بررسی چگونگی تشکیل نانوکلوخه متخلخل تیتانیوم اکسید شناور در بستر سیال مخروطی و ارزیابی ویژگی‌های فیزیکی و مکانیکی آن

نوع مقاله : علمی-پژوهشی

نویسندگان

گروه مهندسی شیمی، دانشگاه صنعتی همدان، همدان، ایران

چکیده

در این پژوهش به بررسی رفتار هیدرودینامیکی بستر سیال مخروطی دارای نانوذره‌های تیتانیوم اکسید Aeroxide P25 (TiO2) آب­دوست موقع شناورسازی و مطالعه نظری مکانیک تماس نانوذره‌ها و چگونگی تشکیل کلوخه­ های متخلخل پرداخته شد. نانوذره‌های تیتانیوم اکسید با قطر اولیه nm 21 در یک بستر آزمایشگاهی توسط دو جریان گاز نیتروژن و هوا در سرعت­ های ظاهری گوناگون شناور شدند. اندازه کلوخه­ ها در زمان شناوری توسط تصویربرداری برخط لیزری و پس از شناوری به کمک میکروسکوپ پراش الکترونی (SEM) در بازه μm 200-40 تعیین شد. تصویرهای لیزر نشان داد میانگین قطر کلوخه­ های شناور شده با گاز نیتروژن و هوا به­ ترتیب برابر  112 و μm 131 بود، در حالی که متوسط اندازه­ کلوخه­ های پیچیده در پایان شناوری بستر با گاز نیتروژن و هوا توسط SEM به ترتیب 75 و mµ 95 تعیین شد. آنالیز دیتامیکی بستر نشان داد اندازه کلوخه­ های پایانی به شدت تابع زمان شناورسازی آن‌ها است. به دلیل وجود نیروهای جاذبه قوی بین نانوذره ‎ها، اندازه کلوخه­ های اولیه تشکیل شده در بازه تقریبی μm 220-180 قرار گرفت که با ادامه روند سیالیت، ذره‌های شکسته شده و کلوخه ­هایی در بازه μm 145-100 تشکیل می ­شوند. همچنین تأثیر سایر پارامترهای عملیاتی مانند سرعت جریان گاز و میزان پرشدگی اولیه بستر در چگونگی تشکیل کلوخه­ ها مورد بررسی قرارگرفت. نیروی کشسانی کلوخه­ های به دست آمده با استفاده از میکروسکوپ نیروی اتمی و منحنی تنش-کرنش اندازه­ گیری شد. مدول یانگ با برازش منحنی­ نیرو-جابه­ جایی، kPa 144 محاسبه شد که نتیجه‌های به دست آمده با نتیجه مدل هرتز (kPa 141) همخوانی داشت. نتیجه‌های آزمون تعیین کرویت ذره‌ها نشان داد افزایش سرعت جریان گاز و استفاده از هوا به عنوان سیال شناورسازی می­ توانند به طور جزئی موجب افزایش میانگین کرویت کلوخه­ ها شوند (86/0-82/0). طبق آزمایش‌ها زمان شناوری­سازی تأثیر زیادی بر کاهش میزان کرویت ذره ‎ها داشت (77/0-58/0) که متأثر  از پدیده شکست کلوخه­ های درشت در زمان شناوری و تشکیل کلوخه ­هایی با لبه ­های تیز بود. اندازه­ گیری مدول یانگ نشان داد که کلوخه­ های تشکیل شده اولیه بسیار شکننده بوده و دارای تخلخل سطحی بالای %80 هستند، در حالی که تخلخل کلوخه ­های پایانی کم­تر از %50 بوده و بیش­تر دارای سطحی به­نسبت صاف هستند. این نتیجه‌ها با داده ­های به دست آمده از مرجع‌ها برای ذره‌های آب­ دوست تیتانیا همخوانی خوبی دارد.

