Испытания на супергидрофобном образце для (b) испытания на отскок воды, (c) испытания на струю воды, (d) самоочищения и (e) испытания на погружение. В этих тестах использовался оптимальный образец G4. Супергидрофобный образец превосходно справлялся с самоочищением, подпрыгиванием воды и испытаниями на струйную обработку воды. Структура микрооктаэдр/нанород, сформированная на поверхности стали N80, играет эффективную роль в антикоррозионных характеристиках. 19 МЕТОДЫ ФОРМИРОВАНИЯ СУПЕРГИДРОФОБНЫХ ПОКРЫТИЙ Электрохимическое осаждение Электроосаждение включает в себя использование электричества для восстановления ионов металлов желаемого материала из раствора (электролита) и осаждения этого материала в виде тонкой пленки на поверхности подложки (катода). Электрохимическое осаждение имеет следующие преимущества в отношении изготовления супергидрофобных поверхностей: простота, высокая эффективность, масштабируемость, меньшее время изготовления, воспроизводимость, простота управления, низкая стоимость изготовления и высокая вероятность получения нескольких морфологий поверхности 20 МЕТОДЫ ФОРМИРОВАНИЯ СУПЕРГИДРОФОБНЫХ ПОКРЫТИЙ Супергидрофобный материал был получен с использованием химической смеси, содержащей раствор триэтоксисилилпропил изоцианата М-АТ и тетраэтоксисилана (TEOS), а затем электроосажден на стальные подложки. Разработанное покрытие, содержащее 5 мас.% M-AT, было наиболее устойчивым к коррозии при воздействии агрессивной среды, и покрытие сохранило свою супергидрофобную природу, несмотря на длительное испытание на погружение, поддерживая угол контакта более 150°. Был сделан вывод, что этот гибридный материал покрытия может обеспечить перспективное решение проблемы коррозии металлов в агрессивной среде. 21 МЕТОДЫ ФОРМИРОВАНИЯ СУПЕРГИДРОФОБНЫХ ПОКРЫТИЙ Покрытие погружением Этот метод состоит из двух этапов: во-первых, подложка пропитывается раствором нанокомпозита, а во-вторых, подложка постепенно вытягивается с контролируемой и постоянной скоростью. По мере удаления подложки из раствора она покрывается нанокомпозитным покрытием. Количество нанокомпозитного покрытия, покрывающего поверхность подложки, также контролируется в результате скорости вытягивания. Более толстые пленки образуются при низких скоростях вытягивания, так как скорость испарения растворителя выше, чем скорость усадки пластины, в то время как при высоких скоростях вытягивания происходит обратное. Изготовили многофункциональное суперамфифобное покрытие SiO2 на нержавеющей стали с помощью погружного покрытия для транспортировки сырой нефти Стратифицированный суперамфифобный FOTS-SiO2 был получен в результате реакции восстановления гидразингидрата (N2H4*H2O) и функционализации самосборки с использованием FOTS (1Н, 1Н, 2Н, 2Нперфтороктилтрихлорсилан). 22 МЕТОДЫ ФОРМИРОВАНИЯ СУПЕРГИДРОФОБНЫХ ПОКРЫТИЙ Золь-гель метод Этот метод включает химическую реакцию, которая происходит от молекулярного соединения или иона и создает трехмерную структуру за счет образования кислородной связи между ионами и высвобождения воды или других небольших молекул. Таким образом, золь-гель процесс можно назвать реакцией поликонденсации, которая приводит к образованию трехмерной сети. Основными недостатками этого метода являются растрескивание, механические напряжения и ограничения по толщине. Однако золь-гель метод имеет следующие преимущества: экономичность; легкость управления электрическими, структурными и оптическими свойствами пленок; низкая температура процесса; отличная однородность, применимая к основам сложной формы; и качественные фильмы 23 МЕТОДЫ ФОРМИРОВАНИЯ СУПЕРГИДРОФОБНЫХ ПОКРЫТИЙ Получено новое супергидрофобное и высокоолеофобное покрытие из наночастиц полиуретан-SiO2 