Διερεύνηση ηλεκτροστατικών και διεπιφανειακών φαινομένων σε
πλακίδια SiO2 με τη τεχνική του δυναμικού ροής

Στεργιάννης, Γεώργιος Φοίβος; Stergiannis, Georgios Foivos

dc.contributor.author	Στεργιάννης, Γεώργιος Φοίβος	el
dc.contributor.author	Stergiannis, Georgios Foivos	en
dc.date.accessioned	2016-01-08T12:03:56Z
dc.date.available	2016-01-08T12:03:56Z
dc.date.issued	2016-01-08
dc.identifier.uri	https://dspace.lib.ntua.gr/xmlui/handle/123456789/41813
dc.identifier.uri	http://dx.doi.org/10.26240/heal.ntua.10089
dc.rights	Default License
dc.subject	ζ-δυναμικό	el
dc.subject	Διπλοστιβάδα	el
dc.subject	Πυρίτιο	el
dc.subject	z-potential	en
dc.subject	Double layer	en
dc.subject	Silica	en
dc.subject	Streaming potential	en
dc.title	Διερεύνηση ηλεκτροστατικών και διεπιφανειακών φαινομένων σε πλακίδια SiO2 με τη τεχνική του δυναμικού ροής	el
heal.type	bachelorThesis
heal.classification	Μηχανική	el
heal.language	en
heal.access	free
heal.recordProvider	ntua	el
heal.publicationDate	2015-07-04
heal.abstract	Σε αυτή τη διπλωματική εργασία γίνεται διερεύνηση του υπολογισμού του ζ- δυναμικού (z-potential) πλακιδίων SiO2 με σκοπό να κατανοηθεί καλύτερα η χρησιμότητα της τιμής αυτής αλλά και να διερευνηθούν οι πληροφορίες που μπορεί να δώσει για τις επιφάνειες των υλικών. Η αρχική μελέτη του ζ-δυναμικού έγινε στο πλαίσιο του ερευνητικού προγράμματος του εργαστηρίου CIRIMAT (Centre interuniversitaire de Recher et d’Ingenierie des Materieux) στο Πανεπιστήμιο της Τουλούζης (INP-Toulouse/CIRIMAT) με τελικό στόχο την διευκρίνηση των αλλαγών στην επιφάνεια πιεζοηλεκτρικών υλικών (PZT) ύστερα από ατμοσφαιρική εκκένωση πλάσματος. Στην αρχή παρουσιάζεται μια θεωρητική ανασκόπηση των φαινομένων και της σχετικής θεωρίας. Το ζ-δυναμικό αναδεικνύεται ως ένα σημαντικό εργαλείο για την κατανόηση και τη μέτρηση της ενέργειας και της συμπεριφοράς των διεπιφανειακών συστημάτων υγρών-στερεών. Η «καρδιά» των φαινομένων είναι η διεπιφάνεια των δύο φάσεων, όπου οι φάσεις διασπείρονται η μια στην άλλη. Το πρώτο βήμα για την κατανόηση της έννοιας του ζ-δυναμικού είναι η ερμηνεία του φαινομένου της διπλής στιβάδας που δημιουργείται στις επιφάνειες των στερεών όταν έρχονται σε επαφή με ένα υγρό. Είναι σημαντικό να εξηγηθεί και να κατανοηθούν οι μηχανισμοί γύρω από αυτή τη στιβάδα η οποία καθορίζε σε σημαντικό βαθμό τη συμπεριφορά των στερεών μέσα σε υγρά περιβάλλοντα. Η διερεύνηση των φαινομένων στη συγκεκριμένη περιοχή, η οποία δεν υπερβαίνει μερικά nn σε διαστάσεις, είναι στο επίκεντρο θεωρητικής ανάλυσης. Οι δύο κύριες παράμετροι που επηρεάζουν και ελέγχουν τη συμπεριφορά του όλου συστήματος είναι η διεπιφανειακή χημεία και το ίδιο το περιβάλλον. Για το ζ-δυναμικό αναφέρονται οι θεωρίες σχηματισμού και διάρθρωσης της διπλής στιβάδας. Αρχικά η θεωρία του Helmholtz, η οποία αποτελεί την πιο βασική προσέγγιση, υποθέτει 2 παράλληλες στιβάδες ιόντων. Στη συνέχεια αναφέρονται πιο σύνθετες θεωρίες οι οποίες λαμβάνουν υπόψη και επιμέρους φαινόμενα όπως τη χημική ρόφηση κτλ. Γίνεται σύγκριση των θεωριών και έπειτα διατυπώνονται βασικές εξισώσεις που συμπεριλαμβάνουν και οδηγούν στον υπολογισμό του ζ- δυναμικού. 