[发明专利]提供液体浸渍疏污垢性表面的制品和方法

说明书

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。

技术领域

本发明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。

背景技术

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。

发明内容

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S_os(w)大于零，从而使得浸渍润滑剂完全浸没纹理化衬底。