1
UNIVERSITATEA DE VEST DIN TIMIŞOARA
INSTITUTUL DE STUDII DOCTORALE
Şcoala Doctorală – Fizică
TEZĂ DE DOCTORAT
COORDONATOR STIINTIFIC:
Prof. univ. dr. IOSIF MĂLĂESCU
Doctorand:
VICTORIA- RALUCA POENARU (GIUGIULAN)
TIMIŞOARA
2014
2
UNIVERSITATEA DE VEST DIN TIMIŞOARA
INSTITUTUL DE STUDII DOCTORALE
Şcoala Doctorală – Fizică
CERCETĂRI PRIVIND REDUCEREA EMISIILOR
DE NANOPARTICULE REZULTATE DIN
ARDEREA DEȘEURILOR PRIN UTILIZAREA
DIELECTROFOREZEI
Această lucrare este rezultatul proiectului „PN-II-ID-PCE-2011-3-0762, nr. 175/25.10.2011 „Reducerea
emisiilor de nanoparticule prin optimizarea proceselor de filtrare a gazelor reziduale de ardere” in
perioada octombrie2011 – octombrie 2014
Timişoara
2014
3
CUPRINS………………………………………………………………………………...3
INTRODUCERE……………………………………..………………………..…....…...9
CAPITOLUL I
TEHNOLOGII ȘI INSTALAȚII DE INCINERARE A DEȘEURILOR. PROCESE
DE SEPARERE …………………..………………………………………....................13
1.1.Generalități…………….…………...……………….......................................13
1.1.1 Clasificarea deşeurilor........................................................................13
1.1.2 Impactul deşeurilor asupra mediului şi sănătăţii populaţiei ..............16
1.2. Tehnologii și instalații de incinerare...............................................................17
1.2.1 Tehnologia arderii …………………………………........................18
1.2.2 Tipuri de cuptoare primare de incinerare..........................................23
1.2.2.1 Cuptoare rotative………………….....................................23
1.2.2.2 Cuptoare cu grătare mobile..............................................25
1.2.2.3 Cuptore cu strat fluidizat ................................................26
1.2.2.4 Cuptoare cu radiaţii infraroşii.........................................27
1.2.2.5 Cuptoare cu injecţie de lichid...........................................28
1.2.3 Descrierea instalației Pro Air Clean Timișoara…............................28
1.3. Procese de separare……………………………….........................................29
1.3.1 Clasificare.........................................................................................29
1.3.2 Legi de bază utilizate în teoria separării..................................31
1.3.3 Mărimi caracteristice procesului de separare ..................................33
CAPITOLUL II
SUSPENSII DE PARTICULE NANOMETRICE ÎN MEDII FLUIDE.
DIELECTROFOREZA...................................................................................................36
2.1. Noțiuni de dinamica fluidelor.........................................................................36
2.1.1 Ecuaţia Navier- Stokes......................................................................36
2.1.2 Forțe de acțiune hidrodinamică ........................................................38
2.2. Dielectroforeza...............................................................................................41
4
2.3. Proprietăți dielectrice ale suspensiilor de particule nanometrice...................45
2.3.1 Permitivitate dielectrică, cazul static...............................................45
2.3.2 Permitivitate dielectrică, cazul dinamic...........................................51
2.3.3 Procese de relaxare..........................................................................53
2.4. Modele teoretice pentru amestecuri de dielectrici........................................54
2.4.1 Modele de aproximaţie efectivă de mediu (EMA – Effective
Medium Approximation).......................................................................................54
2.4.2 Modelul Maxwell-Wagner...............................................................56
2.4.3 Modele diferenţiale (modelul Maxwell-Wagner-Bruggeman-Hanai -
MWBH).................................................................................................................57
CAPITOLUL III
METODE DE CARACTERIZARE A NANOPARTICULELOR REZULTATE DIN
ARDEREA DEȘEURILOR............................................................................................60
3.1. Metoda NTA (Nanoparticle Tracking Analysis)............................................61
3.2. Spectrometria de absorbție atomică................................................................63
3.3. Microscopia electronică de baleiaj (SEM/Spectrometru cu energie dispersivă
de raze X (EDAX).................................................................................................65
3.4. Difracția de raze X..........................................................................................67
3.5. Metoda capacitivă. Metoda condensatorului plan-paralel..............................70
CAPITOLUL IV
REZULTATE EXPERIMENTALE..............................................................................75
4.1. Analiza structurală a particulelor de cenușă emise la incineratorul
ProAirClean Timișoara .........................................................................................75
4.1.1 Determinarea compoziției chimice a probelor..................................76
4.1.2 Analize dimensionale cu microscopul NanoSight LM 10................79
4.1.3 Analiza structurală prin difracție cu radiații X.................................85
5
4.1.4 Caracterizarea morfologică a probelor prin microscopia electronică
de baleiaj (SEM) şi analiza elementală a acestora prin spectroscopie de raze X
prin dispersie de energie (EDX)............................................................................87
4.2. Analiza comportării dielectrice a particulelor de cenușă rezultată din arderea
deșeurilor ..............................................................................................................89
4.2.1 Efectul fracției volumice și a mediului de dispersie asupra
factorului Clausius-Mossotti..................................................................................90
4.2.1.1 Concluzii..........................................................................98
4.2.2 Metodă propusă pentru evaluarea polarizabilității electrice efective
a nanoparticulelor din probele de cenușă...............................................................99
4.2.2.1 Introducere.......................................................................99
4.2.2.2 Probe și aranjamentul experimental................................99
4.2.2.3 Modelul teoretic al polarizabilității...............................101
4.2.2.4 Rezultate experimentale și discuții..................................104
4.2.2.5 Concluzii.........................................................................108
CAPITOLUL V
MODELAREA MATEMATICĂ ȘI SIMULAREA NUMERICĂ A
COMPORTAMENTULUI SUSPENSIILOR DE NANO-MICRO PARTICULE DE
CENUȘĂ.........................................................................................................................110
5.1. Construirea modelului matematic.................................................................110
5.2. Implementarea numerică a modelului matematic.........................................114
5.3. Studiu numeric asupra mobilității și ratei de dispersie a nanoparticulelor
aflate în mediu fluid atunci când sunt supuse acțiunii câmpului electric pentru a fi
reținute sau separate.............................................................................................115
5.4. Studiul influenței vitezei de curgere asupra distribuției nanoparticulelor într-
un dispozitiv microfluidic....................................................................................119
5.5. Determinarea câmpurilor de concentrație ale suspensiilor de nanoparticule în
dispozitivul de filtrare microfluidic, analiza prin mărimi specifice a unui proces de
separare................................................................................................................121
5.6. Influența parametrilor asupra traiectoriilor particulelor...............................127
5.7. Proiectarea și realizarea unui dispozitiv experimental..................................128
6
CONCLUZII GENERALE……………………………………………………...........130
BIBLIOGRAFIE…………………………………………………………...….............133
ANEXA………………………………………………………………………...............142
7
MULŢUMIRI
Doresc să aduc pe această cale mulţumirile ce se impun a fi aduse tuturor celor
care m-au îndrumat şi sprijint în realizarea acestei teze de doctorat.
În primul rând doresc să îi aduc cele mai distinse aprecieri domnului Prof.Univ.
Dr. Iosif Mălăescu, cel care m-a îndrumat ca şi conducător ştiinţific în realizarea tezei
mele de doctorat. Fără dicuţiile şi sfaturile sale fructoase, nu aş fi putut duce la bun sfârşit
această lucrare.
De asemenea, doresc să aduc cuvinte de mulţumire şi domnului Conf.Univ.Dr
Mihail Lungu care m-a sprijinit și acceptat în cadrul proiectului de cercetare „PN-II-ID-
PCE-2011-3-0762, nr. 175/25.10.2011 „Reducerea emisiilor de nanoparticule prin
optimizarea proceselor de filtrare a gazelor reziduale de ardere” în perioada octombrie
2011 – octombrie 2014.
Doresc să le mulțumesc și distinșilor profesori din cadrul comisiei de îndrumare:
Conf.Univ.Dr. Mădălin Bunoiu și Conf.Univ.Dr. Adrian Neculae, ale căror sugestii,
idei şi completări, pe întregul parcus al studiilor mele doctorale au fost deosebit de utile.
Imi exprim cea mai caldă recunoştinţă faţă de compania SC Pro Air Clean
Ecologic SA, pentru sprijinul adus în oferirea probelor de cenușă şi caracterizarea lor din
punct de vedere chimic.
Totodată le mulţumesc doamnei CS dr. fiz. Paula Sfîrloagă, din cadrul
“INSTITUTUL NAȚIONAL DE CERCETARE – DEZVOLTARE
PENTRU ELECTROCHIMIE ȘI MATERIE CONDENSATĂ (I.N.C.E.M.C.)”,
Timişoara, pentru ajutorul acordat în caracaterizarea morfologică prin microscopia
electronică de baleiaj (SEM) şi analiza elementală prin spectroscopie de raze X prin
dispersie de energie (EDX) a probelor; și domnului lect. dr. Paul Barvinschi, din cadrul
“LABORATORULUI PENTRU DETERMINĂRI CRISTALOGRAFICE PE CORP
SOLID (LDCCS)” de la Facultatea de Fizică din cadrul Universităţii de Vest din
Timişoara, pentru ajutorul acordat în analiza prin difracţie de raze X a probelor de
cenușă.
8
Nu în ultimul rând, trebuie menţionat faptul că această lucrare este rezultatul
proiectului: „PN-II-ID-PCE-2011-3-0762, nr. 175/25.10.2011 „Reducerea emisiilor de
nanoparticule prin optimizarea proceselor de filtrare a gazelor reziduale de ardere” în
perioada octombrie 2011 – octombrie 2014. Fără sprijinul acestui proiect, dificultăţiile
realizării acestei teze de doctorat ar fi fost infinit mai mari.
9
INTRODUCERE
Lucrarea de faţă tratează studiul dinamicii suspensiilor de particule nanometrice
în medii fluide sub acțiunea câmpului electric neuniform în scopul reducerii emisiilor de
nanoparticule prin optimizarea proceselor de filtrare a gazelor reziduale de ardere.
Având în vedere faptul că particulele nanometrice reprezintă un subiect de interes
deosebit în ultimele două decenii de cercetare ştiinţifică. Pe plan mondial se evidenţiază
tot mai stringent problema efectului dăunător al nanopulberilor (< 100 nm), care odată
inhalate, ajung foarte rapid în sânge şi nu pot fi eliminate, deoarece celulele macrofage nu
le pot identifica.
