INTELIGENT LIQUIDS - STUDY OF FERROFLUID PROPERTIES AND PRACTICAL SYNTHESIS METHOD.

       Ferrofluid are substance with very specific and unique physical properties that are the subject of much researches on the world. They use the strongest megnetyzm phenomenon. Unlike conventional liquids, ferrofluids at normal conditions are very good paramagnetic and they exhibit strong magnetic polarization in the external magnetic field.

    The publication discusses about the basic issues and concepts related to ferrofluids, the phenomenon of ferromagnetic and methods of preparation. It is also about basic physical and chemical properties and behavior ferrofluids in different environments.

INTELIGENTNE CIECZE – BADANIE WŁAŚCIWOŚCI FERROFLUIDÓW ORAZ PRAKTYCZNYCH METODY SYNTEZY.

1. WSTĘP

W obecnych czasach szybki rozwój technologii pociąga za sobą poszukiwanie nowych materiałów, które sprostają wymogom technologicznym.
Poszukuje się także nowych zastosowań materiałów znanych. Do takich należą np. ferromagnetyczne ciecze inteligentne.
W literaturze szeroko opisuje się wykorzystanie ferro fluidów w informatyce i medycynie, w nowych technologiach do produkcji głośników a nawet w technologii kosmicznej[1-7].

2. CZYM SĄ FERROFLUIDY ?

Ciekłe magnezy w naturze nie istnieją. Natomiast wszystkie magnetyczne substancje tracą swoje ferromagnetyczne właściwości powyżej punktu krytycznego, zwanego temperaturą Curie, który jest zawsze mniejszy od temperatury topnienia.
Magnetyczne ciecze  istnieją w formie zwanej ferro fluidem. Są to czarne ciecze, które mogą być manipulowane poprzez przyłożone zewnętrzne pole magnetyczne.
Ferrofluidy zawierają bardzo małe cząsteczki wielkości pomiędzy 1nm a 1 µm, które tworzą koloid w niemagnetycznym rozpuszczalniku (Rys.1).

Rys.1: Struktura cząsteczki Fe3O4 (po lewej) oraz cząsteczek Fe3O4 obtoczonych cząsteczkami kwasu oleinowego (po prawej) tworzącego ferrofluid.
Koloidy zazwyczaj łączą się poprzez siły Van der Wallsa , które są kompensowane przez siły odpychające, tworząc w ten sposób stablinie rozproszony koloid, w którym cząsteczki swobodnie się przemieszczają i obracają (Rys.2) [8].

Rys. 2: Przykład ferrofluidu tlenku żelaza bez pola magnetycznego (po lewej) oraz zachowaniu się cieczy w polu magnetycznej (po prawej).
Ferrofluid został po raz pierwszy odkryty przez NASA w 1960r. podczas badań kontroli cieczy w przestrzeni kosmicznej.

3. PODSTAWY ZJAWISK MAGNETYCZNYCH

3.1. FERROMAGNETYZM

Zjawisko, w których materiały wykazują spontaniczne namagnesowanie nosi nazwę Ferromagnetyzmu. Ferromagnetyzm jest wynikiem spontanicznego porządkowania się momentów magnetycznych w sposób równoległy.
Jest to jedna z najsilniejszych postaci magnetyzmu, która jest odpowiedzialna za większość magnetycznych zachowań spotykanych na co dzień. Zawiesina mikroskopijnych cząsteczek substancji ferromagnetycznej, takiej jak magnetyt, w cieczy nośnej np. rozpuszczalniku organicznym lub wodzie z dodatkiem surfaktantu, nosi nazwę ferrofluidu.

3.2. MATERIAŁY FERROMAGNETYCZNE

Materiały, które wykazują ferromagnetyzm nazywamy ferromagnetykami. Ich przedstawicielem są krystaliczne formy żelaza, kobaltu oraz niklu.
W tabeli 1 przedstawiono te materiały wraz z temperaturą Curie (K), w której tracą swoje niezwykłe właściwości.
Z tych i innych materiałów, możliwe jest utworzenie inteligentnych ferrocieczy.
Tabela 1: Zastosowanie krystalicznych materiałów ferromagnetycznych wraz z ich temperaturą Curie w Kelwinach [9].

Materiał ferromagn.    FeOFe2O3  NiOFe2O3 Fe   Ni      Co         Y3Fe5O12    CuOFe2O3  
Temperatura Curie (K) 858                858        1043   627      1388          560                 728


4. OTRZYMYWANIE FERROFUIDU– BADANIA WŁASNE

Ferrofluid jako substancją silnie reagującą na oddziaływanie magnetyczne jest możliwa do otrzymania na wiele różnych sposobów.
Różnica w otrzymywaniu tych cieczy zależy nie tylko od rodzaju użytego materiału ferromagnetycznego, ale także od rodzaju użytego związku obniżającego napięcie powierzchniowe tzw. Surfaktantu ( kwasu oleinowy lub cytrynowy, lecytyna itp.) oraz od rozpuszczalnika organicznego.