5 Οι εξισώσεις αυτές βασίζονται στην θεώρηση ότι υπάρχει ένα ηλεκτρικό φορτίο στην επιφάνεια του στερεού και όταν αυτό βρίσκεται σε υγρό περιβάλλον με άλλα ιόντα τότε προκαλείται η ανάπτυξη μιας στιβάδας ιόντων η οποία στη συνέχεια αποκτά ένα επαγόμενο ηλεκτρικό φορτίο. Αυτά τα ηλεκτρικά φορτία δίνουν με τη σειρά τους ένα δυναμικό σε κάθε στιβάδα, το οποίο εξαρτάται από την πυκνότητα του ηλεκτρικού φορτίου. Η συγκέντρωση τόσο των ιόντων όσο και το ηλεκτρικο φορτίο μεταβάλλονται ενώ προσεγγίζεται το υγρό περιβάλλον, δημιουργώντας βαθμίδα δυναμικού. Το ερώτημα που προκύπτει είναι σε ποιά θέση το δυναμικό έχει φυσική σημασία και χαρακτηρίζει την επιφάνεια και ουσιαστικά μπορεί να αποδοθεί στο υλικό. Η τιμή του δυναμικού στη θέση στην οποία μπορεί να μετρηθεί και ουσιαστικά να αποδοθεί στο υλικό ονομάζεται ζ-δυναμικό. Στις διάφορες θεωρίες υπάρχει τμηματοποίηση των στιβάδων με διάφορα ονόματα και με διαφορετικά χαρακτηριστικά. Στην πραγματικότητα, αυτές οι στιβάδες δεν αποτελούν οριοθετημένες κανονικές στιβάδες αλλά είναι αποτέλεσμα μιας προσπάθειας κατηγοριοποίησης της συμπεριφοράς της διεπιφάνειας και διευκόλυνσης της μαθηματικής τους μοντελοποίησης. Με αφετηρία αυτές τις διαπιστώσεις αναπτύχθηκαν οι εξισώσεις που περιγράφουν την διπλοστιβάδα προκειμένου να καταστεί δυνατή η μέτρηση του ζ- δυναμικού αλλά και να προσδιοριστούν τα μεγέθη από τα οποία εξαρτάται. Στα πειράματα μελετήθηκαν πλακίδια SiO2 με τη βοήθεια του μηχανήματος Ζeta-Cad παίρνοντας μετρήσεις σε περιβάλλοντα με διαφορετικά pH. Η μέτρηση του ζ- δυναμικού στα πειράματα στηρίχθηκε στη μέθοδο της δημιουργίας δυναμικού μέσω ροής (streaming potential). Το ρεύμα μέσω ροής (streaming current) και το δυναμικό μέσω ροής εμφανίζονται γενικά λόγω της μετατόπισης φορτίου στην ηλεκτρική διπλή στιβάδα που προκαλείται από μια εξωτερική δύναμη μετατόπισης της υγρής φάσης εφαπτομενικά προς το στερεό. Η μεταφορά των υδροδυναμικά κινητικών ιόντων στην διεύθυνση της ροής του υγρού μπορεί να ανιχνευθεί άμεσα. Αυτό γίνεται είτε με τη μέτρηση του ηλεκτρικού ρεύματος μεταξύ δύο θέσεων ανάντη και κατάντη της ροής, μέσω μη πολωμένων ηλεκτροδίων τα οποία έχουν επαρκώς χαμηλή εσωτερική αντίσταση ώστε να αγνοηθεί η ύπαρξη του αντίθετου ρεύματος (back current) μέσα σε κανάλι ροής. Εναλλακτικά, το ηλεκτρικό δυναμικό μπορεί να μετρηθεί μεταξύ των δύο ηλεκτροδίων ανάντη και κατάντη της ροής, εάν η εσωτερική αντίσταση του χρησιμοποιούμενου ηλεκτρόμετρου είναι αρκετά υψηλή (μέτρηση δυναμικού λόγω ροής). Για τον προσδιορισμό του δυναμικού στην περιοχή της διπλοστιβάδας λόγω της κινητικότητας των ηλεκτρικών φορτίων διατυπώθηκαν σχέσεις οι οποίες ποσοτικοποιούν την ένταση του παρατηρούμενου ηλεκτροκινητικού φαινομένου. 