بخشی از مقاله
خلاصه
سادهترین حالت تجمعذرّات جامد یا ذرات مایع معلق در فاز گاز، بهنام آئروسل شناخته میشوند. هدف مورد نظر در این گزارش، طراحی و ساخت دستگاهی است، تحت عنوان منبع یونیزاسیون الکترواسپری - ESI - که قادر به تولید ذرّات آئروسل، باردار کردن، تبدیل آنها به یون و انتقال آنها از فاز مایع به فاز گاز، میباشد.در این تحقیق، با بهرهگیری از امکانات دستگاهی موجود، عملکرد دستگاه الکترواسپریدر تولید ذرّات آئروسل، مورد بررسی قرار گرفته است. اندازهیذرّات خروجی از دستگاه، در شرایط استفاده از محلول کلرید سدیم با سه غلظت مختلف، توسط روش دستگاهی پویش تحرک تفاضلی، مورد مطالعه قرار گرفته است. بر اساس نتایج حاصل از آزمایشات، اندازهی نانومتری ذرّات تولید شده توسط منبع یونیزاسیون از محلول کلرید سدیم ، مورد تائید قرار گرفت. همچنین ارتباط میان اندازهی نانومتریذرّات تولید شده و غلظت محلول استفاده شده، مورد مطالعه قرار گرفته است. بر اساس نتایج حاصل؛ استفاده از محلولهای سدیمکلرید با غلظت کمتر موجب استحصال ذرات با اندازهی نانومتری کوچکتر، توزیع اندازهی ذرات، با دامنهی کمتر و تعداد ذره کمتر، در واحد حجم سیالی شده است.
کلمات کلیدی: الکترواسپری،پاشش الکترواستاتیکی مایعات، آئروسل، یونیزاسیون نرم، یونیزاسیون غیرتخریبی
.1 مقدمه
موضوع تحقیق حاضر، طراحی و ساخت دستگاه الکترواسپری میباشد. وظیفهی دستگاه الکترواسپری، "یونیزاسیون ذرّات محلول و انتقال ذرّات از فاز محلول به فاز گاز" است.در سالهایاخیر، جهت یونیزاسیون ذرّات محلول، انواعی از روشها و تجهیزات، توسعه یافتهاند، این در حالی است که برای روش الکترواسپری،مزیّتهای متعددی را میتوان برشمرد.یکی از مزیّتهای مهم روش الکترواسپری ، در مقایسه با سایر روشهای یونیزاسیون، عملکرد غیرتخریبی این روش است؛ به این معنی که در روش الکترواسپری، فرآیند یونش بدون کمترین تغییر ماهیتی در مولکول مورد مطالعه، انجام میگیرد.
نای مزیّت مهم، در مطالعهی کمّی و کیفی انواعی از مولکولها با ماهیت آلی؛ از جمله مولکولهای زیستشیمی1؛ شامل انواعی از لیپیدها، پروتئینها، ساکاریدها، انواعی از میکروارگانیسمها؛ شامل باکتری، قارچ و یا ویروسها و نیز مطالعات موبوط به مواد مصنوعی با اساس آلی؛ مانند سوختهای فسیلی و زیستی، روانکننده و نیز مطالعات معطوف به عوامل جنگ نوین و سایر موارد مشابه، اهمیت دارد.براساس یافتههای حاصل از بررسی گزارشهای علمی و استنادی، سالانه حجم قابل توجهی از فعالیّتهای علمی و تحقیقاتی در سراسر جهان استفاده از الکترواسپری را بهعنوان روش اتمسازی، در روشهای مختلف تجزیهی دستگاهی؛ از جمله روشهای طیفسنجی جرمی2، روشهای طیفسنجی تحرّک یونی3، روشهای کروماتوگرافی و نیز موارد استفاده بهعنوان اتمساز روش پویشگر تحرّک تفاضلی4، گزارش میکنند.
روش یونش الکترواسپری، روشی است که در فشار اتمسفری و نیز در شرایط دمای اتاق قابل انجام است. همچنین بهکارگیری این روش در مقایسه با سایر روشهای یونش، بهنسبت، با امکانات مختصرتری قابل انجام است. موارد مذکور روش الکترواسپری را در ردیف روشهای مقرون به صرفهی اقتصادی، جهت یونش و انتقال انواعی از گونههای آلی و معدنی از فاز مایع به فاز گاز، قرار میدهد.در این تحقیق، ارزیابی عملکرد دستگاه در محقق نمودن اهداف تعریف شده، در تولید آئروسل از محلولها و کلوئیدها در مقیاس نانومتری، مورد توجه قرار گرفته است. در این راستا، با بهرهگیری از امکانات دستگاهی طراحی و ساخته شده در دانشگاه صنعتی مالک اشتر، و نیز با بهرهگیری از امکانات نرمافزاری، عملکرد دستگاه، در تولیدذرّات آئروسل با قطر نانومتری، مورد مطالعه و ارزیابی قرار گرفته است.