4.1 METODA OTRZYMYWANIA

Spośród wielu metod, jakie pojawiały się w Internecie i publikacjach naukowych wybrano tą, która była najekonomiczniejsza.
Odczynniki i sprzęt jaki użyto do syntezy:  kwas oleinowy, woda amoniakalna, chlorek żelaza (II),woda destylowana, nafta, wełna żelazna (materiał do polerowania ze sklepu budowlanego), silny magnes neodymowy, źródło ciepła, dwie zlewki, plastikowa strzykawka, filtr do kawy.
Za pomocą strzykawki odmierzono 10ml roztworu FeCl3 w wodzie destylowanej do szklanej zlewki i dodano 10ml wody destylowanej w celu zapobiegnięcia gwałtownej reakcji.
Podczas mieszania dodawano małymi porcjami wełny żelaznej do momentu, aż roztwór zabarwi się na kolor jasnozielony. Następnie przesączono go przez filtr do kawy w celu usunięcia żelaznych pozostałości. W ten sposób otrzymano roztwór żelaza II.
Następnym krokiem było dodanie 20ml roztworu FeCl3 do otrzymanego roztworu FeCl2.
Bardzo ważne jest zachowanie stosunków FeCl3 do FeCl2 2:1 moli, tak, że roztwór FeCl2 jest nierozcieńczony dwukrotnie w stosunku do wyjściowego).
Otrzymaną mieszaninę mieszano i dodano do niej 150ml wody amoniakalnej, która neutralizowała nadmiar HCl i spowodowała przeprowadzenie roztworów Fe (II i III) w Fe3O4.
Taki roztwór grzano do wrzenia w dobrze wentylowanym pomieszczeniu i dodano 5ml kwasu oleinowego nie zapominając o ciągłym mieszaniu. Grzanie powinno trwać do momentu zaniku charakterystycznego zapachu amoniaku ( ok. 1 godzina ).
Kwas oleinowy reaguje z amoniakiem tworząc oleinian amonu, który opada, w momencie zaniku amoniaku. Pamiętać trzeba, że kwas oleinowy jest odtwarzany podczas reakcji.
W roztworze zawieszone są cząsteczki ferro fluidu.
Układ ochłodzono , po czym dodano do niego 100ml nafty i mieszano do czasu, aż kolor czarny przejdzie z roztworu wodnego do warstwy organicznej-nafty tworząc w ten sposób dwie fazy.
Ostatnim krokiem było oddzielenie warstwy wodnej od organicznej (nafty).
Zgodnie z powyższym przepisem wykonano syntezę 3 krotnie z taką różnicą, że w pierwszym przypadku zamiast kwasu oleinowego użyto spożywczej oliwy z oliwek, natomiast w pozostałe dwa przykłady wykonano w ten sam sposób.

4.2 WNIOSKI  

W przypadku użycia oleju z oliwek otrzymano ciecz wrażliwą na zewnętrzne pole magnetyczne, lecz w odróżnieniu od pozostałych przypadków widoczna była aglomeracja cząsteczek magnetytu. Zjawisko to prawdopodobnie związane było ze zbyt późnym użyciem rozpuszczalnika organicznego oraz zbyt dużą ilością użytej wody, co spowodowało złączenie się i sedymentację drobin.
W pozostałych przypadkach otrzymaliśmy ferro ciecz o jednolitej, czarnej, lekko metalicznej fazie.
Wszystkie z otrzymanych ferrofluidów nie tworzyły wspaniałych powierzchni sieci geometrycznych wzorów jakich się spodziewano.
Przyczyną tego było duże zanieczyszczenie otrzymanego produktu naftą oraz różnica w proporcjach FeCl3 i FeCl2 , czasie grzania roztworu oraz otrzymanie FeCl2 z waty żelaznej, zamiast wykorzystanie czystego produktu.
Dalsze badania były oparte na dodatku różnych farmaceutyków do otrzymanej ferro cieczy i sprawdzenie, czy ów twór jest w stanie przenieśc badane substancje wraz ze swoją masą w sposób niezmieniony.
Do badań użyto: kwas salicylowy, ibuprofen, jabłczan kreatyny.
We wszystkich wyżej wymienionych przypadkach stwierdzono, iż zsyntezowane ferrofluidy są w stanie zabrać ze sobą masę tych substancji nie reagując z nimi.