Cercetări recente au arătat că dacă un material brut nu este periculos, acesta poate
deveni toxic dacă este sub formă de nanoparticule. Din punct de vedere al sănătăţii
publice în afară de compoziţia particulelor este foarte importantă şi mărimea lor. Acestea
odată inhalate pot produce radicali liberi, pot deteriora ADN-ul şi altera genele, factori
care pot creşte probabilitatea producerii cancerului; ele afectează celulele de apărare
macrofage şi pot trece foarte uşor în circuitul sangvin, penetrând bariera de apărare a
creierului şi alterând celulele nervoase.
Metodele clasice utilizate pentru manipularea (reţinerea, separarea) particulelor
micrometrice au fost încercate şi pentru particule nanometrice în ultimii ani, majoritatea
însă fără prea mult succes. Dispozitivele mecanice (cicloane, filtre cu saci, camere de
sedimentare) nu sunt eficiente datorită greutăţii mici a nanoparticulelor, iar metodele
chimice sunt lente şi pot modifica compoziţia nanoparticulelor în decursul procesării.
Metodele optice au marele dezavantaj că produc încălzirea mediului fluid în care
nanoparticulele se afla în suspensie şi necesită echipament optic care are deseori
dimensiuni prea mari pentru a putea fi integrat ca dispositiv de analiză la scară
submicronică. Filtrele electrostatice clasice (pe bază de efect Corona) au eficienţa de
reţinere ridicată a particulelor micrometrice (93-99%), dar cele nanometrice scapă
aproape în totalitate în aer.
Dielectroforeza prezintă o serie de aplicații în manipularea și analiza micro- și
nano-particulelor. Metoda fundamentală de manipulare constă în captarea unor particule
10
în zonele cu intensitate maximă a câmpului electric local. Astfel de metode au fost
folosite cu succes pentru captarea microparticulelor și celulelor vii. O importanță mai
mare din punct de vedere al aplicațiilor o au metodele de separare dielectroforetice. În
acest sistem, componentele unei suspensii duale sunt separate în zonele de minim,
respectiv maxim, ale câmpului electric. Metoda de separare a fost folosită cu succes
pentru a separa micro-particule, particule minerale, bacterii de celule animale, celule roșii
de celule cancerigene sau celule vii de celule moarte. Dezavantajul primar în această
configurație constă însă în necesitatea de a avea o diferență relativă de peste 50% între
frecvențele de excitare a particulelor. Această problemă a fost remediată în parte prin
folosirea tehnicii “travelling-wave DEP” (twDEP), folosită pentru captarea și separarea
virușilor sau a celulelor cancerigene. Metode de tip “fracționarea câmpului de curgere”
(DEP-FFF) au fost folosite pentru a poziționa particulele într-un fluid în curgere folosind
dielectroforeza. DEP-FFF este important deoarece permite manipularea particulelor cu
dimensiuni sub-micronice, pentru care mișcarea browniană are un impact asupra poziției.
DEP-FFF este folosit în sisteme care conțin microsfere de latex, celule stematice sau
celule roșii. O altă metodă care poate fi de asemenea folosită la focalizarea unui jet de
particule sau celule într-un fluid în mișcare este deflecția prin dielectroforeză. Un factor
important în stabilirea posibilelor aplicații ale dielectroforezei o constituie geometria
dispozitivelor utilizate. Din punct de vedere al aplicațiilor practice, domeniul principal de
utilizare a DEP este cel al micro-biologiei. Dielectroforeza a fost folosită pentru
manipularea lanțurilor de ADN, a proteinelor și a virușilor.
Rezultate au fost raportate și în cazul manipulării și separării virușilor. În
domeniul nano-scopic au fost raportate o serie de succese în captarea unor celule
bacteriene (dimensiuni tipice în jur de 800 nm) folosind o configurație DEP circulară cu
dimensiuni între 230 și 780 m. Datorită dimensiunilor compacte a dispozitivelor DEP,
acestea au devenit un candidat important pentru dezvoltarea tehnologiei “lab-on-a-chip”,
dispozitive micro- și nano-scopice care integrează instrumentația necesară efectuării unor
serii de analize. Acest tip de configurație este utilizat în separarea, combinare și
transportarea celulelor sau a medicamentelor. Dimensiunile tipice ale dispozitivelor sunt
de ordinul milimetrilor dar pot ajunge și la dimensiuni de ordinul centrimetrilor. Astfel, o
serie de modele au fost propuse pentru manipularea particulelor conductoare și
11
dielectrice, separarea particulelor din suspensii sau manipularea particulelor aflate într-un
fluid în curgere.
Activitatea de cercetare desfăşurată în cadrul proiectului de cercetare „PN-II-ID-
PCE-2011-3-0762, condusă de conf. univ. dr. Mihai Lungu mi-a fost de un mare ajutor
în cadrul pregătirii mele la doctorat.
Astfel, scopul cercetărilor din cadrul tezei mele de doctorat sub conducerea şi
coordonarea domnului prof. univ. dr. Iosif Mălăescu are ca obiectiv principal
„Reducerea emisiilor de nanoparticule prin optimizarea proceselor de filtrare a gazelor
reziduale de ardere”.
În detaliu, lucrarea de faţă este structurată pe cinci capitole.
În primul capitol, intitulat “Tehnologii și instalații de incinerare a deșeurilor.
Procese de separare” sunt definite deșeurile și clasificate cuptoarele primare de
incinerare.
Capitolul doi, intitulat “Suspensii de particule nanometrice în medii fluide.
Dielectroforeza” prezintă principalele ecuații ale dinamicii fluidelor, pentru a putea
analiza comportamentul fluidelor în microsisteme, și cea mai promițătoare metodă de
manipulare a nanoparticulelor care este bazată pe utilizarea dielectroforezei.
În capitolul trei, intitulat “Metode de caracterizare a nanoparticulelor
rezultate din arderea deșeurilor” prezint cele mai importante tehnici ce pot fi folosite
cu succes la investigarea nanoparticulelor rezultate din gazele de ardere.
În capitolul patru, intitulat “Rezultate experimentale” am determinat compoziția
chimică a particulelor emise la incineratorul Pro Air Clean Timisoara prin utilizarea
aparaturii existente în dotarea laboratorului, am analizat din punct de vedere dimensional
nanoparticulele cu ajutorul microscopului Nano Sight LM 10 achiziționat în cadrul
proiectului „PN-II-ID-PCE-2011-3-0762, am efectuat analiza cantitativă (EDAX)
utilizând dispozitivul electronic de baleiaj Quanta 200, aflat în dotarea Institutului
Național de Cercetare-Dezvoltare pentru Electrochimie și Materie Condensată Timișoara,
am determinat difracţia de raze X folosind difractometrul Bruker-AXS D8 Advance, aflat
în “Laboratorul pentru determinări cristalografice pe corp solid (LDCCS)” de la
Facultatea de Fizică din cadrul Universităţii de Vest din Timişoara, și nu în ultimul rând
am determinat proprietăţilor dielectrice în câmp de joasă frecvență (25 Hz - 2MHz),
12
utilizând un RLC- metru Agilent type (E4980A), aflat în dotarea laboratorului de
magneto-dielectrici din cadrul Facultăţii de Fizică de la Universitatea de Vest din
Timişoara pentru toate cele 7 probe de cenușă.
În ultimul capitol, intitulat “ Modelarea matematică și simularea numerică a
comportamentului suspensiilor de nano-micro particule de cenușă” am construit un
model matematic pentru descrierea comportamentului unei suspensii de nanoparticule
într-un mediu fluid supuse acțiunii unui câmp electric neuniform (dielectroforezei),
vâscozității, greutății și am simulat numeric comportamentul suspensiilor de particule
nanometrice.
13
CAPITOLUL 1
TEHNOLOGII ȘI INSTALAȚII DE INCINERARE A DEȘEURILOR.
PROCESE DE SEPARERE
1.1. GENERALITĂȚI
1.1.1. Clasificarea deşeurilor
În DEX deşeul este definit ca “rest dintr-un material rezultat dintr-un proces
tehnologic de realizare a unui anumit produs, care nu mai poate fi valorificat direct pentru
realizarea produsului respectiv [1].
Deşeurile periculoase sunt definite de legea 426/2001 (OJ411/25.07.2001) pentru
aprobarea Ordonanţei de Urgenţă a Guvernului nr. 78/2000 privind gestionarea deşeurilor
analog Directivei Consiliului Europei nr. 91/689/CEE privind Deşeurile Periculoase.
Definiţia deşeurilor periculoase cuprinde următoarele aspecte:
- deşeuri ale căror proprietăţi sau procese de producţie includ una sau mai multe
din proprietăţile care implică risc, de exemplu: explozive, favorizante producerii de
incendii, uşor inflamabile, iritante, otrăvitoare şi cu risc pentru sănătate, cancerigene,
corozive, mutagene, eco- toxice;
- constituenţi ai deşeurilor care fac ca acestea să devină deşeuri periculoase;
- proprietăţi care fac ca deşeurile să devină deşeuri periculoase.
Tipurile de deşeuri periculoase sunt definite pe baza grupurilor caracteristice sau
tipurilor de deşeuri periculoase. În tabelul 1.1 se prezintă o listă cu deşeuri frecvent
întâlnite în staţiile de incinerare conform catalogului european al deşeurilor şi listei
deşeurilor periculoase din legea românească [2] [3].
14
Cod Deşeu Semnificaţie
18 01 01 Obiecte ascuţite (cu excepţia 18 01 03)
18 01 02 Fragmente şi organe umane, inclusiv recipienţi de sânge şi sânge
conservat (cu exceptia 18 01 03)
18 01 03* Deşeuri a căror colectare şi eliminare fac obiectul unor măsuri
speciale privind prevenirea infecţiilor
18 01 04 Deşeuri a căror colectare şi eliminare nu fac obiectul unor măsuri
speciale privind prevenirea infecţiilor (de ex îmbrăcămite, aparate
ghipsate, lenjerie, îmbrăcăminte disponibilă, scutece)
20 01 13* Solvenţi
20 01 14* Acizi
20 01 15* Baze
20 01 17* Substanţe chimice fotografice
20 01 19* Pesticide
20 01 21* Tuburi fluorescente şi alte deşeuri cu conţinut de mercur
20 01 23* Echipamente abandonate cu conşinut de CFC (clorofluorocarburi)
20 01 26* Uleiuri şi grăsimi, altele decât cele specificate la 20 01 25
20 01 27* Vopsele, cerneluri, adezivi şi răşini conţinând substanţe periculoase
20 01 28* Vopsele, cerneluri, adezivi şi răşini, altele decât cele specificate la
20 01 27
20 01 29* Detergenţi cu conţinut de substanţe periculoase
20 01 30* Detergenţi, alţii decât cei specificaţi la 20 01 29
20 01 31* Medicamente citotoxice şi citostatice
20 01 33* Baterii şi acumulatori incluşi în 16 06 01, 16 06 02 sau 16 06 03 şi
baterii şi acumulatori nesortati conţinând aceste baterii
20 01 35* Echipamente electrice şi electronice casate, altele decât cele
specificate la 20 01 21 şi 20 01 23
20 01 37* Lemn cu conţinut de substanţe periculoase
Filtrele de tratare a deşeurilor au următoarele obiective [4]:
1. Valorificarea energetică
15
2. Valorificarea ca materie primă
3. Valorificarea în tehnologia materialelor
4. Valorificarea în agricultură, unde este utilizat ca materie primă pentru
fabricarea amendamentelor
5. Valorificarea în tehnici de mediu: deşeul este utilizat pentru epurarea cu
condiţionarea altor deşeuri
Principalele clase de deşeuri în funcţie de sursă şi caracteristici sunt [5]:
- Municipale – Deşeuri generate de comunitate formate din deşeuri menajere,
deşeuri voluminoase colectate şi deşeurile provenite de la curăţirea spaţiilor publice.