6 Για τη διεξαγωγή των πειραμάτων αυτής της διπλωματικής εργασίας έγινε χρήση του προαναφερθέντος μηχανήματος Zeta-Cad. Είναι ένα μηχάνημα σχεδιασμένο για να μελετήσει τις ιδιότητες κολλοειδών και επιφανειακών φορτίων των σωματιδίων καθώς και επίπεδων επιφανειών. Η βασική αρχή λειτουργίας του εξηγείται στο κεφάλαιο που αφορά το δυναμικό μέσω ροής που προκύπτει όταν ένα υγρό ρέει μέσα σε ένα τριχοειδές κανάλι που δημιουργείται από δύο παράλληλες επιφάνειες. Η μηχανή αναγκάζει το υγρό να ρέει λόγω διαφοράς πίεσης Δp και ταυτόχρονα μετρά το δυναμικό συνεχούς ροής κατά μήκος του καναλιού. Το δυναμικό συνεχούς ροής μετράται με την ύπαρξη δύο ηλεκτροδίων μόλις πριν την είσοδο και ένα αμέσως μετά την έξοδο του καναλιού. Το μηχάνημα αυτό προκειμένου να μετατρέψει τα δεδομένα πίεσης και ηλεκτρικού δυναμικού που λαμβάνει σε τιμές ζ-δυναμικού εφαρμόζει την απλοποιημένη σχέση του Helmholtz- Smulowksi [13] . H σχέση αυτή βασίζεται στις παραδοχές ότι:  Η ροή είναι στρωτή και ανεπτυγμένη  Το μέγεθος του τριχοειδούς καναλιού είναι μεγάλο σε σχέση με την διάμετρο της διπλής στιβάδας  Μηδενική επιφανειακή αγωγιμότητα (η οποία συνήθως μπορεί να γίνει σημαντική όταν το ζ-δυναμικό είναι μεγάλο ( π.χ., \| ζ \|> 50 mV). Εγιναν μια σειρά από πειράματα τα οποία είχαν σκοπό την αναπαραγωγή προηγούμενων μετρήσεων προκειμένου να διαπιστωθεί η λειτουργικότητα του μηχανήματος καθώς και τον προσδιορισμό κάποιων τιμών αναφοράς. Τα πρώτα πειράματα έγιναν με πλάκες Si02 με ηλεκτρολύτη ΚCl και σε περιβάλλοντα με διαφορετικές τιμές pH. Ακολουθήθηκε το πρωτόκολλο του εργαστηρίου και έγιναν 3 μετρήσεις για κάθε σημείο. Με τα πρώτα αποτελέσματα του πειράματος ήταν σαφές ότι η μέτρηση του ζ-δυναμικού των πλακιδίων Si02 είναι πιο περίπλοκη από ότι αναμενόταν. Μια σειρά από απροσδόκητες μετρήσεις οδήγησε στoν σχεδιασμό περισσοτέρων πειραμάτων. Συγκεκριμένα αποφασίστηκε να γίνουν περαιτέρω μετρήσεις σε πλάκες Si02 σε διαφορετικές συγκεντρώσεις ΚCΙ και μια ακόμα πιο λεπτομερής γραφική παράσταση (ζ-δυναμικού-pH), ιδίως στα σημεία καμπής. Το ΚCΙ επιλέχθηκε επειδή είναι ένας 1:1 σθένους ηλεκτρολύτης και για την εξίσωση των Helmholtz-Smulowksi είναι πιο ακριβής. Επίσης υπάρχουν πλούσια βιβλιογραφικά στοιχεία που αφορούν πειράματα με αυτό τον ηλεκτρολύτη και γι 'αυτό είναι πιο εύκολο να συγκριθούν τα αποτελέσματα και να εξαχθούν πιο ασφαλή συμπεράσματα. Επιπλέον, με βάση τα ήδη ληφθέντα δεδομένα έγινε κατανοητό ότι η δομή της επιφάνειας του πλακιδίου παίζει σημαντικό ρόλο για τη μέτρηση και την αξιοποίηση του ζ- δυναμικού. Δεδομένου ότι το πυρίτιο είναι ένα υλικό που έχει μελετηθεί εκτενώς από προηγούμενους ερευνητές, αποφασίστηκε ότι ένα νέο 7 πρωτόκολλο ειδικά γι 'αυτό θα πρέπει να γίνει, όπως και ότι η μέτρηση του ζ- δυναμικού μπορεί να χρησιμεύσει ως σημείο αναφοράς για τις μελλοντικές μετρήσεις και μελέτες. Για να επιτευχθεί αυτό, αποφασίστηκε μια ειδική διαδικασία για την επιφανειακή επεξεργασία που θα πρέπει να προηγείται των μετρήσεων. Η διαδικασία στοχεύει στην εξάλειψη του στρώματος οξειδίου που σχηματίζεται σε επαφή με τον αέρα λόγω της σύνδεσης του οξυγόνου με το πυρίτιο. Υστερα από την κατεργασία η επιφάνεια εχει αποδεσμευτεί από το δεσμευμένο οξυγόνο. Στη συνέχεια αφήνοντας τα δείγματα σε ατμοσφαιρικό περιβάλλον για ένα συγκεκριμένο χρονικό διάστημα αναπτύσεται εκ νέου ένα επιφανειακο στρώμα SiO2 το πάχος του οποίου εξαρτάται από το χρονικό