Πειραματικές μετρήσεις και μοντελοποίηση ιξώδους ιοντικών υγρών και μιγμάτων αυτών με κλασσικούς διαλύτες

Κατσαβριάς, Αθανάσιος; Katsavrias, Athanasios

dc.contributor.author	Κατσαβριάς, Αθανάσιος	el
dc.contributor.author	Katsavrias, Athanasios	en
dc.date.accessioned	2018-06-05T09:23:00Z
dc.date.available	2018-06-05T09:23:00Z
dc.date.issued	2018-06-05
dc.identifier.uri	https://dspace.lib.ntua.gr/xmlui/handle/123456789/47013
dc.identifier.uri	http://dx.doi.org/10.26240/heal.ntua.15167
dc.rights	Αναφορά Δημιουργού-Μη Εμπορική Χρήση-Όχι Παράγωγα Έργα 3.0 Ελλάδα	*
dc.rights.uri	http://creativecommons.org/licenses/by-nc-nd/3.0/gr/	*
dc.subject	Ιοντικά υγρά	el
dc.subject	Αιθανόλη	el
dc.subject	Νερό	el
dc.subject	Ιξώδες	el
dc.subject	Μίγματα	el
dc.subject	Μοντελοποίηση	el
dc.subject	Ionic liquids	en
dc.subject	Ethanol	en
dc.subject	Water	en
dc.subject	Viscosity	en
dc.subject	Mixtures	en
dc.subject	Modeling	en
dc.subject	Grunberg-Nissan	en
dc.subject	Vogel-Fulcher-Tammann	en
dc.title	Πειραματικές μετρήσεις και μοντελοποίηση ιξώδους ιοντικών υγρών και μιγμάτων αυτών με κλασσικούς διαλύτες	el
heal.type	bachelorThesis
heal.classification	Θερμοδυναμική	el
heal.classification	Φαινόμενα μεταφοράς	el
heal.classificationURI	http://data.seab.gr/concepts/818b3f4597347b0748b1c62b91d4188d897dbb07
heal.classificationURI	http://data.seab.gr/concepts/a65c1830f6a2d2beba453fb9ab7604afd4f09810
heal.language	el
heal.access	free
heal.recordProvider	ntua	el
heal.publicationDate	2018-02-23
heal.abstract	Τα ιοντικά υγρά είναι ουσίες που αποτελούνται από ιόντα, ένα οργανικό κατιόν και ένα οργανικό ή ανόργανο ανιόν και βρίσκονται σε υγρή φάση ακόμα και σε θερμοκρασία δωματίου. Έχουν προσελκύσει το ενδιαφέρον της βιομηχανίας, καθώς εμφανίζουν αρκετές ιδιότητες που τα κατατάσσουν στην κατηγορία των «πράσινων διαλυτών», όπως η χαμηλή, σχεδόν αμελητέα τάση ατμών, ενώ ιδιότητες όπως η υψηλή θερμική και χημική σταθερότητα και η μη ευφλεκτότητα τους προσδίδουν ακόμα μεγαλύτερο ενδιαφέρον. Μια από τις σημαντικότερες ιδιότητες που αφορά τον τομέα της βιομηχανίας είναι αυτή του ιξώδους, με πολλά ιοντικά υγρά να εμφανίζουν αρκετά μεγάλο ιξώδες, μία με τρεις τάξεις μεγέθους πολλές φορές υψηλότερο των κλασσικών οργανικών διαλυτών. Ωστόσο, εξαιτίας του τεράστιου αριθμού ιοντικών υγρών, οι πειραματικές μετρήσεις των τιμών των ιδιοτήτων τους και δη του ιξώδους τους είναι αρκετά περιορισμένες. Στην παρούσα διπλωματική εργασία πραγματοποιήθηκαν πειραματικές μετρήσεις του ιξώδους τεσσάρων πρωτικών ιοντικών υγρών καθώς και μιγμάτων αυτών με κλασσικούς διαλύτες σε θερμοκρασιακό εύρος 293.15 Κ – 363.15 Κ. Στόχο αποτέλεσε η μελέτη της επίδρασης της θερμοκρασίας και της σύστασης των μιγμάτων στο ιξώδες των ιοντικών υγρών. Στη συνέχεια πραγματοποιήθηκε μοντελοποίηση των πειραματικών αποτελεσμάτων με τη χρήση εμπειρικών συσχετίσεων. Για το σκοπό αυτό, έγινε σύνθεση των ιοντικών υγρών 