Skip to main content
SUPERVISOR
Dariush Semnani,Parham Soltanimohammadi
داریوش سمنانی (استاد راهنما) پرهام سلطانی (استاد راهنما)
 
STUDENT
Fatemeh Bahrami
فاطمه بهرامی ریزی

FACULTY - DEPARTMENT

دانشکده مهندسی نساجی
DEGREE
Master of Science (MSc)
YEAR
1394

TITLE

3-D Modeling the pores and porosity of nano fibrous filter from surface structure and evaluating its performance in filtration by nanofibers
In order to investigate the effect of processing parameters on permeability of structure, electrospun nanofibrous webs were produced based on Taguchi method. Afterwards, the SEM images of webs were obtained. Fiber diameter distribution and orientation in webs were obtained using image analysis technique. Moreover, porosity and thickness of webs were measured using experimental techniques. The effect of processing parameters on fiber diameter and orientation, porosity and air permeability of structures was investigated. A Matlab-based program capable of producing ?brous structures with various ?ber diameters, porosities, thicknesses and 3D fiber orientations was developed. The obtained parameters from SEM images were then implemented into the simulation code to generate 3D virtual nanofibrous structures. Fluid flow was simulated by numerically solving incompressible creeping Newtonian flow through the 3D pore space of virtual structures and air permeability was calculated. The results were compared with experimental data as well as some of well-known analytical and empirical models. The results indicated that applied voltage, feed rate, collector speed and solution concentration affect fiber diameter and air permeability of nanofibrous webs. It was found that increasing solution concentration from 12% to 15% increases air permeability, beyond which it reduces. Increase in applied voltage from 10 to 14 decreases air permeability; afterward further increase in applied voltage increases air permeability. It was established that increase in feed rate from 0.2 to 0.3 results in increasing air permeability, beyond which it reduces. The lowest air permeability was observed when the collector speed was set to 800 rpm. The results indicated that permeability of web is strongly dependent on porosity of structure. It was found that at low fiber diameters, the fluid flow is in slip flow regime. The greater the slip velocity, the closer the streamlines to the ?ber surface. This means that the greater the slip velocity, the lesser the in?uence of the ?bers on the ?ow ?eld. Therefore, permeability of a nanofibrous webs is greater than that of fibrous webs with micron fiber diameters. The results indicated that permeability of nanofibrous webs containing fibers of 100 and 1000 can respectively be modeled using analytical models of Ogorodnikov and Tomadakis and Robertson.
در سال‌های اخیر آلودگی هوا و منابع آب به یک خطر جدی برای سلامت انسان مبدل شده است. این امر منجر به افزایش آگاهی عمومی و وضع قوانین سخت‌گیرانه برای کنترل این آلاینده ها شده است. حذف یا کاهش این آلاینده ها مستلزم استفاده از محیط های فیلتری است. سازه های نانو لیفی به دلیل ساختار داخلی بی قاعده، منافذ به‌هم‌پیوسته، تخلخل بالا و سطح مخصوص بالای الیاف به عنوان یکی از مؤثرترین ساختارها برای کاهش آلاینده ها شناخته می‌شوند. سطح مخصوص بالای نانو الیاف باعث مقاومت بالای ساختار در برابر عبور جریان و بنابراین افزایش افت فشار فیلتر می گردد که می تواند در بسیاری از موارد فرایند فیلتراسیون را با مشکل مواجه سازد. میزان نفوذپذیری هوا از میان وب نانو لیفی تأثیر مهمی در افت فشار فیلتراسیون دارد. قطر نانو الیاف، آرایش یافتگی الیاف، ضخامت وب نانو لیفی و تخلخل آن بر روی نفوذپذیری هوا تأثیرگذار است. ساختار وب های نانو لیفی تابعی از تنظیمات متعدد تولید مانند ولتاژ اعمالی، نرخ تغذیه، سرعت جمع کننده و غلظت محلول است. در این تحقیق به‌منظور بررسی اثر متغیرهای تولید بر نفوذپذیری سازه نانو لیفی ابتدا وب‌های نانو لیفی مطابق جدول آزمایش‌های تاگوچی و به روش الکتروریسی تولید شدند. سپس تصاویر SEM نمونه ها تهیه شد. توزیع قطر و آرایش یافتگی الیاف با تحلیل تصاویر SEM به دست آمد. تخلخل وب های تولیدشده و ضخامت آنها نیز با استفاده از روش های آزمایشگاهی اندازه گیری شد. تأثیر عوامل تولید بر قطر نانو الیاف و تخلخل سازه مورد بررسی قرار گرفت. همچنین تأثیر عوامل تولید بر نفوذپذیری وب های نانو لیفی مورد بررسی قرار گرفت و سعی شد تغییرات نفوذپذیری با توجه به تغییرات ساختاری وب های نانو لیفی مورد بررسی قرار گیرد. در ادامه با استفاده از اطلاعات به‌دست‌آمده، تصاویر سه‌بعدی وب های نانو لیفی در محیط نرم‌افزار متلب شبیه‌سازی شد. سپس با شبیه‌سازی عبور جریان هوا معادلات جریان درون ساختار وب نانو لیفی حل شد و نفوذپذیری هوا محاسبه شد. نتایج به‌دست‌آمده با نتایج آزمایشگاهی و برخی از شناخته شده ترین مدل های تجربی و تحلیلی مورد مقایسه قرار گرفتند. نتایج نشان دادند که هر چهار عامل غلظت محلول، ولتاژ، نرخ تغذیه و سرعت جمع کننده بر قطر نانو الیاف و نفوذپذیری وب های نانو لیفی تأثیرگذار هستند. با افزایش غلظت محلول از 12% به 15% میزان نفوذپذیری هوا ابتدا افزایش‌ یافته و با افزایش غلظت از 15% به 18% میزان نفوذپذیری کاهش پیدا می کند. با افزایش ولتاژ از 10 کیلوولت به 14 کیلوولت نفوذپذیری هوا کاهش یافته و با افزایش ولتاژ از 14 کیلوولت به 18 کیلوولت نفوذپذیری هوا افزایش می‌یابد. افزایش نرخ تغذیه از 2/0 به 3/0 میلی لیتر بر ساعت افزایش نفوذپذیری هوا را به همراه داشته و با افزایش بیشتر نرخ تغذیه نفوذپذیری هوا کاهش می یابد. با افزایش سرعت جمع کننده از 300 به 800 دور بر دقیقه نفوذپذیری هوا کاهش ‌یافته و سپس با افزایش سرعت جمع کننده از 800 به 1100 دور بر دقیقه نفوذپذیری هوا افزایش می‌یابد. نتایج نشان دادند که تخلخل سازه تأثیر بسیار زیادی بر نفوذپذیری آن دارد. در قطرهای کم، جریان سیال در وب نانو لیفی در رژیم جریان لغزش است. هرچه سرعت لغزش بالاتر باشد، خطوط جریان به سطح الیاف نزدیک‌تر می شود. به‌عبارت‌دیگر هرچه سرعت لغزش بالاتر باشد، الیاف تأثیر کمتری بر جریان سیال در سازه الیافی دارند و بنابراین نفوذپذیری وب نانو لیفی بیشتر از سازه‌های الیافی مشابه که در آنها قطر الیاف در محدوده میکرون است، می باشد. نتایج نشان دادند که برای وب های نانو لیفی با قطر الیاف 100 و 1000 نانومتر به ترتیب مدل های اگارادینکف و توماداکیس و روبرتسون قادر به پیش بینی رفتار سیال در وب نانو لیفی هستند.

ارتقاء امنیت وب با وف بومی