Deşeuri generate de comunitate (persoane fizice, firme precum restaurantele şi clădirile
de birouri, instituţii, deşeuri stradale), de compoziţie asemanătoare deşeurilor
gospodăreşti (ambalaje, resturi alimentare, resturi vegetale, aparate uzate).
- Periculoase – Deşeuri ce prezintă una sau mai multe din următoarele
caracteristici: inflamabile, corozive, reactive sau toxice;
- Industriale – Provin din procese industriale şi se clasifică conform normelor
naţionale;
- Medicale – Deşeuri generate de unităţile medicale. În principal sunt infecţioase,
dar pot prezenta şi alte caracteristici, precum radioactive, în cazul deşeurilor de
radioterapie;
- Universale – Categorie de deşeuri introdusă în Statele Unite pentru a uşura
eliminarea deşeurilor;
- Din construcţii şi demolări – includ resturi de ciment, gips, asfalt, metal, lemn,
ţiglă, etc;
- Radioactive;
- Miniere – Pe lângă steril, includ şi substanţe periculoase, precum cianurile;
- Agricole – includ, pe lângă dejecţii şi resturi vegetale ambalaje de pesticide şi
îngrăsăminte, precum şi asemenea substanţe expirate.
16
1.1.2. Impactul deşeurilor asupra mediului şi sănătăţii populaţiei
În ultimii ani mai mult de 80% din deponeele din America de Nord şi-au închis
porţile. Această situaţie ameninţă să creeze un blocaj al eliminării finale a deşeurilor.
Administraţiile locale se confruntă cu probleme serioase în ceea ce priveşte găsirea de
amplasamente pentru noile deponee sau incineratoare [6].
La baza gestionării deşeurilor stau următoarele principii generale [7]:
a) principiul utilizării numai a proceselor şi metodelor de gestionare a
deşeurilor care nu pun în pericol sănătatea populaţiei şi a mediului înconjurător;
b) principiul ”poluatorul plăteşte”;
c) principiul responsabilităţii producătorului;
d) principiul utilizării celor mai bune tehnici disponibile, fără antrenarea
unor costuri excesive.
Corelarea dintre dezvoltarea economică şi protecţia mediului este sintetizată în
conceptul dezvoltării durabile care reprezintă “....o dezvoltare care îndeplineşte nevoile
prezentului fără a compromite posibilitatea generaţiilor viitoare de a şi le îndeplini pe ale
lor ”. Relaţiile dintre sistemele de producţie şi cele de management al deşeurilor pot fi
prezentate schematic in figura 1.1 [6].
Figura 1.1. Relaţiile dintre sistemele de producţie şi cele de management al deşeurilor
Noile tendinţe în domeniul managementului deşeurilor se bazează pe:
reducere
RESURSE
SISTEM PRODUCĂTOR DE BUNURI ŞI SERVICII
DEŞEURI MUNICIPALE
SISTEM DE PRODUCERE A DEŞEURILOR
DEPONEU
17
reutilizare
recuperare
reciclare
valorificare
În ziua de astăzi deşeul reprezintă o resursă economică şi nu se pune problema să
ne debarasăm pur si simplu de deşeuri, aşa cum se făcea până nu demult.
În ultimii ani nu se mai vorbeşte despre deşeuri, ci de materie reciclabilă, materie
recuperabilă, resurse secundare. Astfel, deponeul devine un zăcământ, iar incineratorul se
transformă în uzină de valorificare energetică a deşeurilor.
Obiectivele principale ale incinerării deşeurilor sunt reducerea la maxim posibil a
potenţialului de risc şi poluare, reducerea cantităţii şi volumului de deşeuri, conversia
substanţelor rămase într-o formă care să permită recuperarea sau depozitarea acestora,
transformarea şi valorificarea energiei produse [8].
1.2. TEHNOLOGII ȘI INSTALAȚII DE INCINERARE
Incinerarea este o metodă de distrugere termică a deşeurilor şi în afara posibilităţii
de valorificare a căldurii gazelor obţinute prin ardere oferă avantajul transformării
deşeurilor într-un reziduu practic nepoluant, puţin voluminos şi redus ca pondere în
raport cu materia primă iniţială.
Incinerarea poate distruge anumite tipuri de substanţe periculoase, imposibil de
distrus prin alte metode. De asemenea este mai rapidă decât multe alte metode. Acest fapt
se poate dovedi util spre exemplu atunci când o zonă poluată trebuie curăţată rapid pentru
a preveni afectarea oamenilor sau mediului ambiant. Incinerarea se poate folosi şi pentru
reducerea cantităţilor de deşeuri depozitate în deponee.
Pe de o parte, incinerarea prezintă următoarele avantaje: reduce cantitatea de
deşeuri, necesită o suprafaţă redusă şi se poate amplasa în mediul urban, ceea ce reduce
cheltuielile de transport. Pe de altă parte, incinerarea reprezintă o permutare ce se petrece
în mediul înconjurător, deoarece avem iluzia că deşeurile dispar, dar în realitate ele
reapar sub diverse alte forme. Aşadar, înainte de îngroparea sau incinerarea deşeurilor,
18
trebuie să ne asigurăm că s-au luat toate măsurile pentru reducerea şi reciclarea acestora
[3].
Principala problemă care se pune în cazul incinerării este poluarea atmosferică.
Incinerarea deşeurilor generează o gamă largă de poluanţi atmosferici, cum ar fi:
dioxinele, furanii, compuşii organici volatili, oxizii de azot, bioxidul de carbon, metale
grele (Hg, Pb, Cd).
1.2.1. Tehnologia arderii
Primul pas în proiectarea unei instalaţii de incinerare este alegerea geometriei
camerei de ardere pentru tipul de deşeuri ce urmează a fi arse. În orice caz, pentru
minimizarea emisiilor de poluanţi, trebuie realizată o ardere cât mai completă a gazelor.
În funcţie de caracteristicile de ardere ale deşeurilor, unde umiditatea şi gradul de
ardere pe grătare sunt decisive, se poate obţine o optimizare a procesului de ardere prin
simpla alegere a traseului de gaze deasupra grătarelor. Există trei variante constructive
principale care de regulă se combină între ele.
În cazul instalaţiilor echicurent se observă cum gazele de ardere ies la capătul
grătarelor şi sunt obligate să treacă cu temperatură mare deasupra acestora. Acest sistem
se foloseşte de regulă în cazul deşeurilor cu capacitate calorifică ridicată. În cazul
deşeurilor cu capacitate calorifică mică, sistemul are dezavantajul că aerul de ardere
trebuie bine preîncălzit pentru a se asigura o bună aprindere. Solicitarea componentelor
camerei de ardere este destul de ridicată, dar oferă avantajul evitării formării unor curenţi
preferenţiali. Prin aceasta se obţine o ardere mai completă a gazelor.
Conceptul contracurent se foloseşte în cazul deşeurilor umede şi cu o capacitate
calorifică scăzută. Gazele fierbinţi curg peste deşeu facilitând uscarea şi aprinderea mai
uşoară a acestuia. Formarea curenţilor preferenţiali reprezintă un pericol, întrucât curenţii
de aer rece din zona de aprindere se amestecă foarte greu cu gazele calde. Din cauza
diferenţei de densitate şi vâscozitate se poate întâmpla ca amestecarea să nu se producă
nici măcar până la intrarea în schimbătorul de căldură. Astfel, gradul de ardere dorit
trebuie obţinut prin alte metode, spre exemplu prin introducerea unor pereţi de dirijare,
19
crearea de turbulenţe datorate insuflării de aer secundar, recircularea gazelor de ardere
sau suflarea de abur.
Pentru echilibrarea avantajelor şi dezavantajelor celor două variante constructive
se alege adesea curentul combinat. Curenţii de gaz, cu densităţi şi vâscozităţi diferite (în
funcţie de temperatură) sunt uniţi înainte de intrarea în camera de ardere secundară, unde
sunt amestecaţi cu ajutorul aerului secundar. Astfel se minimizează formarea CO.
La realizarea corectă a unei camere de ardere trebuie luată în considerare
minimizarea formării depunerilor, care pot influenţa negativ circuitul deşeurilor
(grosimea stratului de pe grătare). Acest obiectiv poate fi atins prin introducerea dozată a
deşeurilor şi răcirea pereţilor laterali, în special în zona principală de ardere. Răcirea este
aleasă de așa manieră încât stabilitatea temperaturii să nu fie influenţată.
Doar prin alegerea tipului de circuit al gazelor în cuptor nu se poate stabili
geometria optimă a camerei de ardere. Pentru aceasta sunt necesare atingerea unor timpi
de staţionare cât mai lungi în zona de postcombustie şi stabilitatea temperaturilor. Toţi
aceşti factori depind în principal de capacitatea calorică şi compoziţia deşeurilor. Aşadar,
capacitatea calorică nu are efect doar asupra debitului de deşeuri, ci în primul rând asupra
alegerii geometriei camerei de ardere şi a funcţionării instalaţiei.
