بخشی از مقاله
چکیده
در این تحقیق سعی شده است اثر نانو ذرات مغناطیسی - فروسیال - بر روی هیدرودینامیک یک تک قطره در سیستمهای استاندارد مایع -مایع - آب-تولوئن، آب-بوتیل استات و آب-بوتانول - مورد بررسی قرار گیرد. نانو ذرات مغناطیسی Fe3O4 با پوشش آبگریز سیلانی در تحقیق حاضر استفاده شده است. خواص فیزیکی از قبیل دانسیته، ویسکوزیته و کشش بین فازی برای غلظتهای مختلف نانو ذره بدست آمده است و معادلات هیدرودینامیک حاکم یک تک قطره مایع-مایع در حضور نانو ذرات مغناطیسی استخراج و شبیه سازی شده است. نتایج بدست آمده از محاسبات عددی با نتایج آزمایشگاهی بدون حضور نانو ذره برای این سه سیستم مایع-مایع مقایسه شده است که نتیجه این مقایسه قابل قبول و دارای خطای بسیار کم میباشد.
شبیه سازی تک قطره مایع -مایع برای غلظتهای نانو ذره از صفر تا 20 درصد وزنی انجام شد و نتایج بیانگر این مطلب هستند که اثر نانو ذرات بر روی هیدرودینامیک قطرات کوچک ناچیز است در حالیکه برای قطرات بزرگ، سرعت حد نرمال شده قطرات با افزایش غلظت نانو ذرات ابتدا افزایشی و سپس کاهشی مییابد. همچنین تغییر شکل قطرات کوچکتر در حضور نانو ذرات مغناطیسی ناچیز است در حالی که برای قطرات بزرگتر بسته به اندازه قطره شدت تغییر شکل نرمال شده میتواند افزایشی یا کاهشی باشد.
.1 مقدمه
نانو سیالات، سیالاتی شامل ذرات جامد در مقیاس نانو هستند که امروزه کاربردهای وسیعی در زمینههای مختلف علمی پیدا کردهاند. بیشترین کاربردهای نانو ذرات در زمینه انتقال حرارت جابجایی و هدایتی بوده است. بسیاری از محققین دلیل افزایش بازدهی نانوسیالات در مقایسه با سیال پایهشان را در حرکت براونی نانو ذرات جامد در سیال می-دانند. حرکت براونی نانو ذرات جامد باعث افزایش ضرایب نفوذ انتقال حرارت خواهد شد.
در سالهای اخیر نیز به دلیل وجود تشابه مکانیسمهای انتقال حرارت و جرم، علاقه برای افزایش میزان انتقال جرم به کمک نانو سیالات در بسیاری از فرآیندهای مهندسی شیمی بخصوص استخراج مایع-مایع افزایش یافته است. استخراج مایع-مایع بعنوان یکی از اصلیترین فرآیندهای مهندسی شیمی در بسیاری از صنایع همچون صنایع دارویی، پلیمر، متالوژی، صنایع اتمی و غیره کاربرد دارد.
اثر پارامترهای زیادی بر روی میزان انتقال جرم در سیستمهای مایع-مایع مورد بررسی قرار گرفته شده است که از این جمله میتوان به پارامترهای دما، سورفکتانت1، PH فاز آبی، حضور نمکهای مختلف و نانو ذرات اشاره کرد. در زیر به تاریخچه استفاده از نانوذرات در سیستمهای مایع-مایع اشاره شده است. در سال 2011، بهمنیار و همکاران[1] تحقیقات خود را بر روی مشخصات هیدوردینامیکی و انتقال جرم سیستم مایع-مایع، آب-اسید استیک-کروزن، در حضور نانو ذارت انجام دادند. در این تحقیق ضریب انتقال جرم از 4 الی 60 درصد، تجمع مایع1 استاتیک 2 از 23 الی 398 درصد و تجمع مایع دینامیک3 از 23 الی 257 درصد در حضور نانو ذرات افزایش داشته است.