2hydroxyethyl ammonium formate ή 2HEAF ([HCOO-][H3N+CH2CH2OH]), 2hydroxyethyl ammonium acetate ή 2ΗΕΑΑ ([CH3COO-][H3N+CH2CH2OH]), 2hydroxyethyl ammonium butyrate ή 2ΗΕΑΒ ([CH3CH2CH2COO-] [H3N+CH2CH2OH]) και 2hydroxyethyl ammonium hexanoate ή 2ΗΕΑΗ ([CH3CH2CH2CH2CH2COO-][H3N+CH2CH2OH]). Στη συνέχεια πραγματοποιήθηκε ιξωδομέτρηση με τη χρήση του ιξωδόμετρου Brookfield DV1 σε θερμοκρασίες από 293.15 Κ έως 363.15 Κ, με βήμα 5 Κ. Έπειτα κατασκευάστηκαν δυαδικά διαλύματα του καθενός ιοντικού υγρού με νερό και με αιθανόλη, με περιεκτικότητα κατά βάρος σε ιοντικό υγρό ίση με: 5 %, 10 %, 15 %, 20 %, 30 %, 40 % και 50 % και μετρήθηκε το ιξώδες τους σε θερμοκρασίες 293.15 Κ, 298.15 Κ και 303.15 Κ. Τέλος, υπολογίστηκε το ιξώδες σε τριαδικά διαλύματα ιοντικού υγρού-νερού-αιθανόλης, στα οποία η ποσότητα του ιοντικού υγρού ήταν σταθερή και ίση με 10% w/w και τις συγκεντρώσεις του νερού και της αιθανόλης να αλλάζουν, με το γραμμομοριακό κλάσμα της αιθανόλης να κυμαίνεται μεταξύ 75 % και 95 %, με το θερμοκρασιακό εύρος να είναι ίδιο με εκείνο των δυαδικών διαλυμάτων. Όλες οι μετρήσεις πραγματοποιήθηκαν σε ατμοσφαιρική πίεση. Τα πειραματικά αποτελέσματα για τα καθαρά ιοντικά υγρά κυμάνθηκαν από περίπου 15 cP μέχρι 5032 cP. Το μεγαλύτερο ιξώδες εμφάνισε το 2ΗΕΑΑ και ακολούθησαν από το πιο ιξώδες στο λιγότερο ιξώδες τα 2HEAB, 2HEAH και 2ΗΕΑF. Αυτή η σειρά παρέμεινε ίδια σε όλες τις θερμοκρασίες μέτρησης. Με την προσθήκη του νερού το ιξώδες μειώθηκε σημαντικά, ενώ και η σειρά ιξώδους άλλαξε, με το διάλυμα 2ΗΕΑΗ-νερό να παρουσιάζει το μεγαλύτερο ιξώδες από τα τέσσερα διαλύματα, με τα 2ΗΕΑΒ-νερό, 2ΗΕΑΑ-νερό και 2HEAF-νερό να ακολουθούν, κατά σειρά από το πιο ιξώδες διάλυμα στο λιγότερο ιξώδες, με τις τιμές του ιξώδους να κυμαίνονται μεταξύ 1 cP και 13 cP, περίπου. Και τα δυαδικά διαλύματα αιθανόλης-ιοντικού υγρού έχουν πολύ χαμηλό ιξώδες, με τιμές από περίπου 1.3 cP μέχρι 20.5 cP, με το διάλυμα 2ΗΕΑΑ-αιθανόλης να έχει το μεγαλύτερο ιξώδες, και τα 2ΗΕΑΒ-αιθανόλη, 2ΗΕΑΗ-αιθανόλη και 2ΗΕΑF-αιθανόλη να ακολουθούν στις υψηλές συγκεντρώσεις ιοντικού υγρού και τις τιμές σχεδόν να εξισώνονται στις χαμηλότερες συγκεντρώσεις. Τέλος, όσον αφορά τα τριαδικά διαλύματα, το ιξώδες αυτών διατηρήθηκε σε πολύ χαμηλά επίπεδα, σημειώνοντας τιμές μεταξύ 1.4 cP και 2.5 cP. Οι διαφορές των τιμών του ιξώδους μεταξύ των διαλυμάτων ήταν μικρές, με το τριαδικό του 2ΗΕΑΗ να σημειώνει τις χαμηλότερες μεταξύ των τεσσάρων και τα υπόλοιπα τρία τριαδικά να κυμαίνονται γύρω από τις ίδιες τιμές ιξώδους. Τέλος, έγινε μοντελοποίηση των πειραματικών αποτελεσμάτων με τη χρήση της σχέσης Vogel-Fulcher-Tammann (VFT), για τα καθαρά ιοντικά υγρά και της Grunberg-Nissan για τα διαλύματα, η οποία όμως, τροποποιήθηκε καταλλήλως για καλύτερη προσέγγιση των αποτελεσμάτων. Στην περίπτωση των καθαρών ιοντικών υγρών, με τη χρήση της σχέσης VFT τα σχετικά σφάλματα που σημειώθηκαν ήταν μικρότερα του 0.5 %, με αποτέλεσμα να μπορούμε να έχουμε μια πολύ καλή πρόβλεψη του ιξώδους των καθαρών υγρών στις διάφορες θερμοκρασίες. Σχετικά με τα αποτελέσματα της μοντελοποίησης για τα δυαδικά διαλύματα, κρίνονται ικανοποιητικά, με τα σχετικά σφάλματα να κυμαίνονται μεταξύ 2.2 % και 5.2 % στα δυαδικά διαλύματα με νερό και 1.2 % και 4.1 % σε εκείνα με αιθανόλη. Οι υψηλότερες τιμές αυτών σημειώθηκαν στα σημεία με την μικρότερη συγκέντρωση ιοντικού υγρού. Τέλος, σχετικά με τα δεδομένα για τα τριαδικά διαλύματα, τα σχετικά σφάλματα εμφάνισαν τιμές από 2.3 % έως 7.7 %, με τις υψηλότερες τιμές να σημειώνονται στο τριαδικό διάλυμα του 2ΗΕΑΗ.	el
heal.abstract	Ionic liquids are substances consisting of ions, an organic cation and an organic or inorganic anion which are in liquid phase, even at room temperature. They have attracted the interest of the industry as they have several properties that classify them as "green solvents", such as the low, almost negligible vapor pressure, while properties such as high thermal and chemical stability and non-flammability give them even greater interest. One of the most important properties in the industry is that of viscosity, with many ionic liquids displaying high values of viscosity, one to three orders of magnitude higher than conventional organic solvents. However, due to the huge number of different ionic liquids, experimental measurements of all their properties, viscosity in particular, are quite limited. The aim of this diploma thesis is to measure the viscosity of four ionic liquids, as well as their mixtures with conventional organic solvents in a temperature range between 293,15 Κ - 363,15 Κ. The main goal was to study the effect of the temperature and composition of mixtures on the viscosity of the ionic liquids. Then, modeling of the experimental results was performed, using empirical equations. Four ionic liquids were synthesized in this study: 2hydroxyethyl ammonium formate or 2HEAF ([HCOO-][H3N+CH2CH2OH]),2hydroxyethyl ammonium acetate or 2ΗΕΑΑ ([CH3COO-] [H3N+CH2CH2OH]), 2hydroxyethyl ammonium butyrate or 2ΗΕΑΒ ([CH3CH2CH2COO-] [H3N+CH2CH2OH]) and 2hydroxyethyl ammonium hexanoate or 2ΗΕΑΗ ([CH3CH2CH2CH2CH2COO-][H3N+CH2CH2OH]). Afterwards, viscosity measurements were performed at temperatures between 293.15K and 363.15K, using the Brookfield DV1 viscometer. Binary solutions of each ionic liquid were made using water and ethanol containing 5 %, 10 %, 15 %, 20 %, 30 %, 40 % and 50 % w/w ionic liquid and their viscosity measured in temperatures 293,15 K, 298,15 K and 303,15 K. Finally, the viscosity was calculated in ternary solutions of ionic liquid-water-ethanol, in which the amount of ionic liquid was constant and equal to 10 % w/w and the water and ethanol concentrations changed, with the molar ratio of ethanol ranges between 75 % and 95 %, with the temperature range being the same as that of