The chemistry of silicate and phosphate species with applications in automotive coolant technologies
Authors: Σκορδαλού Γεωργία 
Published: January 2024

Η χρήση ψυκτικών υγρών είναι απαραίτητη για εφαρμογές στις οποίες εμπλέκεται μεταφορά θερμότητας και έχει πολλαπλές λειτουργίες, όπως προστασία από την υπερθέρμανση ή την ψύξη. Ωστόσο, λόγω των συνθηκών θερμικής καταπόνησης που επικρατούν μέσα στη μηχανή ενός αυτοκινήτου, τα ψυκτικά υγρά συμβάλουν ταυτόχρονα και στα διάφορα προβλήματα που δημιουργούνται στα συστήματα ψύξης. Παραδείγματα τέτοιων προβλημάτων αποτελούν ο σχηματισμός εναποθέσεων στις επιφάνειες μεταφοράς θερμότητας καθώς και η διάβρωση των μεταλλικών τμημάτων ενός συστήματος. Επομένως, μια πληθώρα χημικών προσθέτων εισάγεται στα ψυκτικά υγρά με στόχο την προστασία των μεταλλικών επιφανειών από τη διάβρωση, την αποφυγή σχηματισμού και κατακρήμνισης εναποθέσεων, και τη διατήρηση του pH σε αποδεκτά και σταθερά επίπεδα. Μεταξύ των πιο γνωστών παρεμποδιστών διάβρωσης είναι τα πυριτικά και τα φωσφορικά ανιόντα, τα οποία χρησιμοποιούνται συχνά σε συνδυασμό με άλλους ανόργανους ή οργανικούς παρεμποδιστές. Δυστυχώς, εάν οι διαδικασίες αυτές δεν ελεγχθούν προσεκτικά, και τα δύο αυτά χημικά είδη μπορούν να λάβουν μέρος σε φαινόμενα κατακρήμνισης/επικάθισης, οδηγώντας το σύστημα σε έλλειψη ενεργού παρεμποδιστή διάβρωσης και μείωση της θερμικής του απόδοσης. Το διοξείδιο του πυριτίου παίζει ζωτικό ρόλο τόσο στο βιομηχανικό όσο και τον βιολογικό κόσμο. Επομένως, η διαδικασία πολυμερισμού του πυριτικού οξέος καθώς και η παρεμπόδιση σχηματισμού πυριτικών επικαθίσεων έχουν μελετηθεί ενδελεχώς σε υδατικό περιβάλλον. Η χημεία και συμπεριφορά του πυριτικού οξέος σε μη-υδατικά ή μεικτά υδατικά/μη-υδατικά συστήματα μελετήθηκε σε βάθος στην παρούσα διατριβή, στα πλαίσια του πεδίου εφαρμογής της τεχνολογίας ψυκτικών υγρών αυτοκινήτων. Ανεπιθύμητες επικαθίσεις διοξειδίου του πυριτίου παρατηρούνται στις μηχανές των αυτοκινήτων παρουσία ψυκτικού υγρού (μη υδατικό περιβάλλον), το οποίο αποτελείται συνήθως από ένα μείγμα νερού με γλυκόλη (κυρίως μονοαιθυλενογλυκόλη, MEG). Αποτελεί λοιπόν επιτακτική ανάγκη η κατανόηση των μηχανισμών σχηματισμού αυτών των πυριτικών επικαθίσεων στις συνθήκες λειτουργίας των αυτοκινήτων. Καθώς οι γνώσεις γύρω από τη χημεία των πυριτικών σε μη-υδατικό ή μεικτό υδατικό/μη-υδατικό περιβάλλον είναι περιορισμένες στη βιβλιογραφία, το θέμα αυτό παρουσιάζει ενδιαφέρον τόσο από ακαδημαϊκή όσο και βιομηχανική σκοπιά. Κύριος στόχος της εργασίας αυτής είναι η συστηματική μελέτη της πολυσυμπύκνωσης του πυριτικού οξέος, καθώς και οι παράγοντες (φυσικοί ή χημικοί) που επηρεάζουν αυτή τη διαδικασία, τόσο θετικά όσο και αρνητικά. Η καθίζηση και εναπόθεση αδιάλυτων ανόργανων ιζημάτων επάνω σε κρίσιμες επιφάνειες, όπως εναλλάκτες θερμότητας, λόγω της ύπαρξης διαλυμένων ιόντων αποτελεί συχνό πρόβλημα στη χρήση του νερού στη βιομηχανία. Τέτοια παραδείγματα αποτελούν τα συστήματα ψύξης, λέβητες, καθώς και εγκαταστάσεις αφαλάτωσης και γεωθερμίας. Η παρουσία μεταλλικών ιόντων, όπως Al3+, Fe3+, Cu2+ and Ca2+ μπορεί να οδηγήσει σε καταβύθιση των φωσφορικών ειδών, ακόμα και σε μικρές συγκεντρώσεις. Τέτοια ιζήματα χαρακτηρίζονται από αντίστροφη διαλυτότητα και επομένως παρατηρείται άμεση και μη αναστρέψιμη καταβύθιση και εναπόθεση υπό τις συνθήκες θερμικής καταπόνησης που επικρατούν μέσα στον κινητήρα ενός αυτοκινήτου. Σε αυτή την εργασία, χρησιμοποιήθηκε η προσέγγιση δέσμευσης μεταλλικών ιόντων για την αποφυγή σχηματισμού φωσφορικών επικαθίσεων παρουσία κάθε μεταλλικού ιόντος ξεχωριστά. Τέλος, η απόδοση επιλεγμένων χημικών πρόσθετων αξιολογήθηκε παρουσία συνδυασμού μεταλλικών ιόντων.