Sodyum dodesil sülfat (SDS) çözeltiler ile grafit sıvı bilya sentezi ve uygulamaları
Synthesis and applications of graphite liquid marbles using sodium dodecyl sulfate solution
Yazar: BELMA UYAR SESLİ
Danışman: PROF. DR. H. YILDIRIM ERBİL
Gebze Yüksek Teknoloji Enstitüsü / Mühendislik ve Fen Bilimleri Enstitüsü / Kimya Mühendisliği Ana Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2010
Konu: Kimya Mühendisliği = Chemical Engineering

Özet:
Sıvı bilyalar; etrafı hidrofobik toz ile kaplanmış sıvı damlalardır. Sıvı bilyalarkatı yüzey üzerinde hiçbir sızıntı olmaksızın, çok az bir kuvvetle hızlı bir şekildehareket edebilir. Buharlaşma doğadaki temel olaylardan biri olup hakkında oldukçafazla araştırma yapılmaktadır.Bu çalışma ile yaygın olarak çalışılan anyonik yüzey aktif maddelerden,sodyum dodesil sülfat (SDS) çözeltisi sıvı damlalarının ve grafit sıvı bilyalarınbuharlaşma süreçleri ve SDS konsantrasyonunun buharlaşma hızlarına etkisininaraştırılması amaçlanmıştır. Ayrıca grafit ile sentezlenen sodyum dodesil sülfat sıvıbilyaları ile sodyum dodesil sülfat sıvı damlalarının karşılaştırılması da yapılarakbuharlaşma hızları incelenmiştir. Deneysel çalışma 2 kısımdan oluşmaktadır. Tümdeneyler kapalı bir hücrede, higrostat çözeltileri kullanılarak sabit bağıl nem altındagerçekleştirilmiş ve süreç bir kamera ile takip edilmiştir.İlk aşamada kritik misel konsantrasyonu (CMC) olan 8x10-3 M altı ve üstünde11 farklı derişimde (8x10-6M - 4x10-1 M SDS) hazırlanan sodyum dodesil sülfatçözeltilerinin TEFLON FEP 100 üzerindeki damla buharlaşmaları gözlemlendi vebulunan sonuçlar saf su buharlaşması ile karşılaştırıldı. Sodyum dodesil sülfatkonsantrasyonunun damla buharlaşması üzerine etkisi araştırıldı ve ayrıca yüzeyaktif madde varlığının temas açısı ve temas yarıçapı üzerine etkileri incelendi.İkinci aşamada ise yine 5 farklı konsantrasyondaki (8x10-6 - 2x10-4 M SDS)sodyum dodesil sülfat çözeltileri ve grafit tozu kullanılarak sıvı bilyalar sentezlendi.Bu bilyaların buharlaşma süreçleri ve SDS derişiminin süreç üzerine etkisiincelenerek, sodyum dodesil sülfat sıvı bilyaları ile saf su sıvı bilyasının aynıortamdaki buharlaşmaları karşılaştırıldı. Elde edilen sıvı bilya ve sıvı damla sonuçlarıda birbirleriyle karşılaştırılmıştır.Deneysel olarak, sodyum dodesil sülfat çözeltisi sıvı damlalarının buharlaşmahızlarının belirli bir konsantrasyona kadar (2x10-4 M) az bir oranda azaldığı dahasonra biraz artarak CMC konsantrasyonu üzerinde sabit bir buharlaşma hızınaulaştığı bulunmuştur. Bu denemelerde, sodyum dodesil sülfat konsantrasyonununbuharlaşma üzerine az da olsa bir etkisi olduğu tespit edilmiştir. Bu sonuç, daha önceliteratürde rapor edilen konsantrasyonun hiç etkisinin olmadığı sabit buharlaşmahızlarından farklı bir sonuçtur. Ayrıca suda çözünen SDS moleküllerinin buharlaşmasonunda yüzeyde leke bıraktığı ve oluşan lekenin genişliğinin SDS konsantrasyonuile doğru orantılı olduğu görülmüştür. SDS çözeltisi içeren sıvı bilya denemelerindeise, CMC altındaki konsantrasyonlarda SDS konsantrasyonunun buharlaşmaüzerinde net bir etkisi olmadığı söylenebilir. 9x10-4 M SDS konsantrasyonundansonra ise zaten sıvı bilya oluşumu gerçekleşmemektedir. Bunun nedeni çözeltininyüzeyindeki SDS'nin grafit üzerine adsorplanmasıdır. SDS çözeltilerinin TEFLONFEP 100 üzerindeki ilk temas açıları incelendiğinde sıvı bilyanın oluşmadığıkonsantrasyona ait noktanın, aynı zamanda temas açısının ilk düşmeye başladığınokta olduğu tespit edilmiştir. SDS çözeltisi sıvı damlaları ve grafit sıvı bilyalarınınbuharlaşma hızları karşılaştırıldığında ise yüzeydeki mevcut grafit tabakasınınengellemesi nedeniyle grafit sıvı bilyaların sıvı damlalarına göre yaklaşık 2 kat dahayavaş buharlaştıkları ve bu yapıların kararlı ve uzun ömürlü oldukları tespitedilmiştir.

