Naukowcy opisują, jak kontrolować łączenie mikrokropel
W urządzeniach mikrofluidycznych niewielkie, dobrze od siebie odseparowane krople płyną w strumieniu cieczy nośnej. Aby przeprowadzić reakcje chemiczne, wybrane mikrokrople trzeba czasami połączyć. Od niedawna próbuje się w tym celu stosować pole elektryczne. Naukowcy z Instytutu Chemii Fizycznej PAN ustalili, jak dobrać parametry tego pola, aby łączenie kropel przebiegało z największą efektywnością.
Drobne krople w emulsjach mogą łączyć się ze sobą znacznie szybciej w obecności zmiennego pola elektrycznego. Zjawisko, nazywane elektrokoalescencją, ma istotne znaczenie dla funkcjonowania nowoczesnych urządzeń mikroprzepływowych, pozwalających na prowadzenie reakcji chemicznych w kroplach objętości mikrolitrów i mniejszych. Badania przeprowadzone niedawno w Instytucie Chemii Fizycznej PAN (IChF PAN) pozwalają lepiej kontrolować proces elektrokoalescencji i optymalizować jego przebieg.
Elektrokoalescencja jest znana od ponad 100 lat. Pierwotnie stosowano ją w przemyśle naftowym. Nieoczyszczona ropa naftowa, wydobywana spod dna morskiego, zawiera istotne ilości wody w formie kropelek. Inżynierowie zauważyli, że krople te w obecności zmiennego pola elektrycznego szybko łączą się ze sobą i opadają na dno zbiornika, skąd wodę łatwo usunąć. „Kariera elektrokoalescencji zaczęła się nietypowo, od zastosowań na dużą skalę w przemyśle naftowym. W układach mikroprzepływowych dopiero od kilku lat wykorzystuje się to zjawisko”, mówi dr hab. Piotr Garstecki z IChF PAN.
Urządzenia mikroprzepływowe to miniaturowe reaktory chemiczne rozmiarów karty kredytowej. 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 zapewne 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. Cząsteczki surfaktantów składają się z części hydrofilowej (lubiącej wodę) i hydrofobowej (unikającej wody). Jeśli kropelka wody znajdzie się np. w oleju, surfaktant otacza ją w taki sposób, że części hydrofilowe są zanurzone w kropli, a hydrofobowe pozostają w oleju. „Pokryte surfaktantem kropelki wyglądają z zewnątrz jak zwinięte jeże i nie mają jak się ze sobą zetknąć. Ich stabilność zwiększa fakt, że fragmenty cząsteczek surfaktantu na zewnątrz kropel mają ładunek elektryczny tego samego znaku, a więc działają odpychająco”, wyjaśnia Szymborski.
Problemy pojawiają się, gdy w urządzeniu mikroprzepływowym trzeba połączyć dokładnie wybrane kropelki 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.
[hana-flv-player video="http://www.twojeinnowacje.pl/wp-content/uploads/2011/09/IChF110824b_mov02_0.flv" width="450" height="290" description="" player="1" autoload="true" autoplay="false" loop="false" autorewind="true" /]
Zaloguj się Logowanie