с механической прочностью на проволоке из нержавеющей стали с помощью золь-гель процесса. Простой способ изготовления PU-SiO2 основан на химической реакции между мономерами полиола, октиламиновой группой, активированными глицидоксипропилтриметоксисилановыми (GPTS) группами на поверхности наночастиц FAS-SiO2 и изоцианатной группой. Покрытие имело угол скольжения и угол смачивания воды 3 ° и 159 °, соответственно, в то время как капля масла имела угол скольжения и смачивания 3 ° и 140 °. Кроме того, PU-SiO2 сохранил отличную амфифобность после погружения в масло и воду в течение семи дней с углами смачивания 130 ◦ и 150 ◦ для масла и воды, соответственно. 24 МЕТОДЫ ФОРМИРОВАНИЯ СУПЕРГИДРОФОБНЫХ ПОКРЫТИЙ Гибридные методы В последние годы многие исследователи наносили супергидрофобные покрытия на стальные подложки с помощью комбинации двух или более методов изготовления, таких как гидротермальный синтез и электроосаждение, метод химического травления и распыления, а также электроосаждение и химическое осаждение из паровой фазы. Процесс изготовления супергидрофобного покрытия включал два отдельных этапа: сначала покрытие Zn было электроосаждено на стальную подложку, а затем проводилась гидротермальная обработка электроосажденного покрытия Zn для роста нанолистов ZnO in situ. Поверхность полученной структуры покрытия позже была модифицирована с использованием пентадекафтороктановой кислоты, что сделало ее очень супергидрофобной с углом скольжения около 6 ° и углом контакта с водой 158 °. Подготовленное супергидрофобное покрытие обладает превосходными самоочищающимися и стабильными свойствами 25 МЕТОДЫ ФОРМИРОВАНИЯ СУПЕРГИДРОФОБНЫХ ПОКРЫТИЙ Процесс травления Разработано супергидрофобное покрытие на стальной поверхности с антикоррозийными, противообледенительными и устойчивыми к солнечному свету свойствами посредством химического травления. Сначала проводили травление с использованием перекиси водорода и соляной кислоты для создания слоистых структур на стальной поверхности, затем модифицировали поверхность с помощью FAS-17 (1H, 1H, 2H, 2H-перфтордецилтриэтоксисилан). Смачиваемость стальной поверхности изменилась с гидрофобного состояния на «эффект розы», а затем на «эффект лотоса» в зависимости от различных объемов H2O2 / кислоты. Обработанная поверхность продемонстрировала исключительную механическую прочность, поскольку она выдерживала истирание наждачной бумагой SiC с водным воздействием в течение 3 ч. Демонстрирует исключительную коррозионную стойкость и стойкость к ультрафиолетовому излучению, что делает ее подходящей средой для транспортировки нефтепродуктов 26 ПРИМЕНЕНИЕ СУПЕРГИДРОФОБНЫХ ПОКРЫТИЙ ДЛЯ ТРУБОПРОВОДОВ Самоочищение Самоочищение - свойство, присущее супергидрофобным поверхностям, означает способность поверхностей удалять инородные тела (грязь и примеси) без какой-либо внешней помощи. Самоочищающиеся поверхности можно получить, используя две стратегии: 1) применение фотокаталитических добавок, таких как TiO2, которые разрушают органические инородные тела при воздействии света; 2) изготовление покрытия, поверхность которого проявляет гидрофобные свойства, а также сочетание шероховатости поверхности с соединениями с низкой поверхностной энергией может повысить супергидрофобность поверхностей для самоочищающихся применений. 27 САМООЧИЩАЮЩЕЕСЯ ПОКРЫТИЕ Разработано самоочищающееся супергидрофобное покрытие Cu – Zn на стальной подложке путем электроосаждения. Чтобы проверить самоочищение этого покрытия, ценосферы летучей золы (диаметром 250 мкм, 130 мкм и 90 мкм) были распределены в качестве загрязняющих веществ на поверхности образца, наклоненного под углом 6,5°, а затем капли воды были выпущены на загрязненную поверхность. Катящиеся капли очищали поверхность, удаляя ценосферы на своем пути. Это превосходное свойство самоочищения было приписано иерархической структуре поверхности, которая позволяет ей улавливать достаточно воздуха и эффективно избегать контакта между поверхностью и ценосферами. 