کلیدواژه‌ها

موضوعات

مراجع

[1] Iwadate Y., Horio M., Prediction of Agglomerate Sizes in Bubbling Fluidized Beds of Group C Powders, Powder Technology, 100(2-3): 223-226 (1998).
[2] Bika D.G., Gentzler M., Michaels J.N., Mechanical Properties of Agglomerates, Powder Technology, 117(1-2): 98-112 (2001).
[3] Rong W., Pelling A.E., Ryan A., Gimzewski J.K., Friedlander S.K., Complemen Tary Temand AFM Force Spectroscopy to Characterize the Nanomechanical Properties of Nanoparticle Chain Aggregates, Nano Letters, 4(11): 2287-2292 (2004).
[4] Ommen J.R.V., Valverde J.M., Pfeffer R., Fluidization of Nanopowders: A Review, J. Nanopart. Res., 14(737): (2012).
[5] Quevedo J.A., Omosebi A., Pfeffer R., Fluidization Enhancement of Agglomerates of Metal Oxide Nanopowders by Microjets, American Ins. Chem. Eng. (AIChE Journal), 56(6): 1456-1468 (2010).
[6] Shabanian J., Jafari R., Chaouki J., Fluidization of Ultrafine Powders, Int. Rev. Chem. Eng., 4(1): 16-50 (2012).
[7] Parveen F., Berruti F., Briens C., McMillan J., Effect of Fluidized Bed Particle Properties and Agglomerate Shape on the Stability of Agglomerates in a Fluidized Bed, Powder Technology., 237: 46-52 (2013).
[8] Khadilkar A., Rozelle P.L., Pisupati S.V., Models of Agglomerate Growth in Fluidized Bed Reactors: Critical Review, Status and Applications, Powder Technology., 264: 216-228 (2014).
[9] شیخی ا.، ستوده قره باغ ر.، مستوفی ن.، ضرغامی، ر.، محجوب جهرمی م.، تعیین مشخصه‌های هیدرودینامیکی بسترهای سیال سه ‌فازی به کمک پایش نوسان‌های ارتعاش، نشریه شیمی و مهندسی شیمی ایران، (4)43: 30 تا 53 (1390).
[10] Xiao G., Grace J.R., Lim C.J., Limestone Particle Attrition in High-Velocity Air Jets, Ind. Eng. Chem. Res., 51(1): 556-560 (2012).
[11] de Martin L., Bouwman W.G., van Ommen J.R., Multidimensional Nature of Fluidizednanoparticle Agglomerates, Langmuir, 30(42): 12696-12702 (2014).
[12] Hu D.D., Zhuang J.B., Ding M.L., A Review of Studies on the Granular Agglomeration Mechanisms and Anti Agglomeration Methods, Key Engineering Materials, 501: 515-519 (2012).
[13] Bushell G., Yan Y., Woodfield D., Raper J., Amal R., On Techniques for the Measurement of the Mass Fractaldimension of Aggregates, Adv. Colloid Interface Sci, 95(1): 1–50 (2002).
[14] de Martin L., Fabre A., van Ommen J.R., The Fractal Scaling of Fluidized Nanoparticle Agglomerates, Chem. Eng. Sci. 112: 79-86 (2014).
[15] Vicsek T., "Fractal Growth Phenomena", World Scientific Pub Co Inc, (1992).
[16] Zhou T., Li H.Z., Force Balance Modelling for Agglomerating Fluidization of Cohesive Particles, Powder Technology, 111(1-2): 60-65 (2000).
[17] Turki D., Fatah N., Behavior and Fluidization of the Cohesive Powders: Agglomerates Sizes Approach, Brazilian. J. Chem. Eng, 25(1): 697 (2008).
[18] Matsuda S., Hatano H., Muramoto T., Tsutsumi A., Modeling for Size Reduction of Agglomerates in Nanoparticle Fluidization, American Inst. Chem. Eng. (AIChE) Journal, 50(11): 2763-2771 (2004).
[19] Salameh S., Schneider J., Laube J. Alessandrini A., Facci P., Seo J.W., Colombi Ciacchi L., Mädler L., Adhesion Mechanisms of the Contactinterface of TiO2 Nanoparticles in Films and Aggregates, Langmuir, 28(31): 11457-11464 (2012).