binary solutions. All measurements were made at atmospheric pressure. The experimental results for pure ionic liquids ranged between about 15 cP and 5032 cP. The most viscous of the four ionic liquids was measured the 2HEAA, followed by the 2HEAB, 2HEAH and 2HEAF in order from the more viscous to the less viscous. This order remained the same at all measuring temperatures. With the addition of water, the viscosity was significantly reduced, with the most viscous binary mixture being the 2HEAH-water, followed by the 2 HEAB-water, 2 HEAA-water and 2 HEAF-water in order from the more viscous to the less viscous solution. The viscosity values were measured between 1 cP and 13 cP. The binary solutions of ionic liquid-ethanol were also significantly less viscous that the pure ionic liquids, with viscosity values varying between 1.3 cP and 20.5 cP, the 2 HEAA-ethanol solution being the most viscous, and 2 HEAA-ethanol, 2 HEAH-ethanol and 2 HEAF-ethanol follow when the concentration of ionic liquid was high, while the viscosity was almost the same for all four solutions at lower concentration of ionic liquid. Finally, with respect to the ternary solutions, their viscosity was kept at very low levels, with the experimental measurements being between 1.4 cP and 2.5 cP. The differences in viscosity values between the four solutions were small, with the ternary solution of 2HEAH being the less viscous among the four and the remaining three ternary mixtures being around the same values of viscosity. The final step was the modeling of the experimental results using the Vogel-Fulcher-Tammann (VFT) equation for pure ionic liquids and a modified Grunberg-Nissan equation for the binary and ternary solutions. With regard to the modeling results of pure ionic liquids using the VFT equation, the errors in viscosity values were less than 0.5 %, resulting in a very good prediction of the viscosity of the pure liquids at different temperatures. Concerning the modeling results for binary solutions, they are considered satisfactory, with errors ranging between 2.2 % and 5.2 % in the binary solutions with water and 1.2 % and 4.1 % in those with ethanol. Higher values of error were noted in the solutions with the lowest concentration of ionic liquids. Finally, with regard to the correlation results for the ternary solutions, the errors were from 2.3 % to 7.7 %, with the highest values being reported in the ternary solution of 2HEAH.	en
heal.advisorName	Βουτσάς, Επαμεινώνδας	el
heal.committeeMemberName	Μαγουλάς, Κωνσταντίνος	el
heal.committeeMemberName	Μπουρουσιάν, Μιρτάτ	el
heal.academicPublisher	Εθνικό Μετσόβιο Πολυτεχνείο. Σχολή Χημικών Μηχανικών. Τομέας Ανάλυσης, Σχεδιασμού και Ανάπτυξης Διεργασιών και Συστημάτων (ΙΙ). Εργαστήριο Θερμοδυναμικής και Φαινομένων Μεταφοράς	el
heal.academicPublisherID	ntua
heal.numberOfPages	128 σ.
heal.fullTextAvailability	true