.2 معرفی روش الکترواسپری
روش الکترواسپری، که بهنام روش پاشش الکتروهیدرودینامیکی نیز شناخته میشود، شامل تولید و باردار کردن ذرّات، با استفاده از میدان الکتریکی، میباشد . در این فرآیند، نازل مویینه، تحت اعمال پتانسیل الکتریکی قوی قرار داشته و در سمت دیگر، صفحهای بهعنوان "الکترود مقابل" قرار دارد و تحت اعمال پتانسیل زمین قرار داده شده است. مایع، با سرعت کنترل شده، از نازل مویینهای که تحت اعمال پتانسیل قوی الکتریکی، حاصل از میدان قوی الکتریکی قرار دارد، خارج میشود. شرایط مذکور، باعث ایجاد کشیدگی5 مایع، بهصورت جریان مخروطی فورانی6، و یا بهصورت جریانی باریک خواهد شد.
با افزایش اختلاف پتانسیل، جریان فورانی تغیر شکل داده و تحت تاثیر نیروی الکتریکی، بهصورت قطرات با اندازهیکم، تغییر ماهیّت خواهد داد و در نهایت پس از حلّالزدایی، گونهی مورد نظر در ابعاد نانومتری و در فاز گازی تشکیل و توسط گاز حامل به بیرون از دستگاه انتقال خواهد یافت .[1] شکل1، فرآیند روش یونش الکترواسپری را نشانمیدهد.روش الکترواسپری، باعث ایجاد قطرات یکدست، با مقدار بارالکتریکی، معادل نیمی از مقدار بار مقیاس رایلی1، میشود. مقیاس رایلی معادل مقدار بار الکتریکی بر روی قطره است که میتواند بر نیروی کشش سطحی غلبه کند و منجر به واپاشی قطره شود .[2]
نکتهی مهم در استفاده از روش الکترواسپری این است که مقدار بار و اندازهی ذرّات، میتواند بهسهولت، بهوسیله تنظیم اختلاف پتانسیل الکتریکی اعمال شده به مایع و صفحهی مقابل و نیز کنترل مقدار جریان مایع، تنظیم گردد .[3]در طول فرآیند تبخیر قطرات بهشدت باردار شده، که به نام فرآیند الکترواسپری شناخته میشود، دو پدیدهی اساسی نقش دارند . در پدیدهی نخست، بیشترین تعداد بار بنیادین رویذرّات، با مقیاس محدودهی رایلی - ƞR - تعیین میشود - معادلهی شمارهی . - 1 مقادیر فراتر از این محدوده، منجر به غلبهی دافعهی الکترواستاتیک، بر کشش سطحی قطره شده و در نتیجه، باعث شکست قطره و تبدیل آن به قطرات با اندازهی کوچکتر خواهد شد.
معادلهی 1 در معادلهی شمارهی 1-1، ε0 ضریب گذردهی الکتریکی، Dpقطر ذرّات، γ کشش سطحی و e معادل عدد فارادی میباشد.در پدیدهی دیگر، "محدودهی دافعهی الکترونی" نقش دارد. مقیاس "محدودهی دافعهی الکترونی"، تعداد باری است که مقادیر فراتر از این محدوده منجر به نقشآفرینی دافعهی الکترونی و در نتیجه شکست قطره خواهد شد2 ] و .[4معادلهی 2 در معادلهی شمارهی 2، ESقدرت میدان الکتریکی روی سطح ذرّه است. مزایای متعددی متوجه سیستم الکترواسپری، نسبت به سایر سیستمهای مکانیکی متداول اتمسازی پاششی میباشد که تعدادی از آنها عبارت است از:-1 اندازهی قطرات ایجاد شده در روش پاشش الکتریکی، در مقایسه با سایر روشهای اتمسازی مکانیکی رایج، کمتر است و میتواند تا میزان کمتر از 1ʽm کاهش یابد.