[20] Laube J., Salameh S., Kappl M., Madler L., Ciacchi L.C., Contact Forces Between TiO2 Nanoparticles Governed by An Interplay of Adsorbed Water Layers and Roughness, Langmuir, 31(41): 11288-11295 (2015).
[21] Fabre A., Salameh S., Ciacchi L.C., Kreutzer M.T., van Ommen J.R., Contact Mechanics of Highly Porous Oxide Nanoparticle Agglomerates, Journal of Nanoparticle Research, 18: (2016).
[22] Tamadondar M.R., Zarghami R., Boutou K., Tahmasebpoor M., Mostoufi N., Size of Nanoparticle Agglomerates in Fluidization, Can. J. Chem. Eng., Wiley Online Library, 94(3): 476-484 (2016).
[23] Sokolov S. V., Kätelhön E., Compton R. G., A Thermodynamic View of Agglomeration, The Journal of Physical Chemistry C, 119(44): 25093-25099 (2015).
[24] Fabre A., “Fluidized Nanoparticle Agglomerates, Formation, Characterization, and Dynamics”,  Ph.D. Dissertation, Delft University of Technology, Delft, Netherlands, (2016).
[25] Kendall K., Alford N.M., Birchall J.D., Elasticity of Particle Assemblies as a Measure of the Surface Energy of Solids, Proceedings of the Royal Society of London A: Mathematical, Physical and Engineering Sciences, 412(1843): (1987).
[26] Kendall K., Weihs T.P., Adhesion of Nanoparticles within Spray Dried Agglomerates, Journal of Physics D: Applied Physics, 25(1A): (1992).
[27] Yoshimura H.N., Molisani A.L., Narita N.E., Cesar P.F., Goldenstein H., Porosity Dependence of Elastic Constants in Aluminum Nitride Ceramics, MaterialsResearch, 10(2): 127 (2007).
[28] Hasselman D.P.H., On the Porosity Dependence of the Elastic Moduli of Polycrystallinerefractory Materials, Journal of the American Ceramic Society banner, 45(9): 452-453 (1962).
[29] Wang J.C., Young’s Modulus of Porous Materials, Journal of Materials Science, 19(3): 801-808 (1984).
[30] Martin R.B., Haynes R.R., Confirmation of Theoretical Relation between Stiffness and Porosity in Ceramics, Journal of the American Ceramic Society, 54(8): 410-411 (1971).
[31] Phani K., Niyogi S., Elastic Modulus-Porosity Relationship for Si3N4, Journal of Materials Science Letters, 6(5): 511-515 (1987).
[32] Hertz H. Uber die Berührung fester elastischer Körper. (On the Contact of Elastic Solids). J. Reine und Angewandte Mathematik, 92(1): 156-171 (1882).
[33] Fabre A., Clemente A., BalasF., Lobera M.P., Santamaria J., Kreutzer M.T., van Ommen J.R., Modeling the Size Distribution in a Fluidized Bed of Nanopowder, J. Environ Sci: Nano., 4: 670-678 (2017).
[34] Butt H. J., Kappl M., "Surface and Interfacial Forces", John Wiley & Sons, Inc. (2010).
[35] Timoshenko S.P., Goodier J. N., "Theory of Elasticity", McGraw-Hill (1970).
[36] Tamadondar M.R., Zarghami R, Boutou K., Tahmasebpoor M., Mostoufi N., Size of Nanoparticle gglomerates in Fluidization, Can. J.Chem. Eng., 94(3): 476-484 (2016).
[37] Xi X., Kim S.H., Tittmann B., Atomic Force Microscopy based Nanoindentation Study of Onion Abaxial Epidermis Walls in Aqueous Environment, Journal of Applied Physics, 117: 024703 (2015).
[38] Bahramian A., Grace J.R., Fluidization of Titania Nanoparticle Agglomerates in a Bench Scale Conical Vessel, Powder Technology, 310: 46-59 (2017)

فایل ها

هم رسانی

ارجاع به این مقاله

آمار