90 мкм 130 мкм 250 мкм 28 ПРИМЕНЕНИЕ СУПЕРГИДРОФОБНЫХ ПОКРЫТИЙ ДЛЯ ТРУБОПРОВОДОВ Антиобледение Утечки масла в трубопроводах могут возникать в результате нарастания льда в холодном климате. Лед может заморозить важные компоненты, такие как клапаны, или накапливаться внутри трубопровода, образуя пробку. В исследование различных причин утечек из трубопроводов в США в период с 1986 по 2012 годы было рассмотрено 6982 инцидента с береговыми трубопроводами. Из этих происшествий 5,5% были вызваны опасными природными явлениями, 24% из которых были вызваны опасными климатическими явлениями и 72% - замерзанием. Образование и накопление льда происходит на поверхности трубопроводов, используемых для транспортировки сырой нефти и других нефтепродуктов в холодную погоду. стратегии защиты от обледенения можно разделить на пассивные и активные. Активные стратегии защиты от обледенения включают электрические, тепловые, механические и противообледенительные жидкости; однако они потребляют много энергии, дороги и токсичны, несмотря на доказанное промышленное применение. Пассивные стратегии борьбы с обледенением используют антиобледенительные покрытия для покрытия открытых поверхностей и предотвращения обледенения. Эти стратегии дешевы, нетоксичны и просты в использовании. 29 АНТИОБЛЕДЕНИТЕЛЬНОЕ ПОКРЫТИЕ Изготовлено противообледенительное супергидрофобное покрытие на стальной подложке путем простого распыления смеси гидрофобных наночастиц диоксида кремния (SNP) и полиметилметакрилата (PMMA). Противообледенительные свойства этого свежеприготовленного покрытия были исследованы с помощью теста на капание холодной воды и теста на конденсацию. Результаты теста на конденсацию, исходная поверхность была покрыта туманной пленкой, в то время как на супергидрофобной поверхности можно было наблюдать только очень тонкую пленку влаги. 30 ПРИМЕНЕНИЕ СУПЕРГИДРОФОБНЫХ ПОКРЫТИЙ ДЛЯ ТРУБОПРОВОДОВ Антибиообрастание Биообрастание - это нарастание бактерий, микроорганизмов, водорослей, морских водорослей или ракушек на влажных поверхностях Когда искусственная или естественная поверхность погружается в морскую воду, на нее влияет прикрепление биопленки. Морское биообрастание стало глобальной проблемой, затрагивающей морскую, нефтегазовую и водную отрасли, такие как подводные сооружения, морские суда, газопроводы и опреснительные установки. Ежегодные затраты, которые морские и другие мировые отрасли несут на борьбу с биообрастанием, исчисляются миллиардами долларов В последнее время исследователи показали взаимосвязь между эффективностью противообрастающего покрытия и смачиваемостью поверхностей. Следовательно, супергидрофобные поверхности стали многообещающим решением проблем биообрастания, поскольку они имеют искусственные слоистые структуры в микронном масштабе, имеющие низкую смачиваемость, что эффективно снижает количество микроорганизмов, прикрепленных к поверхности материала. Сообщается, что наночастицы серебра (AgNP) очень устойчивы к микроорганизмам при использовании для изготовления супергидрофобных поверхностей. 31 АНТИБИООБРАСТАЮЩЕЕ ПОКРЫТИЕ Создано прочные супергидрофобные покрытия с антибиообрастающими свойствами на подложках из углеродистой стали методом распыления. Водоросли и бактерии культивировали на чашках, покрытых слоем F-ормосил / поли (метилгидроксисилоксан) (PMHOS), для оценки устойчивости к биологическому обрастанию изготовленной супергидрофобной поверхности. Сообщалось, что количество бактерий после 4 часов культивирования на пластинке с покрытием меньше, чем в пластинке без покрытия. 