Abstract:
Liquid marbles are liquid droplets coated with a hydrophobic powder. Liquid marbles are able to move with a small force on a solid surface without any leakage. Drop evaporation, being an important natural phenomena, has been extensively studied in the literature and evaporation of liquid marbles are recently investigated.In this thesis, it was aimed to study the effect of sodium dodecyl sulfate (SDS), one of most widely used anionic surfactant, on the evaporation rate of liquid droplets and graphite liquid marbles. Comparison of SDS and water liquid marbles synthesized with graphite powder and their evaporation were also investigated. All tests were conducted under constant relative humidity using hygrostat solutions in a closed chamber and evaporation process was monitored by a camera.Experimental study consisted of two main parts. In the first part of the study, it was planned to observe 11 different concentrations (8x10-6 M ? 4x10-1 M) of SDS solutions drop evaporation on the TEFLON FEP 100 film and the results were compared with that of water. The effect of SDS concentration on the evaporation of liquid droplet and the effect of surfactant existence on the surface tension and contact angle were also investigated.In the second part of the study, liquid marbles encapsulated by graphite powder were synthesized by using SDS solutions at 5 different concentrations. The evaporation rates of SDS containing graphite liquid marbles were compared with the rates of pure water droplets at the same medium. Graphite liquid marble and liquid drop results were compared with each other.It was found experimentally that the evaporation rate of liquid droplets containing SDS solution decreased to a certain concentration (2x10-4 M), later on it increased a little reaching to a constant rate above CMC. A small effect of SDS concentration on the evaporation rate was determined in these experiments. This result was different than previously reported constant evaporation rate results which assert that concentration had no effect on the rate of evaporation. In addition, spots (stains) were remained on the surface of substrate at the end of evaporation of SDS containing drops and it was observed that the width of these spots were proportional to the concentration of SDS. In the experiments with SDS containing graphite liquid marbles which were under critical micelle concentration, no direct effect had been observed on the rate of evaporation. However, liquid marble formation could not be carried out above 9x10-4 M. The reason was that SDS molecules on the surface adsorb on the graphite and graphite powder lost its hydrophobicity. When the variation of the initial contact angles of SDS solutions on TEFLON FEP 100 was investigated, it was found that the concentration where contact angle start to decrease was also 9x10-4 M showing the effect of SDS adsorption on graphite. When SDS solution drops and graphite liquid marble evaporation rates were compared, it was found that graphite liquid marbles evaporation rate was approximately two times slower than that of the pure water drops due to the resistance of the graphite layer to evaporation. It was determined that graphite liquid marble structures were more stable and had longer life time.