در سال 2012، ساین و بامدادی[2] تک قطره تولوئن در سیستم مایع-مایع، آب-اسید استیک-تولوئن، را با حضور نانوذرات Fe3O4 و Al2O3 مورد مطالعه قرار دادند. هدف این تحقیق بررسی اثر سایز قطره 2/9 - الی 4/3 میلیمتر - و غلظت نانوذرات مختلف - از 0/0005 الی 0/05 درصد جرمی - بر روی میزان انتقال جرم اسید استیک بوده است. نتایج تحقیق نشان داد که افزایش انتقال جرم در حضور نانو ذرات ناشی از حرکت برانوی و کاهش آن ناشی از چسبیده شدن نانو ذرات به یکدیگر است. در سال 2013، خوبی و همکاران[3] اثر نانو ذرات بر روی شکل و هندسه قطره در حال صعود در ستون مایع -مایع را مورد بررسی قرار دادند.
آنها پی بردن که در غلظتهای کم نانوذرات در قطرات، قطرات بدلیل حرکت برانوی نانو ذرات تمایل به شکسته شدن دارند در حالی که در غلظتهای بالای نانو ذرات، قطرات تمایل به چسبیدن به یکدیگر و بزرگ شدن دارند. در سال 2014، بهمنیار و همکارانش[4] مدلی برای تعیین ضریب نفوذ موثر و ضریب انتقال جرم بر اساس کارهای آزمایشگاهی قبلیشان[1] ارائه دادند. مدل ارائه شده از تشابه مکانیسم انتقال حرارت و جرم الهام گرفته شده است و تابعی از رینولدز، اشمیت و کسر حجمی نانو ذرات میباشد. در این مطالعه خطای مدل ارائه شده برای ضرایب انتقال جرم که از دادههای آزمایشگاهی استخراج شدهاند قابل قبول بوده است.
در سال 2015، غفوری روزبهانی و همکارانشان[5] به بررسی تجمع مایع استاتیکی و دینامیکی در حالی که اسید استیک از فاز پیوسته به گسسته در حضور نانو ذرات SiO2 انتقال پیدا میکند پرداختند. نتایج آزمایشگاهی آنها نشان میدهد که حضور نانو ذرات در فاز پیوسته منجر به افزایش تجمع مایع دینامیکی و کاهش تجمع مایع استاتیکی در دبی و جریانهای بالای پالسی ورودی به ستون مایع-مایع میشود.
در سال 2015، میرزازاده قنادی و همکارانشان[6] اثر غلظتهای مختلف از نانو ذرات کربن تیوب، ZnO و TiO2 در فاز پیوسته - آب - را بر روی انتقال جرم سوسینیک اسید4 از فاز گسسته - بوتانول - به فاز پیوسته در دو رژیم جتی و قطرهای بررسی کردند. نتایج آزمایشگاهی آنها نشان داد که غلظت و جنس نانوذره در میزان انتقال جرم اهمیت دارد و زمانی که جریان آرام باشد این اثر بیشتر نسبت به حالت متلاطم میباشد.
در سال 2015، نعمتبخش و رهبارکلیشامی[7] میزان انتقال جرم اسید استیک در سیستم آب-اسید استیک-تولوئن در یک ستون مایع-مایع پر شده توسط آکنه5 و در حضور نانو ذرات SiO2 را مورد تحقیق قرار دادند. آنها اثر اندازه و غلظت نانو ذره را بر روی انتقال جرم بررسی کرده و مدل جدیدی برای ضریب نفوذ موثر ارائه نمودند. نتایج آنها نشان دادند که نانوذرات با سایز کوچکتر نسبت به نانوذرات با سایز بزرگتر موثر هستند.