Parametrii camerei de ardere se pot calcula cu următoarele formule general
valabile [9]: Cantitatea specifică de gaze de ardere [ kgnm /3 deşeu]:
00 )1( LVVn (1.1)
unde:
nV cantitatea specifică de gaze de ardere, [ kgNm /3 deşeu]
0V cantitatea teoretică de gaze de ardere umede, [ kgNm /3 deşeu]
coeficient de exces de aer, [ kgNm /3 deşeu]
0L cantitatea minimă de aer necesară arderii, [ kgNm /3 deşeu]
Cantitatea totală de gaze de ardere [ hnm /3 ]:
nA VmVR (1.2)
unde :
20
Am cantitatea de deşeuri incinerate pe oră [ hkg / ]
nV cantitatea specifică de gaze de ardere [ kgnm /3 deşeu]
Cantitatea de gaz la coş [ hm /3 ]:
)00367,01(arderedecamerat tVRVR (1.3)
unde:
tVR cantitatea de gaze la coş, [ hNm /3 ]
VR cantitatea specifică de gaze de ardere [ kgnm /3 deşeu]
arderedecamerat temperature din camera de ardere, ][0 C
Timpul (aproximativ) de staţionare [s]:
tVR
reereiDeArdeVolumulCamZ
3600 (1.4)
unde:
Z= timpul (aproximativ) de staţionare, [s]
VolumulCamereiDe Ardere= Volumul camerei de ardere, [ 3m ]
tVR cantitatea de gaze la coş, [ hNm /3 ]
Viteza fazelor de ardere [m/s]:
3600
dereamereiDeArSectiuneaC
VRW t
R (1.5)
unde:
RW viteza fazelor de ardere, [m/s]
21
tVR cantitatea de gaze la coş, [ hNm /3 ]
SecţiuneaCamereiDeArdere= Aria transversală a camerei de ardere, [ 2m ]
Baza pentru stabilirea valorii reale (umede) a cantităţii de gaze de ardere
nV [ kgnm /3 deşeu], datorată arderii unui kilogram de deşeu, este cantitatea teoretică
umedă de gaze de ardere 0V [ kgnm /3 ], care rezultă din volumul de reacţie al deşeului şi
din volumul de reacţie al cantităţii minime teoretice de aer 0L [ kgnm /3 ] în condiţii
stoechiometrice 1 . Cantitatea de aer necesară practic nL [ kgnm /3 ] din formulă se
calculează în funcţie de raportul de aer :
0LLn (1.6)
unde:
nL cantitatea de aer necesară practic, [ kgNm /3 ]
coeficientul de exces de aer,
0L cantitatea de aer necesară theoretic, [ kgNm /3 ]
Valorile pentru 0V şi 0L pot fi determinate din tabele, diagrame şi formule
aproximative. În formulele pentru cantitatea de gaze de ardere de la coş tVR , timpul de
staţionare Z şi viteza fazelor de ardere RW se pot folosi atât în condiţiile de temperatură
şi geometrie ale camerei de ardere precum şi în cele ale zonei de postcombustie sau chiar
şi în condiţiile din zonele de răcire (generatorul de aburi).
0V şi 0L depind în cea mai mare parte de capacitatea calorifică a deşeurilor, de
aceea la capacităţi calorifice mai mari cantitatea de gaze de ardere creşte. Asta înseamnă
că la capacităţi calorifice mai mari, viteza gazelor de ardere va fi mai mare. Ca urmare se
reduce timpul de staţionare. Instalaţiile de incinerare mai noi au camere de incinerare şi
postardere adaptate tehnologiilor actuale, cu zone de ardere şi secţiuni mari, concepute
pentru viteze mici. Din acest motiv se ating timpi de staţionare acoperitori chiar şi la
capacităţi calorifice ridicate. În ceea ce priveşte problema dioxinei, aceasta alături de
celelalte măsuri reprezintă una dintre condiţiile necesare pentru minimizarea formării
dioxinei.
22
Instalaţiile mai vechi au în general camere de incinerare şi respectiv postardere
mai mici. Din această cauză, în cazul arderii unor deşeuri cu capacitate calorifică mai
mare se obţin viteze mai mari şi timpi de staţionare mai mici. O ardere suficientă a
gazelor de ardere poate fi atinsă doar în cazuri izolate.
Menţinerea unei temperaturi de minimum 850 C0 este foarte importantă din
punctual de vedere al minimizării emisiilor de furani şi dioxine. Acest lucru se poate
realiza doar în anumite condiţii termodinamice. Punctul de plecare pentru calcularea
temperaturii medii reale din camera de incinerare este temperatura teoretică a camerei de
incinerare.
n
uteoreticaF V
HH (1.7)
unde:
teoreticaFH entalpia temperaturii teoretice din camera de ardere [ NmkJ 3/ ]
nV cantitatea specifică de gaze de ardere [ kgm /3 deşeu]
uH capacitatea calorifică [ kgkJ / ]
Pentru entalpia găsită se citeşte din tabele temperatura adiabatică corespondentă.
Temperatura adiabatică obţinută este la rândul ei indirect dependentă de capacitatea
calorifică a excesului de aer.
Temperatura teoretică din camera de incinerare nu este măsurabilă în practică
deoarece o parte din căldura introdusă este transmisă imediat suprafeţelor de încălzire, în
principal sub formă de radiaţie sQ . Temperatura reală a camerei de incinerare este
măsurabilă şi este folosită ca un parametru important pentru controlul procesului de
incinerare.
Calcularea exactă a temperaturii medii reale a camerei de incinerare )( Ft se poate
face prin metode matematice, dar pentru controlul procesului de incinerare se poate
estima cu următoarea formulă [9]:
R
s
n
uF V
Q
V
HH (1.8)
unde:
23
FH entalpia temperaturii reale din camera de incinerare [ nmkJ 3/ ], se găseşte în
diagrame în funcţie de temperatura realăFt
uH capacitate calorifică [ kgkJ / ]
nV cantitatea specifică de gaze de ardere [ kgm /3 deşeu]
sQ căldura cedată prin radiaţie [ hkJ / ]
1.2.2. Tipuri de cuptoare primare de incinerare
1.2.2.1. Cuptoare rotative
Cuptorul rotativ reprezintă cea mai utilizată instalaţie în cadrul tehnologiilor de
tratare a deşeurilor periculoase cu compoziţie variabilă. Cuptoarele rotative sunt costruite
dintr-un tambur în care sunt introduse deşeurile ce ard înaintând spre ieşire sub acţiunea
mişcării rotative a cuptorului. Această rotaţie permite un bun contact aer-combustibil prin
mişcarea continuă a deşeurilor. Acest tip de cuptor este recomandat deşeurilor cu putere
calorifică redusă şi de regulă pentru debite mici [10]. Procesarea materiilor prime,
semisolide şi lichide la temperaturi înalte în cuptoare rotative se foloseşte de mult timp în
industrie, cum ar fi cea a cimentului, varului, fosfatului, fierului şi a cărbunelui.
Cuptoarele rotative de ciment se pot folosi- şi se folosesc ca incineratoare de deşeuri
periculoase.
Cuptoarele rotative îndeplinesc o serie de funcţii necesare incinerării:
transportul solidelor
amestecarea solidelor
izolarea termică pentru ameliorarea transferului termic
asigurarea de condiţii prielnice desfăşurării reacţiilor chimice
transportul gazelor spre camera postcombustie
Cuptoarele rotative pot procesa deşeuri solide, nămoluri, lichide şi deşeuri
containerizate. Cuptoarele rotative folosite pentru distrugerea deşeurilor sunt de regulă
destul de scurte (10-12 m) şi au un diametru de 3,5-5 m. Raportul între lungime şi
diametru este între 2:1 şi 10:1, viteza periferică de rotire fiind cuprinsă între 0.3 şi 3
24
m/min. Temperatura de funcţionare a cuptorului pentru zgurificare este de 1100-1300 C0 .
Reglementările legale nu prevăd valori minime pentru temperatura din cuptor, ci pentru
temperatura din camera de postcombustie, care de regulă este prescrisă la 1200 C0 în
condiţii obişnuite şi 1250-1350 C0 în cazul incinerării deşeurilor speciale ce conţin spre
exemplu hidrocarburi aromatice clorurate.
Caracteristic acestor cuptoare este faptul că necesită energie suplimentară pentru
atingerea parametrilor de funcţionare prescrişi. Capacitatea de procesare a unui astfel de
cuptor este cu 2-6t/h mai mică decât în cazul cuptoarelor cu grătare.
După camera de incinerare, în fluxul tehnologic urmează camera de combustie
secundară. Pentru a se asigura oxidarea completă a tuturor materiilor organice, aici se
introduce combustibil suplimentar şi aer. Reglementările cer ca în camera de combustie
secundară gazele să aibă un timp de retenţie de minim 2s la 1200 C0 . Turbulenţa din
această cameră este asigurată în instalatiile mai noi prin secţiunea circulară a camerei,
unde arzătoarele sunt aşezate în poziţie tangenţială.
Camera de combustie secundară este urmată de o zonă de răcire a gazelor. Răcirea se
poate face spre exemplu prin introducerea de aer suplimentar. Temperatura se reduce de
la aproximativ 1200 C0 la aproximativ 900 C0 pentru a se evita depunerea de cenuşi
vitrificate greu de înlăturat de pe suprafaţa de contact a schimbătorului de căldură.
În Europa se folosesc în mod curent cazane de aburi pentru recuperarea căldurii.
Aici temperatura coboară până în jur de 280 C0 . Căldura astfel recuperată poate fi
folodită pentru producerea de energie electrică sau pentru termoficare. Dezavantajul
acestei metode îl reprezintă răcirea lentă a gazelor, ceea ce duce la creşterea riscului de
formare a dioxinei.
În Statele Unite au apărut de curând proiecte de incineratoare cu răcire rapidă a
gazelor de ardere, prin injectarea de apă. Dezavantajele principale ale acestei tehnologii
constau în faptul că nu se mai recuperează căldura, iar apele reziduale trebuiesc tratate în
vederea refolosirii sau deversării. Prin folosirea tehnologiilor moderne, se poate reduce
cantitatea de dioxină formată.
25
1.2.2.2. Cuptoare cu grătare mobile
Cuptoarele cu grătare mobile reprezintă tipul de cuptor cel mai utilizat la
incinerarea deşeurilor. Cuptoarele cu grătare mobile sunt acelea unde înaintarea
deşeurilor se face pe un plan inclinat mobil compus din grătare, lanţuri, tamburi şi bare
care favorizează combustia prin amestecarea permanentă a deşeurilor, lucru ce permite ca
erul să intre în contact cu deşeurile.
Într-un astfel de sistem există întotdeauna:
un dispozitiv de alimentare cu deșeuri
un suport de combustie, care combină funcţia de avansare a deşeurilor cu
cea de extracţie a zgurii
un dispozitiv de evacuare a zgurii
În toate instalaţiile moderne există de asemenea o cameră de combustie care este
cuplată la recuperatorul de căldură; în general acest recuperator face corp comun cu
camera de combustie.
