Comparative Study of The Solubility of DMF in Silicone Oil for Use in a Droplet-Based Microfluidic System Towards Synthesis of MOF Nanoparticles
Tezin Türü: Yüksek Lisans
Tezin Yürütüldüğü Kurum: Hacettepe Üniversitesi, Fen Bilimleri Enstitüsü, Kimya Mühendisliği A.B.D., Türkiye
Tezin Onay Tarihi: 2023
Tezin Dili: İngilizce
Öğrenci: GAYE KORKMAZ
Danışman: Selis Önel Kayran
Açık Arşiv Koleksiyonu: AVESİS Açık Erişim Koleksiyonu
Özet:Metal organik çerçeve (MOF) yapısına sahip geliştirilmiş adsorpsiyon kapasitelerine gösteren nanopartiküllerin sentezi, yüksek sıcaklıklarda birden fazla özelliğe sahip solventlerle hazırlanan aşırı doymuş çözeltilerin kullanılmasını gerektirir. N,n-dimetilformamid (DMF), metal tuzları ve organik ligandlar için yüksek çözme yeteneğine sahiptir, ve yüksek sıcaklıklarda termal stabilitesi yüksektir. Bu özellikleri sebebiyle MOF yapısına sahip nanopartiküllerin sentezinde yaygın olarak kullanılan bir çözücüdür. MOF parçacıklarının sentezi genellikle geleneksel ısıtma sistemlerini kullanan geleneksel kesikli reaktörlerde, yüksek sıcaklıklarda hidrotermal ve/veya solvotermal yöntemler kullanılarak gerçekleştirilir. Daha küçük miktarlarda çözeltinin kullanılmasını sağlayan tek veya iki fazlı mikroakışkan sistemler veya çözeltinin aktıkça hızla ısıtılmasını sağlayan mikrodalga sistemleri, daha düzgün daha küçük parçacıklar sağlayan ve sentez sürelerini azaltan umut verici yöntemler haline gelmiştir. Çözeltinin iki fazlı süspansiyonlarda veya taşıyıcı faz olarak bir yağın kullanıldığı iki fazlı mikroakışkan sistemlerde kullanıldığı durumlarda solventin çözünürlüğü kritik bir faktördür. Silikon yağı (Polidimetilsiloksan, DMF ile hemen hemen karışmayan, polar olmayan hidrofobik bir maddedir ve sıklıkla iki fazlı damlacık mikroakışkanlarda taşıyıcı akışkan olarak kullanılır. Süspansiyon sistemlerinde yüzey gerilimi veya konvektif kuvvetler nedeniyle solventin taşıyıcı yağ fazında çözünmesinin teşvik edilmesi, ve akışlı sistemlerde ve mikro ölçekte daha da artması ciddi bir sorun oluşturmaktadır. Damlacık fazı ile sürekli faz arasında meydana gelebilecek herhangi bir kütle transferi, damlacıklardaki öncül çözeltinin konsantrasyonunu ve buna bağlı olarak nihai ürünün kalitesini değiştirir. Bu, iki faz arasındaki kütle aktarımının engellenmesi veya başlangıç öncül çözeltisindeki olası kütle kaybının telafi edilmesi yoluyla yönetilmesi gereken istenmeyen bir durumdur. Bu tezde, DMF'nin farklı viskozitelerdeki (100 cSt, 500 cSt ve 1000 cSt) silikon yağlarındaki çözünürlüğünü hem mikro hem de makro ölçekte, çeşitli sıcaklıklarda, 25 °C, 50°C, 75°C ve 100°C, akış etkisinin olduğu ve olmadığı durumlarda araştırmak için karşılaştırmalı bir çalışma yaptık. İki faz arasındaki olası herhangi bir difüzyon, yağ fazıyla birlikte akan asılı eş boyutlu damlacıkların pikolitre reaktör olarak kullanıldığı iki fazlı mikroakışkan sistemlerde sentez süresini ve nihai ürünlerin kalitesini etkileyebilir. DMF ve silikon yağının bir arada kullanıldığı mikroakışkan sistemlerde gerçekleştirilen MOF sentezi çalışmalarında, mikroakışkan kanalların opak kılcal tüplerden oluşması nedeniyle şu ana kadar böyle bir sorun dile getirilmemiştir. Bu tür sistemler, damlacıkların oluşumundan başlayarak parçacıkların oluşumuna kadar olan tüm sürecin optik mikroskopta gözlemlenmesine olanak sağlamamaktadır. Bu çalışmada kullanılan şeffaf mikroakışkan cihazlar, damlacıkların küçülmesinin mikroskopta gözlemlenmesine olanak sağlamıştır. Damlacık bazlı mikroakışkan sistemin damlacık fazından yağ fazına doğru gerçekleşen kütle transferi üzerindeki etkilerini tanımlamak için, üç farklı sistem kullanarak DMF'nin silikon yağındaki çözünürlüğünü makro ve mikro ölçeklerde ve sabit ve akış koşulları altında karşılaştırdık: 1. Durgun makro ölçekli sistem, 2. durgun mikro ölçekli sistem ve 3. mikroakışkan sistem. Durgun ve akış koşullarını kullanarak makro ve mikro ölçeklerde elde edilen sonuçları karşılaştırdık ve deneysel ortamın ölçeğinin ve konvektif etkilerin kütle transferini nasıl etkilediğini tartıştık. Durgun makro sistemde yapılan deneyler sıcaklık artışının kütle transferini arttırdığını göstermiştir. Silikon yağı viskozitesinin değişimi makro ölçekte kütle transferini belirgin bir şekilde değiştirmemiştir. Durgun mikro ölçekte gerçekleştirilen deneylerde sıcaklık artışının kütle transferini arttırmasının yanında DMF damlacıkları en çok en küçük viskoziteye sahip silikon yağı içinde küçülmüştür. Viskozitenin artışı ise tüm sıcaklıklarda DMF ile silikon yapı arasındaki kütle transferinin azalmasını sağlamıştır. Mikroakışkan sistem deneyleri, durgun sistemde makro ve mikro sistemde yapılan deney sonuçlarına benzer olarak, sıcaklık artışının kütle transferini arttırdığını göstermiştir. Her bir sıcaklık için silikon yağı viskozitesinin değişimi ise yine kütle transferinde belirgin bir değişikliğe sebep olmamıştır. Üç farklı deney ortamını kıyasladığımız zaman ise daha küçük ölçeklerde akış koşulları altında çözünürlüğün arttığını gösterdik. Birim zamanda birim yüzeyden gerçekleşen kütle transferinin en az makro ölçekte 25 °C'de 100 cSt'lik yağ içinde, en fazla mikroakışkan sistemde 100 °C'de yine 100 cSt'lik yağ içinde gerçekleştiğini gösterdik. Her iki ölçekte, durgun ve akış koşullarında toplamda üç deney ortamında gerçekleştirilen deney sonuçları sıcaklık artışının kütle transferini arttırdığını göstermiştir.