Ενεργοποίηση, ανάδευση και ανάμιξη σταγόνων για την επιτάχυνση χημικών διεργασιών σε πορώδεις ρευστονικές διατάξεις

Κλουβιδάκη, Ευαγγελία; Klouvidaki, Evangelia

dc.contributor.author	Κλουβιδάκη, Ευαγγελία	el
dc.contributor.author	Klouvidaki, Evangelia	en
dc.date.accessioned	2021-03-18T10:03:57Z
dc.date.available	2021-03-18T10:03:57Z
dc.identifier.uri	https://dspace.lib.ntua.gr/xmlui/handle/123456789/53098
dc.identifier.uri	http://dx.doi.org/10.26240/heal.ntua.20796
dc.rights	Default License
dc.subject	Ανάμιξη σταγόνων	el
dc.subject	Ανάδευση σταγόνων	el
dc.subject	Ιξώδη ρευστά	el
dc.subject	Μικρορευστονικές διατάξεις	el
dc.subject	Χημικές διεργασίες σε σταγόνες	el
dc.subject	Droplet mixing	en
dc.subject	Droplet agitation	en
dc.subject	Viscous fluids	en
dc.subject	Microfluidics	en
dc.subject	Chemical processes in droplets	en
dc.title	Ενεργοποίηση, ανάδευση και ανάμιξη σταγόνων για την επιτάχυνση χημικών διεργασιών σε πορώδεις ρευστονικές διατάξεις	el
dc.title	Actuating, agitating and mixing reactive droplets for gas-liquid chemical reactions	en
heal.type	bachelorThesis
heal.classification	Μηχανική ρευστών	el
heal.classification	Μικρορευστονική	el
heal.language	el
heal.access	free
heal.recordProvider	ntua	el
heal.publicationDate	2021-03-05
heal.abstract	Στην παρούσα διπλωματική εργασία διερευνήθηκε η δυνατότητα χρήσης ρευστονικής διάταξης ανοικτού τύπου για την ανάμιξη ρευστών υψηλού ιξώδους καθώς και η χρήση της για την πραγματοποίηση χημικών αντιδράσεων σε μικροόγκους (σταγόνες). Για την μελέτη της ανάμιξης ιξωδών ρευστών χρησιμοποιήθηκαν δυο σταγόνες υδατικών διαλυμάτων γλυκερόλης 90% διαφορετικού χρώματος και διαπιστώθηκε ότι μπορεί να επιτευχθεί πλήρης ανάμιξη των διαλυμάτων, παρά το πολύ υψηλό τους ιξώδες. Ο χρόνος ανάμιξης επιταχύνθηκε περίπου 350 φορές με τη χρήση της ρευστονικής διάταξης. Διαπιστώθηκε πως τα ρευστά αναμιγνύονται ενώ κινούνται κατά μήκος της διάταξης, επιβεβαιώνοντας την δυνατότητα της διάταξης να χρησιμοποιηθεί σε εφαρμογές με παρόμοιες απαιτήσεις. Τα αποτελέσματα αυτά καθόρισαν και το απαιτούμενο μήκος της διάταξης στα 3.5 cm ώστε να είναι αρκετό για να επιτευχθεί πλήρης ανάμιξη των συγκεκριμένων ρευστών καθώς αυτά κινούνται. Βασικό στόχο της εργασίας αποτέλεσε η πραγματοποίηση αντιπροσωπευτικών αντιδράσεων με χρήση της ρευστονικής διαταξης ώστε να διαπιστωθεί καταρχήν η δυνατότητα πραγματοποίησή τους καθώς και η πιθανή επιτάχυνσή τους. Επιλέχθηκαν αντιδράσεις με αναλυτικό, περιβαλλοντικό ή βιομηχανικό ενδιαφέρον τόσο σε ομογενή (υγρή) φάση όσο και μεταξύ δύο φάσεων (αερίου-υγρού). Αρχικά πραγματοποιήθηκε η αντίδραση αλκαλικής οξείδωσης της λουσιγενίνης παρουσία υπεροξειδίου του υδρογόνου, μια αντίδραση με αναλυτικό ενδιαφέρον. Διαπιστώθηκε ότι η αντίδραση επιταχύνεται τουλάχιστον 4 φορές όταν πραγματοποιείται στην επιφάνεια της ρευστονικής διάταξης σε σχέση με την πραγματοποίησή της σε απλό γυάλινο φιαλίδιο υπό τις ίδιες πειραματικές συνθήκες. Επιβεβαιώθηκε με αυτόν τον τρόπο η δυνατότητα της διάταξης να χρησιμοποιηθεί ως πλατφόρμα διεξαγωγής αντιδράσεων με την χρήση αντιδραστηρίων σε μικροόγκους, και με ταυτόχρονη επιτάχυνση της συγκεκριμένης αντίδρασης. Η δεύτερη αντίδραση που επιλέχθηκε αφορούσε την αλκαλική υδρόλυση και αποχρωματισμό του μαλαχίτη σε ιξώδες μίγμα διαλυτών γλυκερόλης-νερού. Η ένωση αυτή εμφανίζει υψηλή τοξικότητα και αποτελεί περιβαλλοντικό ρύπο. Η χρήση της ρευστονικής διάταξης επιτάχυνε τουλάχιστον κατά 2.4 φορές την αντίδραση σε σχέση με την πραγματοποίησή της σε ένα γυαλινο φιαλίδιο υπο τις ίδιες συνθήκες. Η παρατηρούμενη αύξηση πιθανόν να προκαλείται από την πιο αποτελεσματική ανάμιξη των αντιδρώντων, την αυξημένη κινητικότητά τους (φορτισμένα ιόντα μαλχίτη και υδροξυλίου) παρά το υψηλό ιξώδες, καθώς και από την επίδραση της γλυκερόλης στο μικροπεριβάλλον της αντίδρασης. Η τρίτη αντίδραση που μελετήθηκε περιελάμβανε την αλκαλική οξείδωση του γαλλικού οξέος από το οξυγόνο (αντίδραση αερίου-υγρού) όπου το οξυγόνο είναι τα κύριο αντιδρών αλλά ταυτόχρονα και το αέριο τροφοδοσίας της ρευστονικής συσκευής. Τα αποτελέσματα έδειξαν