Effect of pH on particle agglomeration and radiative transfer in nanoparticle suspensions

Nanopartikül süspansiyonlar (NPS) 100 nm den küçük nano-parçacıkların bir baz sıvı içersinde katı-sıvı olarak bulundukları karışımlardır. NPS termal ve optik özelliklerinden dolayı farklı termal sistemler de termal verimliliği artırmak için yaygınca kullanılır. Solar termal sistemler nonopartükel süspansiyonların en çok kullanıldığı sistemlerdir. Bu sistemlerinin verimliliği, güneş enerjisinin system sıvısı tarafından en çok emilmesi (absorb edilmesi) ile ölçülür. Foto-termal enerji çevrimine ilaveten, nanopartikül süspansiyonlar, kaplamalarda ve boyalarda da optik ve spektral özelliklerden dolayı, esas olarak nesnelerin görünümünü iyileştirimek amacıyla, önemli bir rol oynarlar. Öte yandan, nanopartikül süspansiyonların uzun süreli kullanımı ve stabilitesiyle ile ilgili sorunları vardır. Nanopartikül topaklaşması, kullanımı esnasında en çok görülen problemlerden birisidir. NPS kullanım aşamasında, pH değerlerindeki değişiklikler partikül topaklaşması, nanopartikül stabilitesi ve optik özelliklerini etkiler. Bu nedenlerle, NPS sistemlerinde pH değerini değiştirerek ışınımla ısı transferini etkilemek mümkündür.. NPS stabiletesi için kullanılan metodlar arasında elektrostatik ve sterik stabilizasyon metodlari vardır. Termal uygulamalarda ve bilhassa yüksek ısı uygulamalarında elektrostatik stabilizasyon daha çok tercih edilir. Bu tez süresince, aynı tür (su/TiO_2 ve su/〖 Al〗_2 O_3) ve hibrid (su/TiO_2+Al_2 O_3) nanopartikül süspansiyonların stabilitelerini ve optik özelliklerini hem deneysel hem de sayısal olarak çalışılmıştır. Deneysel bölüm, nanopartiküllerin hazırlanışı, karakteristikleri ve optik özelliklerinin ölçümünü içerir. Bu amaçla, topaklaşmadan kaynaklanan partikül büyümesinin elektrostatik stabilizasyonu (pH ve zeta potansiyel değerleri) araştırılmıştır. Dinamik ışık saçılması tekniğiyle (DLS) partikül boyut dağılımı ve ortalama (efektif) partikül boyutu farklı şartlarda (pH ve partikül hacim fraksiyonu) ölçülmüştür. Farklı partikül topaklaşmasının etkileri, farklı ph değerlerine bağlı olarak irdelenmiştir. Ayrıca, partikül-partikül arası mesafe bağlantısı ile farklı partikül tiplerinin dalga boylarına oranlarının optik özelliklerine etkisi de incelenmiştir. Partikül topaklaşma efektleri (benzer ve benzemeyen partikül topaklaşmaları), partikül boyut dağılımı ve bu nanopartikül süspansiyonların dağılım katsayı faktörlerinin katkısı UV-Vis spektroskopy tekniği kullanılarak bulunmuştur. Sayısal çalışmada ise, ışınımla ısı transferi hesaplamaları için optik ve ışınımsal özelliklerin değerlendirilmesini ve termal radyasyon transferlerini deneysel kısımdan elde edilen ortalama verilere göre değerlendirilmiştir. Emilme, soğrulma, ve saçınlanma özellikleri Lorenz-Mie teorisinin "single scattering approximation" tekniğine göre değerlendirilmiştir. Nanopartikül süspansiyonlarındaki termal ışınımsal ısı transferi "discrete ordinate" metoduyla çözülmüştür; burada volumetrik ışınımla ısı transferi akısı hesaplanmıştır. Sonuçlar, nanopartiküllerin pH değerleri değiştirilerek aynı tür ve hibrid süspansiyonlarda topaklanmanın önlenebileceğini ve stabil olabileceklerini göstermiştir. Burada özellikle UV-Vis spektrumunda ve solar spektrumdan kaynaklanan ışınımla ısı transferi olgusunun belirgin bir etkisi olduğu gözlemlenmiştir. Aynı tür ve hibrid nanopartikül süspansiyonların pH değerlerine göre bağımlı ve bağımsız saçılmalarının (dependent/independent scattering) farklı sınırları da ayrıca çalışılmıştır. Bu sınırlar iki durum içinde irdelenmiş, ve partikül topaklaşmalı ile topaklaşmamış halleri açıklanmıştır. Partiküllerin topaklaşma büyüklüklerine göre ışınımla ısı transferine büyük bir etkisi olduğu saptanmıştır. Bu sonuçlara göre, pH değerinin değiştirerek nanopartikül süspansiyonlarının stabiletelerini ve topaklaşmalarını etkileyebilecek çalışmalar mümkündür. Spesifik uygulamalarda, NPS optik özellikleri, nanopartiküllerin isoelektrik noktasının pH değerinin ayarlanması ile değiştirilebilmektedir. Bu gözlemler, tasarımsal olarak yeni NPS oluşturulmasına ve etkin kullanımlarına yardım edecek çok önemli bulgulardır.