32 ПРИМЕНЕНИЕ СУПЕРГИДРОФОБНЫХ ПОКРЫТИЙ ДЛЯ ТРУБОПРОВОДОВ Антикоррозия Подготовлено прочное супергидрофобное покрытие с превосходной коррозионной стойкостью за счет электроосаждения. Сначала было нанесено микронаноструктурированное никелевое (Ni) покрытие, а затем электроосаждением хромовое покрытие (Cr) на предварительно подготовленное никелевое покрытие для улучшения его коррозионной стойкости и его механические свойства. Переход от «рыбьей чешуи» к «конусообразной» структуре наблюдался после 20 секунд электроосаждения. Сообщалось, что покрытие Ni / Cr2O показало угол контакта с водой 167,9 ± 2,4 ° и микротвердость 754 ± 4 HV. В другом исследовании изготовлено супергидрофобное олигоанилинсодержащее электроактивное покрытие из диоксида кремния на углеродистой стали Q235 для предотвращения коррозии путем электроосаждения. Способность покрытия предотвращать коррозию объясняется комбинированным эффектом супергидрофобной природы покрытия EM-SiO2 перед обработкой и уникальным каталитическим потенциалом блока тримерного анилина, поскольку он эффективно предотвращает прохождение коррозионной среды и вызывает формирование пассивных пленок из αFe2O3 и Fe3O4 на поверхности стали Q235. 33 ПРИМЕНЕНИЕ СУПЕРГИДРОФОБНЫХ ПОКРЫТИЙ ДЛЯ ТРУБОПРОВОДОВ Снижение вязкого сопротивления При транспортировке сырой нефти и других нефтепродуктов по трубопроводам: большая часть мощности транспортировки жидкости, передаваемой насосом, используется для преодоления сопротивления стенок трубы. Таким образом, уменьшение лобового сопротивления имеет большое экономическое значение. В последнее время покрытие поверхности трубопроводов супергидрофобными покрытиями оказалось жизнеспособным способом снижения сопротивления, вызываемого поверхностным трением. Исследование показало, что поверхность, протравленная в соляной кислоте и покрытая микро- и наночастицами оксида алюминия, испытала большее снижение сопротивления в более широком диапазоне скоростей, чем поверхность, покрытая наночастицами. Сообщалось, что сила сопротивления уменьшилась с 77% до 7% для чисел Рейнольдса 4,7 × 104 и 2,35 × 105 соответственно, в то время как измеренный угол смачивания составил 158,4°. Было предложено, что подход, использованный в этом исследовании, и развитая поверхность могут быть использованы при производстве супергидрофобных труб для уменьшения перепада давления и, таким образом, снижения стоимости. 34 ПРИМЕНЕНИЕ СУПЕРГИДРОФОБНЫХ ПОКРЫТИЙ ДЛЯ ТРУБОПРОВОДОВ Разделение нефти и воды В последние годы происходят регулярные разливы нефти вместе со сбросом промышленных сточных вод, что приводит к серьезному загрязнению окружающей среды и ущербу экосистемам по всему миру. Например, разлив нефти Deepwater Horizon, в результате которого около 4,9 миллиона баррелей нефти было сброшено в Мексиканский залив, был признан одним из самых серьезных разливов нефти в истории США. Чтобы решить проблемы, вызванные разливом нефти, исследователи разработали несколько технологий, в которых используются отвердители, биоремедиация, сжигание на месте, скиммеры, диспергенты и сорбенты. Однако эти технологии имеют несколько ограничений, таких как высокая стоимость, низкая эффективность разделения, низкая скорость разделения и вторичный источник загрязнения. Таким образом, жизненно важно разработать альтернативные, высокоэффективные и экономически жизнеспособные технологии для борьбы с разливами нефти, подходящими кандидатами для которых оказались функционализированные мембраны и супергидрофобные поверхности. 