ساین و همکاران[8] در سال 2015 و واحدی و همکاران[9] در سال 2017، اثر میدان مغناطیسی در حضور نانوذرات مغناطیسی Fe3O4 را بر روی میزان انتقال جرم سیستمهای مایع-مایع بررسی نمودند. در هر دو این آزمایشات نشان داده شد که میدان مغناطیسی میتواند میزان انتقال جرم اسید استیک از فاز گسسته - تولوئن - به پیوسته - آب - را تا 65 درصد بهبود بخشد. علت این افزایش در میزان انتقال جرم، حرکت جابجایی اجباری میکرو6 نانوذرات مغناطیسی بیان شده است.
مطابق تاریخچه ارائه شده در بالا، عمده مطالعات انجام شده بر روی سیستمهای مایع-مایع در زمینه بهبود انتقال جرم بوده است و تحقیق اندکی که بطور جامع و خاص به هیدرودینامیک یک تک قطره در حضور نانوذرات در سیستمهای مایع-مایع بپردازد موجود است. با توجه به اهمیت دانستن هیدرودینامیک - پروفایل سرعت، فشار، رژیم جریان و هندسه - در مطالعه انتقال جرم و حرارت هر پدیدهای، هدف از این تحقیق مطالعه دقیق هیدرودینامیک یک تک قطره در حضور نانوذرات مغناطیسی میباشد.
نانو ذرات استفاده شده در این تحقیق نانو ذرات مغناطیسی Fe3O4 بوده که امروزه کاربردهای بسیاری در زمینههای مختلف علمی پیدا کرده است. در این تحقیق سعی شده است اثر نانو ذرات مغناطیسی - فروسیال - بر روی یک تک قطره در سیستمهای مایع-مایع استاندارد - آب-تولوئن، آب-بوتانول و آب-بوتیل استات - 1 مورد بررسی قرار گیرد. در تحقیق حاضر، نانوذرات مغناطیسی Fe3O4 با پوشش آبگریز سیلانی استفاده شده است.
خواص فیزیکی از قبیل دانسیته، ویسکوزیته و کشش بین فازی برای غلظتهای مختلف نانوذره آزمایش شده است و معادلات حاکم بر پدیدههای انتقال ممنتوم یک تک قطره مایع-مایع در حضور نانو ذرات مغناطیسی استخراج و شبیه سازی شده است. نتایج بدست آمده از محاسبات عددی با نتایج آزمایشگاهی بدون حضور نانو ذره که در مراجع بیان شده[10] برای این سیستمهای مایع-مایع مقایسه شده است و در نهایت اثر نانو ذرات مغناطیسی و تغییر خواص سیالات بدلیل حضور آنها بصورت عددی مورد بررسی قرار گرفته شده است.
.2 خواص فیزیکی سیال در حضور نانو ذرات مغناطیسی
دانسیته - - ، ویسکوزیته - - و کشش بین فازی - - سیستمهای مایع- مایع استاندارد معرفی شده توسط اتحادیه اروپا - آب-تولوئن، آب -بوتانول و آب - بوتیلاستات - در این بخش برای غلظتهای مختلف نانو ذره در دمای 298/15 کلوین آزمایش شده و ارائه گردیده است. دانسیته، ویسکوزیته و کشش بین فازی برای سیستمهای مایع-مایع استاندارد توسط میسک و همکاران[11] در جدول - 1 - ارائه شده است.
جدول - 2 - ویسکوزیته و کشش بین فازی اندازهگیری شده در غلظتهای مختلف نانو ذره مغناطیسی در فاز آلی را ارائه میدهد. کشش فازی توسط روش تنسومتری آنالیز شکل قطره[12]2 با دقت 0/02 mN.m-1 و ویسکوزیته توسط ویسکومتر کنون-فنسک با سایز 100 با دقت 15 mm2.s-1 اندازه-گیری شده است. دانسیته توسط معادله - 1 - قابل محاسبه بوده و همچنین مقادیر ارائه شده در جدول - 2 - به ترتیب برای ویسکوزیته و کشش بین فازی توسط معادلات - 2 - و - 3 - فرموله شده است.
