Nano-partiküllerin sıvı içinde dispersiyonu, de-aglomerasyonu ve ısıl iletkenlik değerlerinin belirlenmesi
Dispersion and de-agglomeration of nano-particles in aqueous solution and measurement of thermal conductivity values
Yazar: MUHAMMED AZAD EMİN
Danışman: PROF. DR. ŞEBNEM TAVMAN
Ege Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Gıda Mühendisliği Ana Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2007
Konu: Gıda Mühendisliği = Food Engineering ; Kimya Mühendisliği = Chemical Engineering ; Mühendislik Bilimleri = Engineering Sciences
Dizin: Dispersiyon = Dispersion ; Nanopartiküller = Nanoparticles ; Ultrason = Ultrasound ; Yüksek basınç = High pressure

Özet:
Nano-partiküller, sahip oldukları yüksek spesifik yüzey alanısebebiyle çesitli endüstri alanlarında birçok farklı kullanım alanlarıbulmaktadır. Bu partiküllerin dispersiyonu sanayideki uygulamalar içinanahtar bir prosestir. Ultrason ve yüksek basınç uygulamaları, nanopartiküllerin dispersiyonu için kullanılan islemlerdendir. Bu sistemlerinuygulamaları üzerindeki bilgiler genellikle ampirik bilgilerdir. Nanopartiküllerinultrasonik ve yüksek basınçla dispersiyonu ve pratiktekiuygulamalarıyla ilgili esas parametreler hakkında ise yeterli bilgibulunmamaktadır.Bu çalısmada yapılan denemelerde nano boyuttaki silisyum dioksittozlarıyla hazırlanmıs çesitli konsantrasyonlarda sulu süspansiyonlarıkullanılmıstır. Ön-karıstırma islemine tabi tutulmus olan süspansiyonlaraultrasonik ve yüksek basınç sistemlerinde gerilim siddeti, basınç ve etkisüresi gibi proses parametrelerinin farklı varyasyonları kullanılaraksırasıyla 107 kJ/m3 ve 104 kJ/m3'lik seviyelere kadar spesifik enerji, Ev,uygulanmıstır.Yüksek basınç uygulamasında, asındırıcı nano-partiküllerin sebepoldugu asınma ve tahrip sorununu çözmek amacıyla ?yüksek basınç ileribesleme? adı verilen yeni bir sistem gelistirilmistir. Olusturulan yenisistem bir CFD yazılımı olan FLUENT yardımıyla simüle edilerekgelistirilmistir. Yüksek basınçla dispersiyon isleminin efektivitesi büyükoranda kullanılan nozılın yapısıyla ilgilidir çünkü olusan türbülanslar vekavitasyon nozıl geometrisine baglıdır. De-aglomerasyona sebep olanmekanizmalar göz önünde bulundurularak, gelistirilen spesifik nozılgeometrileri ile istenen dispersiyon verimliliginin saglanabilecegidüsünülmüstür. Bu amaçla, farklı nozıl geometrileri gelistirilmis vebunların dispersiyon islemii üzerindeki etkisi incelenmistir.Ultrason sisteminde partiküllerin sulu ortamda dispersiyonundakavitasyonun kontrol mekanizması oldugu kabul edilmistir. Yapılandenemeler sonucunda hem ortam hidrostatik basıncının, hem deultrasonun genlik degerinin kavitasyon olusumu ve siddeti üzerinde etkilioldugu tespit edilmistir. Ayrıca dispersiyon ortamının gaz içeriginin,kavitasyonun olusma olasılıgı üzerinde etkili bir parametre oldugubelirlenmistir. Ultrason deneyleri bu parametrelerin nano-partiküllerinde-aglomerasyonu üzerindeki etkisini aydınlatmak amacıylagerçeklestirilmistir.Ultrason sistemi kullanılarak elde edilen dispersiyonların ısıliletkenlik degerleri hot-wire metodu kullanılarak tespit edilmistir. Eldeedilen dispersiyonlarla yapılan ölçümlerde SiO2 dispersiyonlarının ısıliletkenlik degerlerininin partikül konsantrasyonuna göre degisimiincelenmistir. Isıl iletkenligin kütlesel konsantrasyondaki artısla birliktearttıgı tespit edilmistir.Anahtar sözcükler: Nano-partikül, dispersiyon, de-aglomerasyon,nano-akıskan, ısıl iletkenlik, ultrason, yüksekbasınç.

Abstract:
In most applications, nanoparticles are needed in a well-dispersedstate prior to commercialization. Conventional technology for dispersingparticles into liquids, however, usually is not sufficient, since thenanoparticles tend to form very strong agglomerates requiring extremelyhigh specific energy inputs in order to overcome the adhesive forces.Ultrasound and high pressure systems are the two among others ofproducing dispersion of nanoparticles. In spite of empirical knowledgeon the basic principles of these techniques, there is insufficientknowledge of ultrasonic and high pressure dispersion of nano-particlesand the main parameters of practical relevance.In this study, aqueous solutions of nano-scaled silicon dioxidepowder with a variable solid content were used. The pre-dispersedsolutions were stressed up to a specific energy Ev of 107 kJ/m3 inultrasound system and specific energy Ev of 104 in high pressure systemby variation of stress intensity, pressure and retention time.In case of high pressure treatment, a novel system named as ?highpressure post feeding? was developed to prevent abrasion conduced byabrasive nano-particles. Developed new system was improved by the aidof CFD software FLUENT. Additionaly, the dispersion result is stronglyaffected by the nozzle layout, since micro turbulences and cavitationdepend on nozzle geometry. Taking into account the influence ofdifferent mechanisms causing agglomerate disruption, specific variationsof the nozzle geometry can lead to a target improvement of the dispersionefficiency. Therefore, different nozzle geometries were developed, theireffect on the dispersion behavior was determined.In case of ultrasound system, dispersion of particles in aqueoussolution is considered to be controlled by cavitation. Both hydrostaticpressure of the medium and amplitude of the system influence theprobability and intensity of cavitation. Also gas content of the mediumwas investigated as an influential parameter on probability of cavitation.Ultrasound experiments were carried out to elucidate the effect of theseparameters on the result of particle de-agglomeration.Thermal conductivity values of the dispersions were measured bytransient hot-wire method. Thermal conductivity enhancement of SiO2dispersions as a function of particle concentration was determined and itwas investigated that thermal conductivity values of the dispersionsincrease with the increase in particle concentration.Key-words: Nano-particle, dispersion, de-agglomeration, nano-fluid,thermal conductivity, ultrasound, high pressure.