O unitate modernă de acest tip conţine toate elementele de bază de mai sus şi în
plus alte accesorii, echipamente şi instalaţii conexe necesare unei funcţionări [10].
Producătorii oferă o gamă largă de grătare. Printre cele mai utilizate se numără:
grătarele cu valţuri, grătare cu împingere în trepte, grătare cu împingere înainte şi grătare
cu împingere înapoi. Aceste sisteme s-au impus şi oferă posibilităţi corespunzătoare de
stabilire a geometriei camerei de ardere şi a camerei de ardere secundare în vederea
reducerii emisiilor. Aceste sisteme pot asigura capacităţi de incinerare mari (până la
40t/h, în funcţie de proiect).
Capacitatea cuptorului este funcţie de suprafaţa grătarului şi volum. Volumul
cuptorului este calculat în funcţie de cantitatea de căldură degajată de 178000 Kcal/ 3m şi
capacitatea calorifică a deşeurilor de 2777Kcal/Kg, la un flux orar de 64 kg/ 3m . De
obicei se asigură 0.85-0.99 3m volum incinerator pentru fiecare tonă de deşeu incinerabilă
pe zi.
26
În funcţie de caracteristicile de ardere ale deşeurilor se stabileşte unghiul de
înclinare al grătarului (între 10 şi 30 grade). Procentul de materiale nearse este între 0.3 şi
2%, în funcţie de calitatea întreţinerii utilajului.
Pentru reducerea uzurii se folosesc grătare răcite cu apă care, după cum s-a
demonstrate în 1996 că după 42000 ore de funcţionare nu s-a înregistrat o uzură
semnificativă.
1.2.2.3. Cuptore cu strat fluidizat
Cuptoarele cu strat fluidizat se caracterizează printr-o ardere în suspensie. Acest
tip de cuptor constă dintr-o incintă căptuşită cu cărămidă refractantă, divizată în trei
compartimente suprapuse. Compartimentul de bază serveşte ca plin de aer cald insuflat,
al doilea compartiment conţine agregatele, nisipul şi pietrişul care sunt ţinute în suspensie
prin aerul insuflat, al treilea compartiment foloseşte ca şi cameră de combustie.
Agregatele cu o temperatură de aproximativ 800 C0 şi menţinute în suspensie, intră în
contact cu deşeurile introduse prin partea superioară.
Există un număr mare de astfel de instalaţii pentru deşeurile menajere în Japonia
şi Suedia, dar se găsesc câteva şi în S.U.A.. Această tehnologie este încă în plină
dezvoltare şi promite să aibă utilizări interesante.
Folosit ca incinerator, acest tip de cuptor se foloseşte pentru o gamă largă de
deşeuri solide, lichide şi gazoase, în special nămoluri de canalizare, deşeuri petroliere,
deşeuri din industria hârtiei şi celulozei. Diametrul interior al unui astfel de cuptor este de
aproximativ 8 m, cu o înălţime de 10 m. Temperatura este menţinută între 760 şi 870 C0
cu ajutorul unor arzătoare situate dedesubtul şi deasupra patului [10].
Procedeele de incinerare în strat fluidizant se clasifică după domeniile de viteză a
gazelor de ardere prin camera de ardere sau prin ordonarea duzelor din partea inferioară a
acesteia.
Astfel se pot deosebi trei mari categorii de cuptoare cu strat fluidizat:
- Strat fluidizat staţionar- la presiune atmosferică şi alimentat sub presiune
materialul este deplasat cu viteză foarte mică;
27
- Strat fluidizat circulant- aici se lucrează cu viteze mai mari, combustibilul nears
fiind recirculant;
- Strat fluidizat rotativ- funcţionează asemănător cu stratul fluidizat staţionar, dar
se ating timpi de staţionare mai mari în zona de ardere, deoarece prin aranjarea duzelor de
la partea inferioară se produce o mişcare de rotaţie;
Incinerarea în strat fluidizat reduce conţinutul de oxizi de azot întrucât
funcţionează la o temperatură relativ scăzută a gazului şi cu un exces de aer mic. Pentru
neutralizarea gazelor acide se poate introduce var împreună cu deşeurile.
Incineratoarele cu pat fluidizat prezintă o serie de avantaje faţă de incineratoarele
convenţionale:
- uşurinţă în exploatare, datorată unui minim necesar de cheltuieli de întreţinere şi
posibilitatea de a fi automatizat uşor;
- combustie eficientă în sensul reducerii emisiilor atmosferice şi al reducerii
procentului de materii nearse;
- compactitate;
- absenţa pieselor mecanice în mişcare;
- o mare inerţie termică datorată patului de nisip;
-o bună îndeplinire a celor trei condiţii fundamentale pentru incinerare:
temperatură, timp de staţionare şi turbulenţă.
1.2.2.4. Cuptoare cu radiaţii infraroşii
Procedeul cu radiaţii infraroşii a fost elaborat pentru tratarea solurilor contaminate
şi a deşeurilor solide şi lichide. Instalaţiile care funcţionează pe acest principiu se compun
din:
- o cameră primară cu radiaţii infraroşii care funcţionează pirolitic la temperaturi
între 540 şi 1000 C0 echipată cu o bandă transportoare din oţel inoxidabil pentru deşeuri.
- o cameră secundară încălzită cu propan la 1100- 1260 C0 .
Deşeurile sunt alimentate în camera primară. Căldura este furnizată de elementele
încălzitoare cu radiaţii infraroşii, cum sunt tijele din carbură de siliciu, prevăzute cu
contacte electrice la extremităţi, instalate pe pereţii camerei.
28
Deşeurile sunt transportate în camera de ardere prin intermediul unei curele de
sârmă de oţel aliat. Circulaţia gazelor se poate realiza fie în echicurent, fie în
contracurent. La ieşirea din camera de ardere deşeurile sunt colectate într-o tobă
colectoare. Efluenţii gazoşi ce părăsesc camera primară intră în camera secundară pentru
finalizarea arderii. Camera secundară permite un timp de staţionare a gazului de 2,2 s şi
un exces maxim de aer de 100% [10].
1.2.2.5. Cuptoare cu injecţie de lichid
Incineratoarele cu injecţie de lichid permit eliminarea aproape totală a deşeurilor
lichide combustibile, cum sunt uleiurile lubrifiante, vopselele cu latex, solvenţii şi
pesticidele. Incineratorul este format dintr-o cameră de ardere orizontală sau verticală din
oţel, căptuşită cu materiale refractare şi echipată cu o duză sau alt dispoziiv ce
atomizează deşeurile şi le amestecă cu aerul. Deşeurile lichide pot fi injectate cu un
dispozitiv de injecţie sub presiune.
Incineratoarele de acest tip se pretează deşeurilor lichide ce pot fi atomizate.
Deşeurile lichide cu vâscozitate ridicată pun probleme din puntul de vedere al eliminării
şi al arderii şi prin urmare nu sunt utilizate.
Plaja de temperaturi caracteristică este de la 650 la 1650 C0 . De obicei
funcţionează la valori în jur de 1000 C0 .
Timpul de staţionare variază între 0,5 şi 2 secunde. Încărcarea termică realizată de
deşeurile sărace, care necesită aport de combustibil auxiliar este de ordinul a
900000kj/ 3m h. Deşeurile bogate. Cu putere calorifică mare, care nu necesită aport de
combustibil suplimentar şi care pot fi injectate printr-un arzător cu turbinare, de mare
intensitate realizează încărcări termice de ordinul a 3700000kj/ 3m h [10].
1.2.3. Descrierea instalației Pro Air Clean Timișoara
Pro Air Clean Timișoara folosește o instalație de incinerare de tip BIC System, cu
o capacitate totală de incinerare de 23.000 tone/an, respectiv 2880 kg/oră și este formată
din: cuptor rotativ (camera primară de combustie), un afterburner (camera secundară de
29
combustie) prevăzute cu 2 arzătoare + 1 de rezervă (pentru fiecare cameră) alimentate cu
combustibil convențional (GPL), conectat la un sistem de control al poluării aerului, toate
fiind controlate și monitorizate.
Fluxul tehnologic de incinerare este compus din: depozitarea temporară a
deșeurilor și pregătirea șarjelor pentru incinerare, alimentarea cuptorului cu deșeuri,
ardere primară, ardere secundară, răcirea și recuperarea energiei termice, epurarea
gazelor rezultate și evacuarea în atmosferă, evacuarea cenușii, controlul automat al
parametrilor de operare, monitorizarea emisiilor.
Instalația a fost realizată în scopul eliminării finale prin metoda incinerării (tratare
termică), a deșeurilor spitalicești, industriale periculoase și a deșeurilor provenite din
ambalaje contaminate. Ea este cea mai mare din sud- estul Europei, având o eficiență de
distrugere a deșeurilor de 99.99%. Aburul rezultat din procesul de incinerare a deșeurilor
este captat și valorificat în procesele interne, pentru încălzire și pentru producerea de
energie electrică livrată în rețeaua Enel.
1.3. PROCESE DE SEPARARE
1.3.1. Clasificare
Procesele de separare electrică şi magnetică sunt rezultatul acţiunii forţelor
electrice sau magnetice asupra componentelor unui amestec de particule diferite,
comparativ cu forţele de altă natură. Ca forţe de altă natură se pot aminti: greutatea,
forţa de frecare şi inerţia, dar nu se pot neglija nici forţele de interacţiune dintre
particule atunci când dimensiunile acestora sunt mici.
În funcţie de mărimea şi sensul forţelor ce actionează asupra particulelor,
componentele unui amestec sunt deviate şi colectate diferenţiat, realizându-se astfel
separarea lor.
Materialele destinate separării sunt mixturi eterogene, de obicei binare, de
particule solide cu forme şi dimensiuni diferite, de ordinul ( 3 210 10 ) m. În aproape
toate cazurile separarea se face în funcţie de proprietăţile fizice ale particulelor ce
30
compun amestecul (ex. conductivitate, densitate masică) şi mai rar după forma sau
dimensiunile particulelor.
Din punct de vedere fizic, procesele de separare se clasifică conform figurii 1.2.
Din figura 1.2 rezultă că metodele de separare fizică se deosebesc între ele în
funcţie de parametrul fizic care diferenţiază cel mai mult particulele amestecului eterogen
şi se pot împărţi în metode de separare în câmp electric şi respectiv în câmp magnetic
[11].
În cadrul metodelor electrice de separare, separarea se bazează pe deosebiri de
conductivitate electrică, pe deosebiri de constantă dielectrică sau pe proprietăţi
superficiale ale particulelor (electrizarea prin frecare, încarcarea superficială a
particulelor prin efect Corona).