35 ПОКРЫТИЕ ДЛЯ РАЗДЕЛЕНИЯ ВОДЫ И НЕФТИ Изготовили неочищенную супергидрофобную поверхность и подводную суперолеофобную поверхность на сетках из нержавеющей стали для разделения масла и воды посредством одностадийного осаждения из паровой фазы полидиметилсилоксана (ПДМС) в жидкой фазе. Супергидрофобная поверхность использовалась для разделения тяжелых смесей нефти и воды после предварительного смачивания маслом, в то время как подводная суперолеофобная поверхность использовалась для разделения легких смесей нефти и воды после предварительного увлажнения водой. Сообщалось, что различные смеси тяжелой нефти или легкой нефти с водой могут быть разделены с эффективностью более 99%, и эта эффективность сохраняется даже после 60 циклов разделения Схематическое изображение селективного разделения водонефтяных смесей. (b) Процесс разделения воды и хлороформа с использованием M-350 ( ρ воды < ρ масла ). (c) Процесс разделения воды и керосина с использованием M-500 ( ρ воды > ρ нефти ). 36 ОБЩИЕ ЗАМЕЧАНИЯ Два важных фактора, которые необходимо учитывать при изготовлении супергидрофобных поверхностей, - это химия поверхности (поверхностная энергия) и геометрия поверхности (шероховатость поверхности). Материалы с низкой поверхностной энергией, такие как фторалкилсилан, и геометрия поверхности микронаноструктуры являются наиболее распространенными параметрами, используемыми для достижения супергидрофобности. Из всех методов, используемых для изготовления супергидрофобных покрытий для стальных трубопроводов, распыление является наиболее универсальным и широко используемым, согласно литературным данным. Этот метод обеспечивает простое и экономически выгодное массовое изготовление покрытий на различных стальных подложках с заданной микроструктурой. Сообщается, что Наночастицы серебра очень устойчивы к микроорганизмам при использовании для изготовления супергидрофобных поверхностей. Кроме того, полимеры с памятью формы недавно стали использоваться в производстве супергидрофобных поверхностей для самовосстановления. 37 БУДУЩИЕ НАПРАВЛЕНИЯ Будущие исследования должны быть сосредоточены на разработке новых и умных супергидрофобных покрытий, включающих ингибиторы коррозии и способных к самовосстановлению, чтобы восстанавливать их антикоррозионные, противобиообрастающие и самовосстанавливающиеся функции независимо или с минимальным вмешательством внешних факторов, таких как УФ-свет. В будущем необходимо разработать более экологически чистые и дешевые супергидрофобные покрытия с упором на их крупномасштабное или промышленное применение. В недавних исследованиях антикоррозионные свойства различных разработанных супергидрофобных покрытий оценивались только в течение короткого периода времени (максимум два месяца). Следовательно, в будущем существует потребность в изготовлении супергидрофобных покрытий, которые могут сохранять свои антикоррозионные свойства в течение длительного времени при воздействии тяжелых коррозионных условий, как можно было бы ожидать в морской среде, где в основном используются трубопроводы. 38 БУДУЩИЕ НАПРАВЛЕНИЯ В будущем также следует изучить трибологические исследования использования супергидрофобных покрытий. Большинство стальных подложек (например, стальные трубопроводы X80 и X90), выбранные в литературе, в основном предназначены для применения в нефтегазовых системах высокого давления; Таким образом, необходимо выбрать стальную основу промышленного качества (например, ASTM A106 и ASME B31.4), предназначенную как для применения в нефтегазовой отрасли, так и при высоких давлениях и температурах. В будущем должны быть разработаны новые суперамфифобные покрытия для защиты углеродистой стали промышленного класса, которая в основном используется для транспортировки сырой нефти при высоком давлении и температуре.