بررسی چگونگی تشکیل نانوکلوخه متخلخل تیتانیوم اکسید شناور در بستر سیال مخروطی و ارزیابی ویژگی های فیزیکی و مکانیکی آن

در این پژوهش به بررسی رفتار هیدرودینامیکی بستر سیال مخروطی دارای نانوذره‌های تیتانیوم اکسید Aeroxide P25 (TiO2) آب دوست موقع شناورسازی و مطالعه نظری مکانیک تماس نانوذره‌ها و چگونگی تشکیل کلوخه های متخلخل پرداخته شد. نانوذره‌های تیتانیوم اکسید با قطر اولیه nm 21 در یک بستر آزمایشگاهی توسط دو جریان گاز نیتروژن و هوا در سرعت های ظاهری گوناگون شناور شدند. اندازه کلوخه ها در زمان شناوری توسط تصویربرداری برخط لیزری و پس از شناوری به کمک میکروسکوپ پراش الکترونی (SEM) در بازه μm 200-40 تعیین شد. تصویرهای لیزر نشان داد میانگین قطر کلوخه های شناور شده با گاز نیتروژن و هوا به ترتیب برابر 112 و μm 131 بود، در حالی که متوسط اندازه کلوخه های پیچیده در پایان شناوری بستر با گاز نیتروژن و هوا توسط SEM به ترتیب 75 و mµ 95 تعیین شد. آنالیز دیتامیکی بستر نشان داد اندازه کلوخه های پایانی به شدت تابع زمان شناورسازی آن‌ها است. به دلیل وجود نیروهای جاذبه قوی بین نانوذره ‎ها، اندازه کلوخه های اولیه تشکیل شده در بازه تقریبی μm 220-180 قرار گرفت که با ادامه روند سیالیت، ذره‌های شکسته شده و کلوخه هایی در بازه μm 145-100 تشکیل می شوند. همچنین تاثیر سایر پارامترهای عملیاتی مانند سرعت جریان گاز و میزان پرشدگی اولیه بستر در چگونگی تشکیل کلوخه ها مورد بررسی قرارگرفت. نیروی کشسانی کلوخه های به دست آمده با استفاده از میکروسکوپ نیروی اتمی و منحنی تنش-کرنش اندازه گیری شد. مدول یانگ با برازش منحنی نیرو-جابه جایی، kPa 144 محاسبه شد که نتیجه‌های به دست آمده با نتیجه مدل هرتز (kPa 141) همخوانی داشت. نتیجه‌های آزمون تعیین کرویت ذره‌ها نشان داد افزایش سرعت جریان گاز و استفاده از هوا به عنوان سیال شناورسازی می توانند به طور جزیی موجب افزایش میانگین کرویت کلوخه ها شوند (86/0-82/0). طبق آزمایش‌ها زمان شناوری سازی تاثیر زیادی بر کاهش میزان کرویت ذره ‎ها داشت (77/0-58/0) که متاثر از پدیده شکست کلوخه های درشت در زمان شناوری و تشکیل کلوخه هایی با لبه های تیز بود. اندازه گیری مدول یانگ نشان داد که کلوخه های تشکیل شده اولیه بسیار شکننده بوده و دارای تخلخل سطحی بالای %80 هستند، در حالی که تخلخل کلوخه های پایانی کم تر از %50 بوده و بیش تر دارای سطحی به نسبت صاف هستند. این نتیجه‌ها با داده های به دست آمده از مرجع‌ها برای ذره‌های آب دوست تیتانیا همخوانی خوبی دارد.