Figura 1.2. Clasificarea proceselor de separare fizică [11]
În cadrul metodelor magnetice de separare există metode clasice de separare, de
ordin I, în care separarea este bazată pe deosebiri de susceptivitate magnetică şi metode
magnetice indirecte de separare, de ordin II, în care separarea este bazată pe deosebiri
de densitate masică.
31
1.3.2. Legi de bază utilizate în teoria separării
Aşa cum se ştie din electromagnetism, legile fenomenelor electrice şi magnetice
pot fi reunite într-un grup de ecuaţii numite ecuaţiile lui Maxwell, după numele celui care
a descoperit semnificaţia acestor ecuaţii, ce pot descrie câmpul electromagnetic dintr-un
mediu material [12].
Prima ecuaţie, este o generalizare a legii inducţiei electromagnetice a lui Faraday.
Ea arată că un câmp electric E
, poate fi creat şi prin inducţie electromagnetică, de către
un flux magnetic variabil, prin urmare, câmpul electric creat prin inducţie este
neconservativ, liniile sale de câmp fiind linii închise. A doua ecuaţie, este o generalizare
a legii lui Ampere. Ea stabileşte că sursele câmpului magnetic de intensitate H
, pot fi
atât curentul de conducţie j
, cât şi curentul de deplasare, Dt
, introdus de către
Maxwell [13].
Celelalte două ecuaţii sunt: legea lui Gauss pentru câmpul electric care afirmă că
fluxul câmpului electric de inducţie D
, prin orice suprafaţă închisă este egal cu densitatea
volumică de sarcina , din interiorul suprafeţei; şi respectiv, legea fluxului magnetic
care afirmă că fluxul câmpului magnetic prin orice suprafaţă închisă este nul [13], [14].
Ecuaţiile lui Maxwell scrise sub formă diferenţială sunt [15]:
t
BErot
(1.9)
DrotH jt
(1.10)
divD
(1.11)
0Bdiv
(1.12)
Cea mai mare importanţă a acestor ecuaţii este că ele arată că variaţia în timp a
unui câmp (electric sau magnetic) generează în spaţiul înconjurător pe celălalt (magnetic
sau electric). Cu ajutorul operatorului (nabla) şi ţinând cont de relaţiile existente între
mărimile de stare în medii liniare şi izotrope:
0 rD E
, 0 rB H
, j E
(1.13)
ecuaţiile lui Maxwell vor fi:
32
0 rHEt
(1.14)
0 rEH jt
(1.15)
0
1 E
(1.16)
0H
(1.17)
În ecuaţiile (1.13) – (1.17), ε0 şi μ0, reprezintă permitivitatea dielectrică respectiv
permeabilitatea magnetică a vidului; εr şi μr, reprezintă permitivitatea dielectrică relativă
respectiv permeabilitatea magnetică relativă a mediului; conductivitatea electrică a
mediului, parcurs de curenţii cu densitatea j
.
În funcţie de variaţia în timp a mărimilor ce intervin, câmpul electromagnetic se
poate găsi în următoarele regimuri de desfăşurare a fenomenelor electrice şi magnetice:
▪ Regimul staţionar, caracterizat prin mărimi de stare ale câmpului invariabile în
timp ( 0t
), iar mediile conductoare sunt parcurse de curenţi continui ( 0j
), ce au ca
rezultat transformări energetice determinate de interacţiunea câmpului electromagnetic cu
corpurile.
Cazul particular al regimului staţionar conform căruia mediile conductoare nu
sunt străbătute de curenţi (nu au loc transformări energetice), defineşte regimul static,
singurul regim în care fenomenele electrice şi magnetice se produc independent.
Pentru regimul electrostatic:
divD
, 0rotE
(1.18)
Pentru regimul magnetostatic:
0divB
, 0rotH
(1.19)
▪ Regimul cvasistaţionar, corespunde unei variaţii în timp suficient de lente a
mărimilor macroscopice, astfel încât predomină curenţii de conducţie în raport cu curenţii
de deplasare: D jt
.
▪ Regimul nestaţionar (variabil), îi corespund mărimi variabile în timp prin
funcţii oarecare (regim tranzitoriu) sau mărimi periodice (regim periodic permanent). În
acest caz, variaţia în timp a unui câmp (electric sau magnetic) generează în spaţiul
33
înconjurător pe celălalt (magnetic sau electric), făcând posibilă existenţa câmpului
electromagnetic sub formă de unde electromagnetice (densitatea curenţilor de deplasare
D
t
este comparabilă cu cea a curenţilor de conducţie j
).
1.3.3. Mărimi caracteristice procesului de separare
Într-un proces de separare, o anumită cantitate de material iniţial notată cu
M (Feed, Input- F), conţine material util în cantitate um şi deşeu în cantitate dm
[16]. Ca urmare:
du mmM (1.20)
Dacă materialul iniţial este un amestec de două materiale utile A şi B în cantităţile
Am şi Bm ce urmează a fi separate, rezultă:
BA mmM (1.21)
În calcule, se consideră A ca fiind material util, iar B deşeu şi reciproc.
Dacă materialul iniţial este trecut printr-un separator ce dispune de două
compartimente ale sistemului de colectare, în urma procesării, el este separat în două
părţi rezultând un produs (product) 1m şi un rest (tailing) 2m :
1 2M m m (1.22)
Fracţia 1m (produsul), se colectează în secţiunea destinată concentratului, iar
fracţia 2m (restul) se colectează în secţiunea destinată deşeului. După separare,
produsul conţine material util, dar şi o cantitate mică de deşeu, iar restul conţine
alături de deşeu şi o cantitate mică de material util. Într-un proces de separare se
urmăreşte ca în compartimentul destinat produsului cantitatea de material util
colectat să fie maximă, iar în compartimentul destinat deşeului cantitatea de
material util să fie minimă. Ca urmare:
du mmm 111 (1.23)
Relaţia este valabilă şi în cazul unui amestec de două materiale utile A şi B aflate
în cantităţile Am şi Bm , ce urmează a fi separate:
34
BA mmm 111 (1.24)
Pentru fracţia 2m (restul), avem:
du mmm 222 (1.25)
iar în cazul unui amestec de două materiale utile A si B:
BA mmm 222 (1.26)
În aceste condiţii se pot defini următoarele mărimi ce caracterizează un proces de
separare:
1. Gradul de separare (Grade- G): reprezintă raportul dintre cantitatea de
material util um1 conţinut în produs şi cantitatea totală de material 1m colectat în
compartimentul destinat produsului:
1
1
m
mG u (1.27)
Pentru un amestec de două materiale utile A şi B se obtine:
1
1
m
mG A
A respectiv: 2
2
m
mG B
B (1.28)
2. Gradul de recuperare (Recovery - R): reprezintă raportul dintre cantitatea de
material util um1 conţinut în produs şi cantitatea de material util um conţinut în
materialul iniţial:
u
u
m
mR 1 (1.29)
Relaţia este valabilă şi în cazul unui amestec de două materiale utile A şi B, aflate
în cantităţile iniţiale Am şi respectiv Bm :
A
AA m
mR 1 respectiv:
B
BB m
mR 2 (1.30)
3. Gradul de concentrare (Grade ratio - Gr): reprezintă raportul dintre
concentraţia finală a materialului util în produs (gradul de separare) şi concentraţia
iniţială a materialului util în materialul iniţial Mmf uu :
35
uu
ur f
G
Mm
mmG 11 (1.31)
În cazul unui amestec de două materiale utile A si B, pentru care Mmf AA şi
Mmf BB reprezintă concentraţiile materialului A, respectiv B în materialul
iniţial (se observă că fA+fB = 1), se obţin relaţiile:
A
A
A
ArA f
G
Mm
mmG 11 (1.32)
respectiv:
B
B
B
BrB f
G
Mm
mmG 212 (1.33)
Pentru un proces de separare uzual mărimile G şi R sunt subunitare, iar rG este
supraunitar.
36
CAPITOLUL 2
SUSPENSII DE PARTICULE NANOMETRICE ÎN MEDII FLUIDE.
DIELECTROFOREZA
2.1. NOȚIUNI DE DINAMICA FLUIDELOR
În acest capitol, am trecut în revistă principalele ecuaţii ale dinamicii fluidelor,
pentru a putea analiza comportamentul fluidelor în microsisteme.
2.1.1. Ecuaţia Navier- Stokes
În teoria fluidelor se utilizează fie modelul structurii discrete (statistic), fie
modelul structurii continue (hidrodinamica), în care se face abstracţie de structura
discontinuă a gazului sau lichidului respectiv.
Magnetohidrodinamica se ocupă cu studiul fluidelor electroconductoare vâscoase
şi incompresibile ce pot fi considerate medii continue, supuse acţiunii unui câmp
magnetic (exemplu - plasme cu grad de ionizare ridicat: arcul electric, jetul incandescent
al reactoarelor, plasmele termonucleare) [17]. Pentru început se consideră cazul simplu în
care o forţă F acţionează asupra unui corp de masă m. Conform legii a Il-a a mecanicii
newtoniene:
du
m Fdt
(2.1)
unde: u
este viteza masei m
Considerând masa uniform distribuită într-un volum V, mecanica mediilor
continue introduce noţiunea de densitate masică Vm iar ecuaţia (2.1) se poate
scrie:
37
du F
dt V (2.2)
unde: F
fV
este forţa ce acţionează asupra unităţii de volum:
du
fdt
(2.3)
reprezintă legea de mişcare a “elementului de masă “ sub acţiunea forţei de densitate
volumică f .
Se iau în considerare şi forţele pe care straturile vecine volumului V le exercită
asupra masei de fluid din acest volum, ca în figura 2.1.
Se pleacă de la forţa
dF exercitată de restul fluidului asupra elementului de arie
dS al suprafeţei ce delimitează volumul V:
dF pndS (2.4)
unde p este presiunea, n
normala la suprafaţă, semnul – arată că forţa este orientată
înspre suprafaţă
Figura 2.1. Forţe de interacţiune în fluidul în mişcare
Pentru a descrie mișcarea unor fluide vâscoase (neideale) este necesar să se
introducă un termen corespunzător forțelor de frecare interne dintre straturile de fluid.
Aceste forțe sunt tangențiale la suprafața de contact dintre straturile de fluid, fiind date de
relația Newton [17]:
du
F Sdz
(2.5)
38
unde S este aria suprafeței de contact iar dz distanța dintre două straturi adiacente care se
mișcă unul față de altul cu viteza u
. Factorul este coeficientul de vâscozitate dinamică
a fluidului.