ότι η χρήση της διάταξης επιταχύνει τουλάχιστον κατά 8 φορές την αντίδραση σχηματίζοντας τα προϊόντα οξείδωσης του γαλλικού οξέος, χαρακτηριστικού σκούρου καφέ χρώματος. Η ισχυρή ανάδευση των αντιδρώντων καθώς και η αποτελεσματική μεταφορά μάζας του οξυγόνου στο εσωτερικό της φυσαλίδας διατηρώντας την κορεσμένη με οξυγόνο πιθανόν εξηγούν την παρατηρούμενη επιτάχυνση της αντίδρασης οξείδωσης του γαλλικού οξέος. Με βάση τα θετικά αποτελέσματα που ελήφθησαν, η διάταξη θα μπορούσε να χρησιμοποιηθεί σε εφαρμογές της συγκεκριμένης αντίδρασης όπου απαιτείται η παραγωγή προϊόντων οξείδωσης του γαλλικού οξέος σε υψηλές συγκεντρώσεις.	el
heal.abstract	In this thesis, the potential use of an open-channel fluidic for mixing high viscosity fluids and its use for carrying out chemical reactions in small volumes (droplet) was examined. For the case of mixing viscous liquids, two glycerol aqueous plugs (90%) of different color were used and it was found that complete mixing of these solutions could be achieved, despite their high viscosity. The mixing time was accelerated ca. 350 times. In fluidics, the mixing taking place while the plugs move along the fluidic, confirming the device's ability to be used in applications with similar requirements. These results introduce the basic design factor for this fluidic; in order to mix completely two glycerol plugs while they move along, a 3.5 cm long fluidic is required. The main purpose of this work was to study the use of fluidic with representative chemical reactions in order to evaluate their realization and their possible acceleration. Reactions of analytical, environmental or industrial interest were selected both in homogeneous (liquid) phase and a two phase system (gas-liquid). The oxidation of lucigenine in alkaline environment with the presence of hydrogen peroxide was initially studied, a reaction of analytical interest. It has been found that the reaction is accelerated at least 4 times when carried out on the surface of the fluidic device relative to that carried out in a glass vial under the same experimental conditions. This confirmed not only the use of the fluidic as a reaction platform using reagents in micro-volumes but also the acceleration of the selected reaction. The second reaction was the alkaline hydrolysis and decolorization of malachite green in a viscous binary solution of glycerol and water. This compound is highly toxic and considered as an environmental pollutant. The use of the fluidic device accelerated the reaction by at least 2.4 times compared to the reaction in a glass vial under the same conditions. The observed increase is probably due to the more effective mixing of the reactants, their increased mobility (malachite and hydroxyl ions) despite the high viscosity of the solution as well as the effect of glycerol on the reaction microenvironment. The third reaction examined was the oxidation of gallic acid in alkaline environment (gas-liquid reaction) where oxygen is the main reactant and at the same time the feeding gas of the fluidic. The results showed that the use of the fluidic device accelerates the reaction by at least 8 times to form the oxidation products of gallic acid with a characteristic dark brown color. Active agitation of the reactants and efficient oxygen mass transfer into the bubble maintain oxygen saturation and may explain the observed acceleration of the gallic acid oxidation reaction. It is therefore evident that an active method to enhance the oxygen mass transfer to the liquid phase is of prime importance towards the efficiency of this chemical reaction scheme.	en
heal.advisorName	Μπουντουβής, Ανδρέας	el
heal.committeeMemberName	Μπουντουβής, Ανδρέας	el
heal.committeeMemberName	Καβουσανάκης, Μιχαήλ	el
heal.committeeMemberName	Κέκος, Δημήτριος	el
heal.academicPublisher	Εθνικό Μετσόβιο Πολυτεχνείο. Σχολή Χημικών Μηχανικών. Τομέας Ανάλυσης, Σχεδιασμού και Ανάπτυξης Διεργασιών και Συστημάτων (ΙΙ)	el
heal.academicPublisherID	ntua
heal.numberOfPages	76 σ.	el
heal.fullTextAvailability	false