διάστημα που το πυρίτιο βρίσκεται σε επαφή με την ατμόσφαιρα. Σκοπός της κατεργασίας αυτής ήταν να επιτευχθεί ομοιογένεια και μείωση της τραχύτητας της επιφάνειας. Για την καλύτερη κατανόηση αλλά και για την εξασφάλιση της αξιοπιστίας των παραπάνω μετρήσεων παρακολουθήθηκε η συμπεριφορά της ροής για να επιβεβαιωθεί η βασική υπόθεση ότι η ροή στο τριχοειδές που σχηματίζεται ανάμεσα στις δύο πλάκες είναι στρωτή και ανεπτυγμένη. Έτσι ο ρυθμός ροής μετρήθηκε στις πιέσεις 0-0.35 bar που εφαρμόστηκαν. Οι μετρήσεις έγιναν με την αφαίρεση ενός από τα δοχεία του μηχανήματος και υπό σταθερή πίεση στην έξοδο του ηλεκτρολύτη που ρέει ανάμεσα στις πλάκες μετρήθηκε ο όγκος του για μια περίοδο 1 min. Στη συνέχεια χρησιμοποιήθηκαν οι εξισώσεις Navier-Stokes για τον υπολογισμό της ροής στο κανάλι που σχηματίζεται από τα δύο πλακίδια. Μετά από επεξεργασία των αποτελεσμάτων και σε συνδυασμό με τη βιβλιογραφική ανασκόπιση συμπεραίνεται ότι διαφορετικοί ερευνητές βρίσκουν συχνά διαφορετικές τιμές ζ-δυναμικού για όμοια περιβάλλοντα. Μερικές φορές, οι επιφάνειες δεν είναι στην πραγματικότητα πανομοιότυπες: η υψηλή ειδική επιφάνεια και η επιφάνεια δραστικότητας των κολλοειδών συστημάτων καθιστούν την τιμή ζ-δυναμικού πολύ ευαίσθητη ακόμη και σε μικρές ποσότητες ακαθαρσιών στο διάλυμα. Αυτό μπορεί εν μέρει να εξηγήσει διακυμάνσεις για τους ηλεκτρο- κινητικούς προσδιορισμούς από το ένα εργαστήριο στο άλλο. Εναλλακτικά, δεδομένου ότι το ζ-δυναμικό δεν είναι μια άμεσα μετρήσιμη ποσότητα, είναι πιθανό οι διακυμάνσεις να οφείλονται στην επιλογή ενός ακατάλληλου μοντέλου για τη μετατροπή του ηλεκτρο-κινητικού σήματος σε ζ-δυναμικό. Το επίπεδο εξειδίκευσης που απαιτείται (για το μοντέλο) εξαρτάται από την κατάσταση και την επιθυμητή ακρίβεια στην μέτρηση. Η επιλογή της τεχνικής της μέτρησης και της θεωρίας που χρησιμοποιείται εξαρτάται σε μεγάλο βαθμό από το σκοπό της έρευνας των ηλεκτρο-κινητικών φαινομένων. Υπάρχουν περιπτώσεις στις οποίες μπορεί να δικαιολογηθεί η χρήση απλών μοντέλων, ακόμη και αν δεν αποδίδουν το σωστό ζ-δυναμικό. Για παράδειγμα, εάν οι ηλεκτρο-κινητικές μετρήσεις χρησιμοποιούνται ως ένα είδος εργαλείου ελέγχου 8 ποιότητας, το ενδιαφέρον βρίσκεται στην ταχεία (on-line) ανίχνευση των εναλλαγών της ηλεκτρικής κατάστασης του περιβάλλοντος και όχι στην απόκτηση ακριβών τιμών του ζ-δυναμικού. Από την άλλη πλευρά, όταν ο σκοπός είναι να συγκριθούν υπολογισμένες τιμές του ζ-δυναμικού του συστήματος κάτω από δεδομένες συνθήκες, χρησιμοποιώντας διαφορετικές ηλεκτρο-κινητικές τεχνικές, μπορεί να είναι απαραίτητο να βρεθεί μια πραγματική τιμή του ζ-δυναμικού. Το ίδιο ισχύει και για εκείνες τις περιπτώσεις στις οποίες θα χρησιμοποιηθούν οι τιμές ζ-δυναμικού για την εκτέλεση	el
heal.advisorName	Μπουντουβής, Ανδρέας	el
heal.committeeMemberName	Μπουντουβής, Ανδρέας	el
heal.committeeMemberName	Κωνσταντίνος, Βάχλας	el
heal.committeeMemberName	Παυλάτου, Ευαγγελία	el
heal.academicPublisher	Εθνικό Μετσόβιο Πολυτεχνείο. Σχολή Χημικών Μηχανικών	el
heal.academicPublisherID	ntua
heal.numberOfPages	53 σ.	el
heal.fullTextAvailability	false