Łączenie mikrokropel za pomocą pola elektrycznego

Łączenie mikrokropel za pomocą pola elektrycznego

Naukowcy z Instytutu Chemii Fizycznej PAN pracują nad wykorzystaniem pola elektrycznego do łączenia mikrokropel co ma ogromne znaczenie w projektowaniu urządzeń mikromikroprzepływowych. Na dzień dzisiejszy ustalono, jak dobrać parametry tego pola, aby łączenie kropel przebiegało z największą efektywnością.

Urządzenia mikroprzepływowe to miniaturowe reaktory chemiczne, gdzie reakcje chemiczne zachodzą we wnętrzach kropel, znajdujących się w neutralnej cieczy przepływającej wzdłuż odpowiednio zaprojektowanych kanalików. Objętości kropel wynoszą obecnie ok. mikrolitra, a w przyszłości zostaną zredukowane nawet do pikolitrów.

"Podstawowym problemem w technikach mikroprzepływowych jest stabilność kropel. Aby były one trwałe, otacza się je surfaktantem, czyli substancją powierzchniowo czynną", tłumaczy doktorant Tomasz Szymborski z Instytutu Chemii Fizycznej PAN. Niestety stabilne krople nie łączą się ze sobą uniemożliwiając również połączenie różnych reagentów w celu przeprowadzenia reakcji chemicznej. Od niedawna stosuje się w tym celu pole elektryczne. Elektrokoalescencja jest jednak znana z zastosowań przemysłowych, zachodzących w skali makro. Z tego powodu naukowcy z IChF PAN postanowili sprawdzić, jak łączenie się kropel w układów mikroprzepływowych zależy od parametrów pola elektrycznego.

W badaniach obserwowano łączenie się mikrokropel wody w cieczy nośnej, którą był heksadekan. Kropelki łączyły się tym szybciej, im większe było przyłożone napięcie i im większa częstotliwość drgań pola elektrycznego. Jednak dla każdej wartości napięcia zawsze istniała graniczna częstotliwość, powyżej której mikrokrople znów stawały się stabilne. "Pokazaliśmy, że proces łączenia przebiega najszybciej, gdy pole elektryczne oscyluje z częstotliwością zbliżoną do progowej i znaleźliśmy prostą zależność pozwalającą szybko oszacować jej wartość", mówi Szymborski. Gwałtowne łączenie się kropel jest związane m.in. z wymuszanym przez zmienne pole elektryczne periodycznym ruchem zawartych w nich jonów. Jony separują się na granicy kropli i oleju, ładując ją elektrycznie. Różnoimiennie naładowane krople silnie się przyciągają, co prowadzi do ich łączenia mimo obecności stabilizujących surfaktantów.

Dane zebrane w IChF PAN pomogą w praktycznym optymalizowaniu procesów z udziałem elektrokoalescencji, zarówno w urządzeniach mikroprzepływowych jak i w instalacjach przemysłowych. Wyniki ułatwią też sformułowanie uniwersalnych praw opisujących efektywność przebiegu elektrokoalescencji w układach nierównowagowych, takich jak przepływające ciecze.

Badania przeprowadzono w ramach grantu Team Fundacji na rzecz Nauki Polskiej i programu Iuventus-Plus Ministerstwa Nauki i Szkolnictwa Wyższego.

O IChF PAN

Instytut Chemii Fizycznej Polskiej Akademii Nauk (http://www.ichf.edu.pl/) został powołany w 1955 roku jako jeden z pierwszych instytutów chemicznych PAN. Profil naukowy Instytutu jest silnie powiązany z najnowszymi światowymi kierunkami rozwoju chemii fizycznej i fizyki chemicznej. Badania naukowe są prowadzone w 9 zakładach naukowych. Działający w ramach Instytutu Zakład Doświadczalny CHEMIPAN wdraża, produkuje i komercjalizuje specjalistyczne związki chemiczne do zastosowań m.in. w rolnictwie i farmacji. Instytut publikuje około 200 oryginalnych prac badawczych rocznie.

(pj)