SUPERVISOR
غلامحسین عظیمی گندمانی (استاد مشاور) محسن نصراصفهانی (استاد راهنما) نسرین اعتصامی (استاد مشاور)
STUDENT
Seyedeh Saba Ashrafmansouri
سیده صبا اشرف منصوری
FACULTY - DEPARTMENT
دانشکده مهندسی شیمی
DEGREE
Doctor of Philosophy (PhD)
YEAR
1390
TITLE
Experimental Investigation of the Influence of Silica Nanoparticles on Mass Diffusion Coefficient and Liquid-Liquid Extraction Process
Colloids composed of ultrafine nanoparticles (~100 nm or smaller) are called nanofluids. Metals, semiconductors, carbon nanotubes and oxide ceramics are certain materials which are dispersed in a host liquid such as water and organic liquids to make the nanofluids. Recently, nanofluids have received growing attention because of their potential to enhance heat transfer. Since some researchers considered Brownian movement of nanoparticles as the responsible factor in the enhancement of heat transfer, investigation of mass transfer enhancement in nanofluids with similar mechanism has been initiated. Investigations on mass transfer in nanofluids can be divided into two main groups. The first group of studies deals with studying diffusion coefficients in nanofluids and the second group of studies focuses on convective mass transfer coefficients in nanofluids. In this thesis, water self-diffusion coefficient and tracer diffusion coefficient of tert-butanol in water-based silica nanofluids were measured by using pulsed field gradient nuclear magnetic resonance (PFG-NMR) method for silica nanoparticle volume fractions ranged from 0.005% to 1% at three different temperatures (15, 25 and 35 °C). Insignificant enhancement (mostly less than 10% increase) in both water self-diffusion coefficient and tracer diffusion coefficient of tert-butanol in nanofluids was observed. Also, the influence of silica nanoparticles on hydrodynamics and mass transfer of a counter-current spray liquid–liquid extraction column was studied experimentally. The chemical system of toluene-acetic acid–water was used, and the drops were toluene-based nanofluids containing 0.0005–0.01 vol% silica nanoparticles. In addition to nanoparticles fraction in nanofluids, the effects of dispersed phase drop sizes were evaluated making use of three different distributors with different hole diameters. The experiments were performed at fixed volumetric flow rates of dispersed and continuous phases and both mass transfer directions. The results showed that silica nanoparticles have no significant influence on the hydrodynamic parameters, while maximum enhancement of 47.4% and 107.5% in overall mass transfer coefficient respectively for mass transfer direction of dispersed to continuous phase and vice versa were achieved for drops generated by the distributor with the largest hole diameter and silica nanoparticle concentration of 0.001 vol%. Moreover, the influence of hydrophobic silica nanoparticles on mass transfer in a membrane-based micro-contactor was studied. The extraction system of toluene?acetone?water was used, and the organic phase was a toluene-based nanofluid containing 0.001 to 0.1 volume percent (vol%) hydrophobic silica nanoparticles. The experiments were performed at various volumetric flow rates of organic and aqueous phases and at mass transfer direction from the organic to the aqueous phase. The results showed that nanoparticles are more effective on mass transfer at low flow rates. Maximum enhancement of about 31% in overall mass transfer coefficient was observed using 0.001 vol% silica nanoparticles. In all experiements, silica nanoparticle concentration of 0.001 vol% was observed as the optimum concentration. At higher and lower nanoparticle concentrations, smaller mass transfer coefficients were observed. Brownian motion of nanoparticles and induced microconvection are dominant in low concentrations of nanoparticles resulting in enhanced mass transfer. Nanoparticle aggregation, reduction in free volume and increase in tortuosity of the diffusion path because of solid nanoparticles presence are responsible for deteriorated mass transfer in higher nanoparticle concentrations. Keywords: Nanofluid, Silica nanoparticles, Mass transfer, PFG-NMR, Spray extraction column, Microextraction
