Energetic Surface Properties in Crystallization Fouling on Modified Surfaces (Band 27)

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A modern approach to mitigating crystallization (CaSO4) fouling effectively is to modify heat exchanger surfaces with regard to their surface free energy (SFE) properties. Applying DLC (diamond-like carbon) coatings to the surface provides the possibility to design the SFE parameters. Until now the mitigating effect is not fully understood, although the surface modifications proved their functionality in various fouling experiments. It is discussed in literature that a low total SFE and especially high polar interactions are key factors for mitigating fouling propensities.

From literature, it is found that altered SFE of DLC coatings can result from various cleaning treatments. Therefore, it was investigated how the SFE of diverse solid substrates reacts to consecutive cleaning acid, base and thermal treatments. The thermal and base treatments resulted in significant increases of SFE, especially for polar components. In most cases three repetitions of the respective treatment resulted in a constant property state, withstanding further treatment. Another focus was put on conditioning procedures to test the extent of altering SFE properties and reproduce the constant SFE state. Two appropriate conditioning procedures could be identified for two DLC modifications.

A new investigation procedure is introduced integrating conditioning for fouling determination. In it, surface characterizations were performed, such as analysis for roughness parameters, SFE properties and elemental composition. Hereby, several parameter changes were detected before and after the initial fouling experiment, the conditioning procedure and the consecutive fouling experiments. One type of coating provided excellent fouling mitigation properties after conditioning, which increased the total SFE and polar components significantly. . Further, it could be shown that after conditioning, consecutive fouling experiments altered the SFE parameters, especially the Lewis base polar and acid components and therewith the total SFE. However, fouling propensities could not be correlated to a definite set of SFE parameter, since the SFE altered to no recognizable pattern over the performed investigation procedure. A model needed to be addressed to qualify favorable surface parameters for fouling mitigation.

Several models were considered to study the contribution of molecular interactions to adhesion propensities. From classical nucleation theory, it could be determined that the critical nucleus size for stable nucleation forms at nano-scale. The plate-sphere model was considered to assess adhesion propensities resulting from molecular interactions between calcium sulfate particles and solid substrates immersed in water. The evaluation clearly identified Lewis acid-base polar interactions to be the determining factor to achieve repulsive particle-wall interactions. Lifshitz-van der Waals interactions led to attraction in all examined setups. The contribution to the total energy of interaction resulting from electrostatic double layer gained importance at mid-range. Thus, general rules for repulsion could be concluded. Moreover, the plate-sphere model provides the most promising possibility for fouling assessment when SFE properties are considered.

Ein Ansatz um Kristallisationsfouling dauerhaft zu mindern, besteht in der oberflächenenergetischen Modifikation von wärmeübertragenden Flächen. So genannte DLC (diamond-like carbon) Beschichtungen sind hierfür besonders günstig, da ihre oberflächenenergetischen Parameter eingestellt werden können. Allerdings ist der Wirkmechanismus, den die Oberflächenenergie (OFE) auf den Ablagerungsprozess ausübt, bis heute noch nicht vollends aufgeklärt. In der Literatur werden für die Minderung des Foulingaufkommens insbesondere eine geringe Gesamt-OFE und ein relativ großer polarer Lewis-Base-Anteil als vorteilhaft diskutiert.

Wenn die Beschichtungen zyklischen Reinigungsintervallen ausgesetzt sind, können sich ihre OFE-Parameter über die Zeit verändern. Es wurde untersucht, wie sich aufeinander folgende thermische und chemische Reinigungsintervalle auf die Entwicklung von OFE-Parametern auswirken. Vor allem thermische und basische Reinigungen erzeugten eine signifikante Zunahme der gesamten OFE und des polaren Lewis-Base-Anteils. In den meisten Fällen waren drei Reinigungs-behandlungen ausreichend, um einen konstanten Zustand der OFE Parameter zu erzeugen, welcher durch weitere Behandlungen unwesentlich verändert wurde. Hieraus konnten zwei geeignete Konditionierungsprozeduren entwickelt werden, um diesen OFE-Zustand zu reproduzieren.

Eine neue Versuchsabfolge wird vorgestellt, welche die Foulinguntersuchung im Neuzustand und nach der Konditionierung implementiert. Dabei werden die zeitlichen Veränderungen von Oberflächenparametern wie Rauheit, OFE und elementarer Zusammensetzung aufgenommen. Ein Beschichtungstyp konnte identifiziert werden, welcher nach der Konditionierung das Kristallwachstum dauerhaft unterdrücken konnte. Es zeigte sich, dass hierfür die Maximierung der absoluten OFE, insbesondere durch Zunahme des polaren Anteils, besonders vorteilhaft ist. Jedoch zeigte sich auch, dass sich Veränderungen der OFE in Folge von Fouling¬experimenten ergaben. Aus diesem Grund konnte keine direkte Korrelation zwischen OFE und Fouling-Parametern geschlussfolgert werden.

Mit Hilfe geeigneter Modelle konnte der Einfluss molekularer Wechselwirkungen auf die Adhäsionsneigung untersucht werden. Die Größenordnung des kritischen Keimbildungsradius wurde mittels der klassischen Keimbildungstheorie im Nanobereich identifiziert. Ein Modell zur Betrachtung der molekularen Wechselwirkungen zwischen Wand und einem sich annähernden kugeligen Partikel zeigte für den gegebenen Fall, dass polare Wechselwirkungen den entscheidenden Einfluss auf die Adhäsionsneigung ausüben. Dieser kann begünstigt sein, wenn das Substrat ebenfalls einen großen polaren Anteil in seiner OFE besitzt. Nur mit ihm konnte eine repulsive Partikel-Wand-Interaktion im vorliegenden Fall erzielt werden. Lifshitz-van der Waals Wechselwirkung ergaben stets attraktive Adhäsionsbeiträge. Die Wechselwirkung erzeugt durch elektrostatische Doppelschichten wurde anhand von Literaturdaten abgeschätzt und wies, insbesondere bei mittleren Abständen, eine bedeutende Rolle bei der gesamt energetischen Betrachtung auf.