Forța de frecare ce se exercită asupra unității de volum este:
2
2
dF 1 d du d uf S
dV S dz dz dz
(2.6)
Relația (2.6) reprezintă forța de vâscozitate.
Astfel ecuaţia Navier- Stokes sau relaţia fundamentală a hidrodinamicii este:
upfdt
ud 2 (2.7)
În cazul MHD se ține seama de faptul că fluidul este electroconductor (conține
sarcini electrice), deci "simte" acțiunea unui câmp magnetic ce se exercită asupra sa. Se
va stabili în continuare expresia forței magnetice asupra unității de volum ca urmare a
faptului că fluidul se deplasează într-un câmp magnetic uniform de inducție B
. Aceasta
este forța Lorentz raportată la unitatea de volum:
Lm
df d(qu B) dqf u B J B
dV dV dV
(2.8)
q este sarcina electrică a fluidului ce se deplasează cu viteza u
în câmpul magnetic de
inducție constantă B
, iar J
reprezintă densitatea de current (sarcina electrică ce
traversează unitatea de suprafață în unitatea de timp). Astfel, ecuația Navier- Stokes (2.7)
se completează cu forța magnetică (2.8) și devine:
2duJ B u f
dt
(2.9)
ecuație ce constituie una din relațiile fundamentale ale teoriei MHD (ecuația de mișcare a
elementului de masă).
2.1.2. Forțe de acțiune hidrodinamică
Pentru majoritatea proceselor de separare magnetică componentele amestecului de
separat se află sub formă dispersată într-un mediu lichid (șlam), ceea ce implică luarea în
39
considerare și a forțelor de natură hidrodinamică cu care lichidul acționează asupra
componentelor șlamului, forțe reprezentând principalele concurente ale forței magnetice.
În principiu, forțele ce acționează asupra unui lichid pot fi exterioare (datorate
unor cauze externe), sau interioare (datorate interacțiunilor dintre diferite elemente de
volum ale fluidului), ambele categorii fiind forțe de suprafață sau de volum [18].
• Forțele (tensiunile) de suprafață sunt cu rază scurtă de acțiune, ele devin
apreciabile ca mărime numai când distanțele între elementele în interacțiune sunt de
ordinul distanțelor intermoleculare. În cazul interacțiunii dintre un element de volum și
mediul exterior aceste forțe pot acționa doar pe un strat subțire în vecinătatea graniței
elementului, ceea ce înseamnă că forța totală de suprafață corespunzătoare unui volum de
lichid este determinată de aria suprafeței acestuia.
• Forțele de volum sunt cu rază lungă de acțiune, ele "pătrund" în interiorul
lichidului și acționează asupra tuturor elementelor de volum (ex. greutatea, forța
centrifugă, forțe de natură electrică în interiorul lichidelor electroconductoare, etc.), forța
totală fiind proporțională cu mărimea volumului.
Referitor la forțele exterioare superficiale este necesar să se facă deosebirea între
modurile în care acestea se manifesta asupra unui lichid si asupra unui solid.
În cazul solidului nu există nici o restricție referitoare la direcția după care
acționează forța, în timp ce pentru un lichid în repaus forța de suprafață trebuie să fie
întotdeauna orientată perpendicular pe suprafața acestuia (deoarece un lichid în repaus nu
poate susține o forță tangențială; păturile de lichid ar aluneca unele peste altele, lichidul
nemaifiind în repaus). De aceea, în cazul fluidelor este mai convenabil să se descrie
acțiunea unei forțe exterioare prin intermediul presiunii p; pentru un lichid în repaus
câmpul tensorial al tensiunilor degenerează într-un câmp scalar al presiunii (așa cum s-a
mai precizat, tensiunile de forfecare date de forțele tangențiale sunt nule).
În cazul unui câmp de forțe exterioare conservativ (ex. câmpul gravitațional),
atunci forța volumică derivă dintr-un potențial și poate fi pusă sub forma:
Vf U
(2.10)
unde cu U s-a notat potențialul câmpului exterior
Se poate arăta că într-un fluid incompresibil aflat în repaus într-un câmp
conservativ de forțe, suprafetele de presiune constantă sunt în același timp și
40
echipotențiale; pentru un lichid în repaus plasat în câmp gravitational suprafața liberă a
acestuia este o suprafață echipotențială.
p
U c
(2.11)
Pentru a descrie mișcarea unui fluid cel mai simplu este să se specifice densitatea
și viteza acestuia în fiecare punct al său la orice moment de timp, definindu-se astfel linia
de curent, linie din interiorul unui fluid ce are vectorul viteză tangent în orice punct.
La viteze nu prea mari curgerea fluidului este laminară, în straturi paralele, liniile
de curent sunt bine determinate și nu se intersectează între ele, fiecare particulă de fluid
rămânând în permanență în interiorul aceluiași tub de curent.
Forța de rezistență exercitată asupra obiectelor plasate în fluid este în acest caz:
F 6 bv
(2.12)
unde v
este viteza relativă dintre particula imersată și fluid, coeficientul de vâscozitate
dinamică, iar b raza particulei considerată sferică.
La viteze mari curgerea devine turbulentă, neregulată, porțiuni de fluid se
amestecă între ele și formează turbioane.
Clasificarea curgerilor în laminară și turbulentă este foarte importantă în dinamica
fluidelor. Reynolds a arătat că, într-o conductă circulară de rază R, tranziția de la curgerea
laminară la cea turbulentă depinde de valoarea expresiei adimensionale:
e
vRR
(2.13)
Această cantitate, numită numărul Reynolds, are ca semnificație fizică valoarea
raportului dintre forța de inerție pe unitatea de suprafață și forța de vâscozitate pe unitatea
de suprafață a lichidului.
Numărul Reynolds reflectă direct stabilitatea curgerii laminare, dar este în același
timp și un parametru de similitudine (mișcări care difera prin v
, , , dar au același eR ).
Experimental s-a constatat că trecerea de la regimul laminar (Stokes) la cel
turbulent (Newton) are loc pentru anumite valori ale numărului Reynolds cuprinse în
intervalul de valori (0.2; 500) corespunzător unui regim tranzitoriu (Allen), funcție de
caracteristicile fluidului.
41
În general, problema care se urmărește în curgerea fluidelor o constituie
determinarea câmpului intern de presiune și a câmpului de viteze pentru un fluid aflat în
mișcare.
În cazul fluidelor vâscoase, între suprafața unui corp imersat și fluid se manifestă
forțe de coeziune moleculară, ceea ce face ca stratul de fluid vecin corpului să se mențină
în repaus față de acesta. Deci drept condiție la limită trebuie să se considere anularea
vitezei fluidului vâscos pe suprafețele unde are loc curgerea.
Dacă fluidul trece peste o suprafață plană, în interiorul său apare un gradient al
vitezelor într-un plan perpendicular pe suprafața dată, gradient ce se extinde de la
interfața solid-lichid până într-un punct din curentul de fluid unde are o valoare
neglijabilă. Stratul de fluid în care există efectiv acest gradient se numește strat limită.
2.2. DIELECTROFOREZA
Particulele nanometrice reprezintă un subiect de interes deosebit în ultimele două
decenii de cercetare științifică. Pe plan mondial se evidențiază tot mai stringent problema
efectului dăunător al nanopulberilor și al nanosuspensiilor lichide (< 100 nm). Acestea,
odată inhalate, ajung foarte rapid în sânge și nu pot fi eliminate, deoarece celulele
macrofage nu le pot identifica. Cercetări recente au arătat că dacă un material brut nu este
periculos, acesta poate deveni toxic dacă este sub formă de nanoparticule [19].
La nivel european, în mai 2008, a fost adoptată Directiva privind calitatea aerului
înconjurător și un aer mai curat pentru Europa (Directiva 2008/50/CE). Aceasta stabilește
noi obiective privind calitatea aerului pentru PM2,5 (particule fine) și vizează prevenirea
efectelor dăunătoare asupra mediului înconjurător și asupra sănătății. Directiva
2010/75/EU a Parlamentului European și a Consiliului Europei privind emisiile
industriale (emisiile provenite din surse staționare și emisiile cauzate de producția de
electricitate) a fost adoptată la 24 noiembrie 2010, a intrat în vigoare la 6 ianuarie 2011 și
trebuie să fie transpusă în legislația națională de către statele membre până la 7 ianuarie
2013. Programul „Aer curat pentru Europa” și inițiativa “Inspire” vizează reducerea
acestui tip de poluare până în anul 2020. România a transpus o mare parte a legislației
comunitare în domeniul protecției mediului. Prin legislația adoptată (HG 541/2003;
42
Ordinul MAPM 462/1993) emisiile de pulberi sunt limitate la 30-50 mg/m3 pentru
instalațiile mari de ardere și la 50 mg/m3 pentru alte sectoare industriale, dar în ceea ce
privește procesul de filtrare a nanoparticulelor nu există încă soluții eficiente.
Nanoparticulele inhalate pot produce radicali liberi, pot deteriora ADN-ul și altera
genele, ceea ce conduce la creșterea probabilității producerii cancerului, precum și a
incidenței fenomenelor mutagene și teratogene. Principalii responsabili în ceea ce
privește poluarea cu nanoparticule sunt emisiile industriale (instalațiile de ardere a
deșeurilor, industria metalurgică, fabrici de ciment, termocentrale, etc.), la care se adaugă
cele ale motoarelor cu ardere internă. Toți compușii chimici conținuți în gazele rezultate
din procesele de ardere au efect nociv asupra atmosferei, biodiversității și organismului
uman. Răspândirea lor atât sub formă de nanoparticule, cât și adsorbite pe carbonul fin
divizat determină menținerea îndelungată sub formă de suspensii foarte fine în atmosferă
și, totodată, modul cel mai direct de asimilare pulmonară, sanguină și celulară a acestor
noxe. În general, sursele de emisii poluante sunt echipate cu diferite filtre, care însă
captează doar particulele micronice, pe când cele nanometrice scapă aproape în totalitate
în aer. Deși masa de particule nanometrice este mică comparativ cu cea a particulelor
micronice, din punct de vedere numeric ele depășesc cu cel puțin patru ordine de mărime
pe toate celălalte [20].
Metodele clasice utilizate pentru manipularea (reținerea, separarea) particulelor
micrometrice au fost testate în ultimii ani și pentru particule nanometrice, majoritatea
însă fără prea mult succes. În instalațiile clasice de captare doar o mică parte dintre
nanoparticulele emise sunt colectate, și aceasta doar atunci când se atașează de particule
mai mari. Dispozitivele mecanice (cicloane, filtre cu saci, camere de sedimentare) nu sunt
eficiente datorită greutății mici a nanoparticulelor, iar metodele chimice sunt lente și pot
modifica compoziția nanoparticulelor în decursul procesării. Filtrele clasice Corona au
eficiența de reținere ridicată a particulelor micrometrice (93-99%), dar cele nanometrice
scapă aproape în totalitate în aer [21,22].