گروه خاصی از کلوئیدها، سوسپانسیون هایی با ذرات بسیار ریز (100 نانو متر و کمتر) هستند که نانو سیال نامیده می شوند. فلزات، نیمه هادی ها، اکسیدهای فلزی، نانو لوله های کربنی و اکسیدهای سرامیکی از جمله نانو ذراتی هستند که برای ساخت نانو سیال به یک سیال پایه چون آب و مایعات آلی اضافه می شوند. اخیراً نانو سیالات به خاطر قابلیتشان برای بهبود انتقال حرارت بسیار مورد توجه قرار گرفته اند. از زمانی که حرکت براونی نانو ذرات توسط تعدادی از پژوهشگران به عنوان عامل بهبود انتقال حرارت در نانو سیالات مطرح شد، بحث بررسی تأثیر نانو ذرات بر انتقال جرم نیز آغاز گردید. مطالعات بر روی انتقال جرم در نانو سیالات را می توان به دو گروه تقسیم کرد. گروه اول شامل مطالعاتی می شود که به بررسی ضریب نفوذ جرمی در نانو سیالات می پردازند و گروه دوم مطالعاتِ ضریب انتقال جرم را در بر می گیرد. در این پایان نامه، اثر نانو ذرات بر ضریب نفوذ جرمی و ضریب کلی انتقال جرم مورد بررسی قرار گرفت. نخست، ضریب نفوذ خودپخشی آب و ضریب نفوذ ناچیز ترت-بوتانول در نانو سیالات متشکل از نانو ذرات سیلیکا و سیال پایه آب در محدوده غلظتی 005/0 تا 1 درصد حجمی نانو ذرات و سه دمای مختلف 15، 25 و 35 درجه سانتی گراد، با استفاده از روش رزونانس مغناطیسی هسته (گرادیان میدان ضربانی) اندازه گیری شد. بهبود اندکی (کمتر از %10 افزایش) در ضریب نفوذ خود پخشی آب و ضریب نفوذ ناچیز ترت-بوتانول در نانو سیالات نسبت به سیال پایه مشاهده گردید همچنین، اثر نانو ذرات سیلیکا بر هیدرودینامیک و انتقال جرم در فرآیند استخراج مایع-مایع در یک برج پاششی پایای متقابل بصورت آزمایشگاهی مورد مطالعه قرار گرفت. سیستم شیمیاییِ تولوئن-اسید استیک-آب استفاده شد و فاز پراکنده نانو سیالاتی بر پایه تولوئن و 0005/0 تا 01/0 درصد حجمی نانو ذرات سیلیکا با اندازه 14 نانو متر بودند. علاوه بر غلظت نانو ذرات، با استفاده از سه توزیع کننده با قطر روزنه های مختلف، اثر اندازه قطره های فاز پراکنده نیز ارزیابی شد. آزمایش ها در نسبت ثابت دبی حجمی فاز پیوسته به فاز پراکنده و در دو جهت انتقال جرم ( پراکنده به پیوسته و بالعکس) انجام شدند. نتایج نشان دادند که نانو ذرات سیلیکا اثر ناچیزی بر پارامترهای هیدرودینامیکی دارند، در حالی که بیشینه افزایش %7/47 و %5/107 در ضریب کلی انتقال جرم به ترتیب در جهت انتقال جرم از فاز پراکنده به فاز پیوسته و بر عکس در غلظت 001/0 درصد حجمی از نانو ذرات و برای توزیع کننده با بزرگترین قطر روزنه مشاهده شد. علاوه بر این، اثر نانو ذرات آب گریز سیلیکا بر انتقال جرم در یک سیستم میکرو استخراج بر پایه غشا مورد مطالعه قرار گرفت. سیستم شیمیاییِ استخراج، تولوئن-استون-آب بود و فاز آلی نانو سیالات متشکل از 001/0 تا 1/0 درصد حجمی نانو ذرات سیلیکا در سیال پایه تولوئن بودند. آزمایش ها در دبی های مختلف فاز آلی و فاز آبی و در جهت انتقال جرم از فاز آلی به فاز آبی انجام گردیدند. نتایج نشان دادند که نانو ذرات در سرعت های کمترِ جریان، بر انتقال جرم مؤثرتر هستند. بیشینه افزایش %31 در ضریب کلی انتقال جرم در غلظت نانو ذرات 001/0 درصد حجمی مشاهده شد. در همه آزمایش های سیستم برج استخراج پاششی و سیستم میکرو استخراج، غلظت 001/0 درصد حجمی نانو ذرات به عنوان غلظت بهینه مشاهده گردید. حرکت براونی نانو ذرات و میکرو جریان های همرفتی ناشی از آن، در غلظت های پایین نانو ذرات غالب هستند و منجر به افزایش انتقال جرم می شوند و تجمع نانو ذرات، کاهش در حجم آزاد و افزایش پیچ و خم مسیر نفوذ مولکول ها به دلیل حضور نانو ذرات جامد سبب کاهش انتقال جرم در غلظت های بالاترِ نانو ذرات می شود. کلمات کلیدی: نانو سیال، نانو ذرات سیلیکا، انتقال جرم، PFG-NMR، برج استخراج پاششی، میکرو استخراج