پژوهشگران مهندسی شیمی با بررسی رفتار شناورسازی توده‌های مجتمع نانوذرات اکسید نقره و با استفاده از شبیه‌سازی به کمک دینامیک سیالات محاسباتی، موفق به ارائه راهکارهای صنعتی کاهش میزان کلوخگی ذرات حین شناوری شدند.
طرح نیمه‌صنعتی تولید نانواکسیدهای فلزی معدنی
پژوهشگران مهندسی شیمی با بررسی رفتار شناورسازی توده‌های مجتمع نانوذرات اکسید نقره و با استفاده از شبیه‌سازی به کمک دینامیک سیالات محاسباتی، موفق به ارائه راهکارهای صنعتی کاهش میزان کلوخگی ذرات حین شناوری شدند. نتایج این طرح می‌تواند به‌طور گسترده‌ای در صنایعی همچون پتروشیمی، داروسازی، تولید پودرهای شیمیایی در مقیاس نیمه‌صنعتی و صنعتی، رنگ و سرامیک مورد استفاده قرار گیرد.
دکتر علیرضا بهرامیان عضو هیئت علمی گروه مهندسی شیمی دانشگاه صنعتی همدان در مورد این تحقیقات گفت: «بخش شبیه‌سازی این کار منتج از نتایج پایان نامه دانشجویی و بخش آزمایشات آن از طرح صنعتی مصوب اینجانب در پارک علم و فناوری همدان جهت تولید اکسیدهای فلزی معدنی در ابعاد میکرو و نانومتری به‌دست آمده است. البته جهت انجام برخی از آنالیزها از امکانات دانشگاه ایالتی باسک اسپانیا استفاده شده است.»
از جنبه‌های تجاری نانوذرات اغلب به یکی از روش‌های تبخیر در دمای بالا، رسوب دهی فاز بخار، روش‌های مکانیکی نظیر آسیاب و روش‌های فاز مایع یا کلوئید طی واکنش‌های شیمیایی تولید می‌شوند. تولید نانوذرات اکسید فلزی به کمک روش‌های شیمیایی نظیر سل-ژل و خشک کردن ذرات مرطوب به‌دست آمده بروش انجمادی یا شناورسازی ذرات صورت می‌گیرد. استفاده از تکنیک خشک کردن به روش انجمادی علاوه‌بر هزینه بالا، به‌دلیل محدودیت‌های عملیاتی امکان تولید محصول در مقیاس صنعتی را ندارد. در این کار شناورسازی نانوذرات اکسید نقره در یک بستر سیال مورد بررسی قرار گرفته است. از دیدگاه صنعتی استفاده از بسترهای سیال و تکنیک‌های مختلف آن جهت شناورسازی توده‌های مجتمع نانوذرات و ذرات زیر میکرون حائز اهمیت است.
بهرامیان افزود: «در این تحقیق ما به‌دنبال بررسی رفتار هیدرودینامیکی بسترهای حاوی چنین ذراتی بودیم. شبیه‌سازی بستر از دیدگاه هیدرودینامیکی این امکان را فراهم آورد تا در مواردی که امکان انجام آزمایشات تجربی روی بستر وجود نداشت بتوان اطلاعات مهمی از رفتار شناوری ذرات درون بستر به‌دست آورده و مناسب‌ترین شرایط عملیاتی جهت تولید محصول با حداقل میزان بهم چسبیدگی ذرات حین برخورد با یکدیگر را فراهم نمود.»
این تحقیقات با هدف بررسی رفتار شناورسازی توده‌های مجتمع نانوذرات اکسید نقره و راهکارهای کاهش میزان کلوخگی ذرات حین شناوری از دو دیدگاه آزمایشگاهی و شبیه‌سازی به کمک دینامیک سیالات محاسباتی انجام شده است. برای انجام این تحقیقات، در مرحله اول نانوذرات اکسید نقره تهیه شده از محلول شیمیایی با اندازه اولیه‌ای در حدود ۳۰ نانومتر وارد بستر شناور شده و با تزریق هوای گرم به بستر خشک شدند. با توجه به بروز پدیده نامطلوب کلوخگی حین خشک کردن و شناوری نانوذرات این ذرات به یکدیگر چسبیده و تشکیل توده‌های بزرگ تری می‌دهند که درنتیجه سبب افزایش ابعاد ذرات ثانویه به‌وجود آمده و کاهش خاصیت موثر آن‌ها می‌گردد. برای این منظور این محققان سعی کردند تا با بهبود پارامترهای هیدرودینامیکی بستر نظیر تخلخل، سرعت ورودی گاز، میزان پرشدگی اولیه، و طراحی هندسی بستر، میزان کلوخگی حین شناوری ذرات را تا حد ممکن پایین آورند.
بهرامیان در توضیح مرحله بعد، افزود: «در مرحله بعد شبیه‌سازی دینامیک سیالات محاسباتی (CFD) بر اساس نتایج به‌دست آمده از آزمایشات روی بستر انجام گرفت و انواع نیروهای موثر روی چسبندگی ذرات در محیط شبیه‌سازی مورد بررسی قرار گرفتند. در نهایت صحت مدل‌های به‌دست آمده با نتایج آزمایشگاهی مورد ارزیابی قرار گرفتند. این کار موجب می‌شود تا بتوان شکل هندسی و شرایط هیدرودینامیکی مناسب براییک بستر سیال را از مقیاس آزمایشگاهی به یک واحد صنعتی تعمیم داده و از نتایج طرح جهت تولید پودر اکسید نقره در مقیاس بالا و با حداقل میزان کلوخگی استفاده نمود.»
نانوذرات تولید شده به روش‌های شیمیایی به‌دلیل وجود پیوندهای بین مولکولی و درون مولکولی بشدت تمایل دارند تا به یکدیگر چسبیده و تشکیل توده‌های بزرگ تری را بدهند. این مساله موجب بزرگ شدن ابعاد ذرات نهایی و درنتیجه کاهش خواص مناسب نانوذرات می‌گردد. به همین علت، در این طرح سعی شده است تا با بهبود شرایط هیدرودینامیکی بستر بتوان ابعاد ذرات را در محدوده نانومتری حفظ نمود.
تعیین شرایط بهینه هیدرودینامیکی جهت کاهش میزان کلوخگی نانوذرات در مقیاس‌های آزمایشگاهی و شبیه‌سازی و ارزیابی مدل‌های هیدرودینامیکی موجود جهت بررسی رفتار شناوری توده‌های مجتمع حاوی نانوذرات اکسید نقره جهت کاربری نیمه‌صنعتی تولید پودرهای شیمیایی از مهمترین نتایج این طرح هستند.
نتایج اینکار تحقیقاتی که به دست دکتر علیرضا بهرامیان، هادی استادی (فارغ التحصیل رشته مهندسی شیمی در مقطع کارشناسی ارشد) و پرفسور مارتین الازار (عضو هیئت علمی دانشکده مهندسی شیمی دانشگاه ایالتی باسک اسپانیا) صورت گرفته است، در مجله Industrial Engineering Chemistry Reserch (جلد ۵۲، شماره ۲۲، ۱۰ ماه می‌سال ۲۰۱۳، صفحات ۷۵۶۹ الی ۷۵۷۸) منتشر شده است.