5. ZASTOSOWANIE FERROFLUIDÓW

Zastosowań magnetycznych cieczy jest wiele. Większość z nich bazuje na specjalnych właściwościach tych substancji, które wykazują specyficzne zachowanie w zewnętrznym polu magnetycznym. W życiu codziennym występują one np. w głośnikach nowej generacji pełniąc funkcję tłumiącą szumy dźwięku oraz spełniając funkcje chłodziwa, w dyskach twardych komputera przeciwdziałają przegrzaniu [1,2,4].
Magnetyczne ciecze mają również zastosowanie w medycynie jako magnetycznie kontrolowane leczenie farmakologiczne selektywnie wybranych miejsc jak to jest w przypadku dozowania leków antykancerogennych  w chorobowo zmienionych miejscach [3].
Pojawiają się również wiadomości o zastosowaniu ferrofluidów w formie sieci przestrzennych częściowo poukładanych, jednorodnych koloidów magnetycznych, w przemyśle komputerowym jako nowoczesne nośniki danych [5,6].
Ciecz o tych właściwościach jest również używana przez wojsko do powlekania samolotów w celu uczynnienia ich niewidocznymi dla radarów w tzw. technologii Stealth.
NASA planuje również badania nad wykorzystaniem inteligentnych cieczy w kierowaniu ruchem astronautów w przestrzeni kosmicznej [7].
Referat pt. „Inteligentne ciecze – badanie właściwości ferro fluidów oraz praktyczne metody syntezy”- autorstwa Tomasza Miotka, został wygłoszony na XXXVII Sesji Studenckich Kół Naukowych Pionu Hutniczego AGH w Sekcji Techniki Ciplnej, Energetyki i Ochrony Środowiska oraz wyróżniony III nagrodą. Opiekun naukowy referatu: dr Monika Motak.

6. LITERATURA

[1] Berkovski B, Bashtovoy, V. 1996 Magnetic fluids and applications handbook (New York: Begel House Inc.).
[2] Charles S W and Popplewell J 1982 Endeavour, New Series 6 153.
[3] Lubbe A S, Alexiou, C., Bergemann, C. 2001 J. Surgical Research95 200.
[4] Rosensweig R E 1982 Scientific American 247(4), 136.
[5] Sun S, Murray C B, Well  D, Folks L and Moser A 2000 Science 287 1989.
[6] Stamm C, Marty F, Vaterlaus A, Weich V, Egger S, Maier U, Ramsperger U, Fuhrmann H and Pescia D 1998 Science 282 449.
[7] Lei Fu, Vinayak, P. Dravid, D. Lynn Jhnson: Self-assembled (SA) bilayer molecular coating on magnetic nanoparticles”.
[8] Rosensweig R E 1985 Ferrohydrodynamics (Cambridge: Cambridge Univesity Press).
[9] http://www.magnes-ferrytowy.eu/

WYMIENNIK CIEPŁA - HEAT EXCHANGER

Budowa i zastosowanie wymiennika ciepła 

Co to jest wymiennik ciepła ?

to urządzenie służące do wymiany energii cieplnej pomiędzy dwoma jej nośnikami, tj. substancjami będącymi wstanie ciekłym lub gazowym.

Wymienniki ciepła mogą mieć różną konstrukcję, lecz zwykle składają się z płyt lub długiej rury wykonanej z tworzywa będącego dobrym przewodnikiem ciepła. W celu powiększenia powierzchni wymiany ciepła, wymiennik może być wyposażony w ożebrowanie

Moduł odzysku energii, którego zasada działania opiera się na wykorzystaniu wymiennika ciepła olej/woda.

Jeśli celem wymiennika ciepła jest schłodzenie płynu roboczego, nazywa się go chłodnicą. Jeśli ogrzanie płynu roboczego – nagrzewnicą.

Moja wizualizacja wymiennika ciepła.

           Na stworzonym filmiku przedstawiłem model wymiennika ciepła. W środku tego zbiornika znajdują się ściśle upakowane metalowe rurki wykonane z materiału o dobrych właściwościach przewodzenia ciepła, które dzięki swojej powierzchni skutecznie wymieniają energię cieplną z czynnika grzewczego do czynnika chłodniczego. Rurki umieszczone są w układzie heksagonalnym. W przestrzeni rurowej nie zainstalowano przegród segmentowych. 

Obliczeniowo

 Przykładowe realizowane projekty

        Oblicz współczynnik wnikania ciepła dla benzyny ochładzanej w ilości 20 kg/s, w przestrzeni międzyrurowej wymiennika ciepła. Średnia temperatura benzyny wynosi 40st.C. Rurki w ilości 110, o średnicy zewnętrznej 38 mm, są ułożone w układzie heksagonalnym co 50 mm. W przestrzeni międzyrurowej zainstalowano przegrody segmentowe co 0,3 m. Własności fizyczne benzyny w temperaturze 40 st. C są następujące:   c=1840 J/(kg*K), lambda L = 0,129 W / (m*K), ni u = 0,333 * 10^-3 kg*(m*s).