Μοντελοποίηση καθαρισμού του νερού από βαρέα μέταλλα με χρήση μικροροϊκών διατάξεων
Authors: Λιόσης Χρήστος 
Published: January 2024

Οι ανάγκες του ανθρώπινου οργανισμού για την καθημερινή κατανάλωση πόσιμου νερού το οποίο, δυστυχώς, περιέχει βαρέα μέταλλα καθώς και των τροφών, οι οποίες έχουν γίνει τοξικές από το νερό λόγω των βαρέων μετάλλων, είναι ευρέως γνωστές. Η λήψη των βαρέων μετάλλων λειτουργεί βιοσυσσωρευτικά στον ανθρώπινο οργα-νισμό καθώς δεν μπορεί να τα αποβάλλει ή να τα διασπάσει. Για τους ανωτέρω λόγους καθίσταται επιτακτική η ανάγκη στην εξεύρεση λύσης για τον καθαρισμό του νερού από τα βαρέα μέταλλα. Η εξεύρεση λύσης για τον καθαρισμό του νερού θεωρείται πως βρίσκεται στα νανοσωματιδία. Oι ιδέες και οι έννοιες της νανοεπιστήμης και της νανοτεχνολογίας ξεκίνησαν ήδη από τον Δεκέμβριο 1959 με την ομιλία του φυσικού Richard Feynman με τίτλο "There’s Plenty of Room at the Bottom" στο American Physical Society στο California Institute of Technology. Ο Feynman στην ομιλία του περιγράφει μια διαδικασία στην οποία οι επιστήμονες θα είναι σε θέση να χειραγωγήσουν και να ελέγξουν μεμονωμένα άτομα και μόρια. Έκτοτε και ενώ έχουν παρέλθει περίπου 60 έτη, μπορεί πλέον να λεχθεί ότι με τη χρήση των μικρορευστών και των νανοσωματιδίων δύναται να δοθεί λύση για τον καθαρισμό του νερού. Σε αυτό το πλαίσιο, η βέλτιστη ανάμειξη μαγνητισμένων νανοσωματιδίων με νερό θα φέρει τα μαγνητικά νανοσωματίδια πιο κοντά στα βαρέα μέταλλα ώστε να πρα-γματοποιηθεί πιο αποδοτικά η χημική αντίδραση, δηλαδή η αποδέσμευση των βαρέων μετάλλων από το νερό. Η αριθμητική μελέτη της ροής του νερού και των σωματιδίων με ή χωρίς μαγνητική επίδραση θα αποτελέσει το αντικείμενο της Διδακτορικής Δια-τριβής. Ουσιαστικά η βέλτιστη απόδοση του αναμείκτη θα ευνοήσει στη δέσμευση των βαρέων μετάλλων από το νερό. Η απόδοση του παθητικού αναμείκτη, που διερευνάται στο πλαίσιο της παρούσας Διατριβής βασίζεται στις ροές που αναπτύσσονται στο εσωτερικό του αγωγού, εξαρτάται κυρίως από την γεωμετρία και τις αρχικές συνθήκες των προσομοιώσεων καθώς από τις μηχανικές ιδιότητες των μαγνητισμένων νανοσωματίδιων. Αντίστοιχα, ο ενεργητικός αναμείκτης, που διερευνάται στο πλαίσιο της παρούσας Διατριβής βασίζεται στην ιδέα ότι ένας μαγνητικός αναδευτήρας θα μπορεί να οδηγήσει στον βέλτιστο καθαρισμό του νερού. Πιο συγκεκριμένα, θα μπορεί να εφαρμοστεί εξωτερικό μαγνητικό πεδίο σε ένα σωλήνα ή σε ένα αγωγό ύδατος και ροής μαγνη-τικών νανοσωματιδίων ώστε τα σωματίδια να στροβιλιστούν και να εξαπλωθούν σε όλο τον αγωγό, σχεδόν ομοιόμορφα. Η διερεύνηση των παραγόντων οι οποίοι επηρεάζουν τη δέσμευση των βαρέων μετάλλων αρχίζει με τη βιβλιογραφική ανασκόπηση, από την οποία προέκυψε ότι η δέσμευση μπορεί να υλοποιηθεί με προσρόφηση. Κατόπιν, επελέγησαν οι παράγοντες οι οποίοι θα εισαχθούν στο μοντέλο καθώς και οι παράγοντες που θα μελετηθούν. Oι προσομoιώσεις ξεκίνησαν με τη μελέτη της κίνησης των σωματιδίων μέσα στο ρευστό χωρίς την επίδραση του μαγνητικού πεδίου. Στη συνέχεια, κατευθυνθήκαμε στη δημιουργία των γεωμετριών ξεκινώντας από την πιο απλή, ήτοι έναν αγωγό τετραγωνικής εισόδου έως μιας πιο σύνθετης, όπως του Tesla Valve, η οποία χρησιμοποιήθηκε σαν αναμείκτης. Για όλες τις προαναφερθείσες γεωμετρίες μελετήθηκε η κίνηση των νανοσωματιδίων στο ρευστό με τη χρήση εξωτερικού μαγνητικού πεδίου αλλά και χωρίς τη χρήση του πεδίου. Από το σύνολο των παραγόντων που μελετήθηκαν για να επιτευχθεί ομοιόμορφη διασπορά των νανοσωματιδίων, ο λόγος των ταχυτήτων των ρευστών στην είσοδο αποτέλεσε τη βέλτιστη παράμετρο ανάμειξης. Συγκεκριμένα παρατηρήθηκε οτι όταν η ταχύτητα του ρευστού που περιελάμβανε τα νανοσωματίδια ήταν δέκα (10) φορές μεγαλύτερη από αυτή του μολυσμένου νερού, η διασπορά των νανοσωματιδίων ήταν ικανοποιητική μέσα στον αναμείκτη. Επιπλέον, ο λόγος των ταχυτήτων έβρισκε εφαρμοσιμότητα ανεξάρτητα από το γεγονός αν στις προσομοιώσεις υφίσταται επίδραση εξωτερικού μαγνητικού πεδίου.