Droplet coalescence and breakage in reactive liquid-liquid extraction
Peltola, Rasmus (2017)
Diplomityö
Peltola, Rasmus
2017
Julkaisun pysyvä osoite on
https://urn.fi/URN:NBN:fi-fe201705166475
https://urn.fi/URN:NBN:fi-fe201705166475
Tiivistelmä
Literature survey on droplet coalescence and droplet breakage is presented in this study. Coalescence experiments were performed in a binary droplet system, in addition to single droplet kinetic extraction experiments. Droplet coalescence was simulated with COMSOL Multiphysics modelling software using the level-set method, and comparison of modelling and experimental results was performed. Image and video analysis program developed in MATLAB 2016a was used to analyse the obtained results. The program measures and calculates various droplet parameters such as droplet volumes, droplet concentrations and surface areas, among others. Droplet coalescence times, rest times, and formation times were measured manually from the recorded videos. Droplet rest times were compared for two different binary droplet systems: 20 volume percent Acorga M5640 in Exxsol D80 dispersed in 0.16 M ammonium sulfate and in 0.16 M copper sulfate, respectively. Former droplet rest time distribution was normally distributed, while the latter was normally distributed only when droplet rest times above 0.3 seconds were excluded from the results. The droplet rest time was reduced significantly when copper complex formation was taking place in the system: from average of 9.41 seconds with the continuous phase of 0.16 M ammonium sulfate to only 0.11 seconds with the 0.16 M copper sulfate. This was attributed to the formation of surface tension gradients caused by Marangoni effects. Droplet concentration analysis revealed both the sessile and pendant droplet concentrations just before the coalescence, and the concentrations of combined droplets after the coalescence. Concentrations of sessile and pendant droplets corresponded reasonably well with all phase combinations, while concentrations of combined droplets were lower than expected when compared to sessile and pendant droplet concentrations. Concentration difference analysis did not reveal enhanced mass transfer during a coalescence event within the detection limits of the used image analysis method. Single droplet kinetic extraction experiments were performed in order to determine the mass transfer rate of copper complex from the continuous phase into the dispersed phase as a function of time and to get a point of reference to the mass transfer rate in the coalescence experiments. Tässä työssä esitetään kirjallisuuskatsaus pisaran yhtymiseen ja hajoamiseen liittyen. Kokeelliseen osioon sisältyy kahden pisaran yhtymiskokeet sekä yhdellä pisaralla suoritetut kinetiikkakokeet. Pisaran yhtyminen simuloitiin COMSOL-ohjelmalla käyttäen Level-Set-menetelmää, ja saatuja tuloksia vertailtiin kokeellisiin tuloksiin. MATLAB-ohjelmalla kehitettyä kuva- ja videoanalyysimenetelmää sovellettiin saatujen kokeellisten tulosten analysoimiseen. Analyysiohjelma mittaa ja laskee lukuisia pisaraparametreja, kuten pisaratilavuuksia, pisarakonsentraatioita ja pinta-aloja. Pisaran yhtymisajat, lepoajat ja muodostumisajat määritettiin suoraan videoista. Pisaran lepoaikoja vertailtiin käyttäen kahta erilaista kemiallista systeemiä. Molemmissa oli dispergoituneena faasina 20 tilavuusprosenttinen Acorga M5640 liuos Exxsol D80 öljyyn laimennettuna, ja jatkuvana vesifaasina oli 0.16 molaarinen ammoniumsulfaatti sekä 0.16 molaarinen kuparisulfaatti. Ammoniumsulfaattia käytettäessä lepoajat olivat normaalijakautuneita, mutta kun vesifaasiksi vaihdettiin kuparisulfaatti, lepoajat noudattivat normaalijakaumaa ainoastaan jos yli 0.3 sekuntia kestävät lepoajat poistettiin tuloksista. Lepoajat lyhenivät huomattavasti kun systeemissä muodostui kuparikompleksia: keskimääräinen 9.41 sekunnin lepoaika ammoniumsulfaattia käytettäessä lyheni vain 0.11 sekunnin keskimääräiseen lepoaikaan kun jatkuvaksi faasiksi vaihdettiin kuparisulfaatti. Tämän oletettiin johtuvan pisaroihin muodostuvista pintajännitysgradienteista, jotka aiheutuvat niin sanotusta Marangoni-ilmiöstä. Pisarakonsentraatioanalyysilla saatiin selvitettyä molempien yhdistyvien pisaroiden konsentraatiot juuri ennen yhtymistä, sekä yhdistyneiden pisaroiden konsentraation juuri yhtymisen jälkeen. Pisarakonsentraatiot ennen yhtymistä olivat lähes saman suuruisia kaikissa koesarjoissa, mutta yhdistyneiden pisaroiden konsentraatiot olivat oletettua pienempiä kun niistä verrattiin konsentraatioihin ennen yhtymistä. Konsentraatioeroanalyysi osoitti, ettei aineensiirto tehostu pisaran yhtymisen aikana käytetyn kuva-analyysiohjelman mittaustarkkuuden puitteissa. Yhden pisaran kinetiikkakokeet suoritettiin, jotta kuparikompleksin aineensiirtoa jatkuvasta vesifaasista dispergoituneeseen orgaaniseen faasiin voitiin tutkia ajan funktiona. Lisäksi saatiin vertailukohta aineensiirtoon yhtymiskokeissa.