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

در این پژوهش به بررسی رفتار هیدرودینامیکی بستر سیال مخروطی دارای نانوذره های تیتانیوم اکسید Aeroxide P۲۵ (TiO۲) آب­دوست موقع شناورسازی و مطالعه نظری مکانیک تماس نانوذره ها و چگونگی تشکیل کلوخه­ های متخلخل پرداخته شد. نانوذره های تیتانیوم اکسید با قطر اولیه nm ۲۱ 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 ۲۰۰-۴۰ تعیین شد. تصویرهای لیزر نشان داد میانگین قطر کلوخه­ های شناور شده با گاز نیتروژن و هوا به­ ترتیب برابر  ۱۱۲ و μm ۱۳۱ بود، در حالی که متوسط اندازه­ کلوخه­ های پیچیده در پایان شناوری بستر با گاز نیتروژن و هوا توسط SEM به ترتیب ۷۵ و mµ ۹۵ تعیین شد. آنالیز دیتامیکی بستر نشان داد اندازه کلوخه­ های پایانی به شدت تابع زمان شناورسازی آن ها است. به دلیل وجود نیروهای جاذبه قوی بین نانوذره ‎ها، اندازه کلوخه­ های اولیه تشکیل شده در بازه تقریبی μm ۲۲۰-۱۸۰ قرار گرفت که با ادامه روند سیالیت، ذره های شکسته شده و کلوخه ­هایی در بازه μm ۱۴۵-۱۰۰ تشکیل می ­شوند. همچنین تاثیر 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 ۱۴۴ محاسبه شد که نتیجه های به دست آمده با نتیجه مدل هرتز (kPa ۱۴۱) همخوانی داشت. نتیجه های آزمون تعیین کرویت ذره ها 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 (۸۶/۰-۸۲/۰). طبق آزمایش ها زمان شناوری­سازی تاثیر زیادی بر کاهش میزان کرویت ذره ‎ها داشت (۷۷/۰-۵۸/۰) که متاثر  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 %۸۰ هستند، در حالی که تخلخل کلوخه ­های پایانی کم­تر از %۵۰ بوده و بیش­تر دارای سطحی به­نسبت صاف هستند. این نتیجه ها با داده ­های به دست آمده از مرجع ها برای ذره های آب­ دوست تیتانیا همخوانی خوبی دارد.

کلیدواژه ها:

تیتانیوم اکسید ، چگونگی تشکیل کلوخه ، نانوذره های متخلخل ، نیروی کشسانی ، شناوری ، بستر سیال مخروطی