Cele mai promițătoare metode de manipulare a nanoparticulelor sunt cele bazate
pe utilizarea dielectroforezei (DEP) [23,24]. Aceasta reprezintă fenomenul de mișcare a
materiei polarizabile plasate în câmp electric neuniform, nefiind necesară o încărcare
electrică prealabilă a acesteia (Figura 2.2). În câmpuri electrice neuniforme particulele
43
dielectrice se deplasează ca urmare a interacțiunii dintre momentul dipolar indus în
particulă și câmpul electric aplicat, rezultând o forță translațională numită forță
dielectroforetică (FDEP). Forța dielectroforetică depinde de dimensiunea particulelor,
conductivitate, constanta dielectrică a acestora și a mediului precum și de gradientul
pătratului intensității câmpului electric aplicat [25].
Figura 2.2. Particulă neutră plasată în câmp electric neuniform.
Forța dielectroforetică poate fi scrisă sub forma [26]: ( )DEP F m E , unde E
este intensitatea câmpului electric, Em )(4)( 3 ka m reprezintă momentul dipolar
indus într-o particulă sferică omogenă, pulsația câmpului, a raza particulei, iar )(k
factorul Clausius–Mossotti.
În medii fluide, traiectoria unei particule este determinată, alături de forța
dielectroforetică, de forțe de natură hidrodinamică (vâscozitatea), greutate, arhimedică,
termică, browniană și forțe de natură cuantică, datorate dimensiunilor reduse ale
particulelor. Toate aceste forțe dau o rezultantă dependentă de proprietățile fizice ale
particulei, mediului fluid și ale câmpului aplicat (frecvența, intensitate), ce determină
devierea și în final reținerea în zone prestabilite, având ca rezultat reducerea concentrației
de nanoparticule sau chiar eliminarea lor din mediul fluid:
brownianthermalbuyoancydragDEP FFFFFF [26] (2.14)
44
Figura 2.3. Forțe exercitate asupra unei particule aflate într-un mediu fluid, sub acțiunea dielectroforezei.
Dielectroforeza prezintă o serie de aplicații în manipularea și analiza micro- și
nano-particulelor. Metoda fundamentală de manipulare constă în captarea unor particule
în zonele cu intensitate maximă a câmpului electric local [27], [28], [29]. Astfel de
metode au fost folosite cu succes pentru captarea microparticulelor și celulelor vii. O
importanță mai mare din punct de vedere al aplicațiilor o au metodele de separare
dielectroforetice [30], [31], [32]. În acest sistem, componentele unei suspensii duale sunt
separate în zonele de minim, respectiv maxim, ale câmpului electric. Metoda de separare
a fost folosită cu succes pentru a separa micro-particule, particule minerale, bacterii de
celule animale, celule roșii de celule cancerigene sau celule vii de celule moarte.
Dezavantajul primar în această configurație constă însă în necesitatea de a avea o
diferență relativă de peste 50% între frecvențele de excitare a particulelor. Această
problemă a fost remediată în parte prin folosirea tehnicii “travelling-wave DEP”
(twDEP), folosită pentru captarea și separarea virușilor sau a celulelor cancerigene.
Metode de tip “fracționarea câmpului de curgere” (DEP-FFF) au fost folosite pentru a
poziționa particulele într-un fluid în curgere folosind dielectroforeza. DEP-FFF este
important deoarece permite manipularea particulelor cu dimensiuni sub-micronice, pentru
care mișcarea browniană are un impact asupra poziției. DEP-FFF este folosit în sisteme
care conțin microsfere de latex, celule stematice sau celule roșii. O altă metodă care poate
fi de asemenea folosită la focalizarea unui jet de particule sau celule într-un fluid în
mișcare este deflecția prin dielectroforeză [33], [34]. Un factor important în stabilirea
posibilelor aplicații ale dielectroforezei o constituie geometria dispozitivelor utilizate.
Din punct de vedere al aplicațiilor practice, domeniul principal de utilizare a DEP este cel
45
al micro-biologiei. Dielectroforeza a fost folosită pentru manipularea lanțurilor de ADN,
a proteinelor și a virușilor [35], [36]. Un lanț de ADN de 16.5 m a fost imobilizat
folosind un set de electrozi de 15 m. Într-un experiment similar, DEP a fost folosit
pentru captarea unui lanț ADN folosind o configurație de 4 electrozi dimensiuni între 5 și
50 m. Captarea și analiza ADN-ului au fost realizate și în dispozitive cu dimensiuni de 2
m, unde DEP a fost folosită pentru a anula impactul forțele browniene[37].
Rezultate au fost raportate și în cazul manipulării și separării virușilor. În
domeniul nano-scopic au fost raportate o serie de succese în captarea unor celule
bacteriene (dimensiuni tipice în jur de 800 nm) folosind o configurație DEP circulară cu
dimensiuni între 230 și 780 m. Datorită dimensiunilor compacte a dispozitivelor DEP,
acestea au devenit un candidat important pentru dezvoltarea tehnologiei “lab-on-a-chip”,
dispozitive micro- și nano-scopice care integrează instrumentația necesară efectuării unor
serii de analize. Acest tip de configurație este utilizat în separarea, combinare și
transportarea celulelor sau a medicamentelor. Dimensiunile tipice ale dispozitivelor sunt
de ordinul milimetrilor dar pot ajunge și la dimensiuni de ordinul centrimetrilor.
Astfel, o serie de modele au fost propuse pentru manipularea particulelor
conductoare și dielectrice, separarea particulelor din suspensii sau manipularea
particulelor aflate într-un fluid în curgere.
2.3. PROPRIETĂŢI DIELECTRICE ALE SUSPENSIILOR DE
PARTICULE NANOMETRICE
2.3.1. Permitivitate dielectrică, cazul static
În cazul unui condensator plan cu distanţa între armături d (între acestea aflându-
se vid) mai mică decât dimensiunile acestora, care este supus la o diferenţă de potenţial
V0, astfel încât câmpul electric dintre armături să poată fi considerat omogen, se poate
defini mărimea C0 denumită capacitatea electrică [38]:
46
d
SC 0
0
(2.15)
unde S reprezintă aria suprafeţei comune a armăturilor, iar mF /1085,8 120
reprezintă constanta dielectrică a vidului. De asemenea, utilizând relaţiile de legătură
între diferenţa de potenţial V0, intensitatea câmpului electric E0, sarcina electrică Q
acumulată pe armături şi capacitatea electrică C0, redate în expresiile (2.16), (2.17)
0
0 V
QC (2.16)
d
VE 0
0 (2.17)
se obţine expresia intensităţii câmpului electric între armăturile unui condensator gol,
conform relaţiei (2.18).
S
QE
00 (2.18)
Dacă între armături se introduce un material dielectric, capacitatea electrică C şi
intensitatea câmpului electric E vor avea valorile date de expresiile (2.19) şi (2.20)
d
SC
(2.19)
S
QE
(2.20)
capacitatea C crescând de r ori:
47
rC
C
00
(2.21)
În cazul tensiunii şi a intensităţii câmpului electric, acestea scad de r ori:
rV
V
1
0
(2.22)
rE
E
1
0
(2.23)
Astfel, constanta dielectric sau permitivitatea electrică relativă r indică de câte
ori creşte capacitatea unui condensator atunci când între armăturile sale se află un
material dielectric, faţă de situaţia când între armături este vid [38]. Această capacitate de
a înmagazina energie este dată de fenomenele de polarizare ce pot apărea atunci când o
substanţă plasată într-un condensator interacţionează cu câmpul electric dintre armături.
Despre o substanţă se spune că este polarizată dacă aceasta se caracterizează prin
existenţa unui dipol electric al unităţii de volum diferit de zero. Mecanismul prin care are
loc această polarizare, reprezintă separarea l a centrului sarcinilor pozitive +q de centrul
sarcinilor negative –q în atomi ori molecule atunci când se aplică un câmp electric [39].
Acest proces continuă până când forţa dintre sarcinile separate echilibrează forţa
câmpului electric.
O consecinţă a fenomenului de polarizare este momentul electric dipolar (figura
2.4) definit prin relaţia (2.24).
Figura 2.4. Momentul electric dipolar
-q +q
l
48
lqp (2.24)
În cazul amestecurilor de cenușă cu aer pot apare patru mecanisme de polarizare
[39], [40]:
1. Polarizarea electronică, reprezintă polarizarea care apare prin deplasarea
relativă a centrului sarcinilor pozitive în raport cu cele negative ale unui atom sau ion,
prin deformarea norului electronic la interacţiunea cu un câmp electric extern.
2. Polarizarea ionică (de deplasare sau de vibraţie) reprezintă separarea ionilor
pozitivi şi negativi ai unei molecule prin deplasarea acestora din poziţiile de echilibru.
3. Polarizarea de orientare reprezintă tot o separe a sarcinilor în dielectricii
formaţi din molecule ce posedă un moment dipolar permanent. Câmpul electric aplicat va
determina o orientare sau rotire spaţială a dipolilor, din poziţia de echilibru, rezultând
polarizarea de orientare. În absenţa unui câmp electric, datorită agitaţiei termice,
polarizarea totală este nulă. În cazul argilelor cu un conţinut ridicat de apă, acesta este
mecanismul de polarizare cel mai important [41].
4. Polarizarea interfacială reprezintă separarea sarcinilor prin migrarea şi
acumularea acestora pe suprafeţele de discontinuitate, atunci când se aplică un câmp
electric.
Determinarea permitivităţii relative r , implică cunoaşterea modului în care un
număr foarte mare de particule interacţionează cu un câmp electric extern. Acest lucru
implică evaluarea interacţiunii unei particule individuale cu câmpul extern, şi a
influenţelor pe care le au interacţiunile dintre alte particule asupra particulei studiate [42].
Pentru a evalua în aceste condiţii pe r , se pleacă de la expresia câmpului local
care produce efectiv polarizarea în interiorul materialului dielectric. În cazul dielectricilor
în stare gazoasă, câmpul electric local E
este aproximativ egal cu câmpul exterior 0E
aplicat dielectricului. În cazul dielectricilor în stare lichidă ori solidă, câmpul electric în
interiorul dielectricului este mai mic decât câmpul electric aplicat [38].
10 EEE
(2.25)
49
Astfel se consideră un dielectric având în interior o cavitate sferică, acolo unde ar
trebui să fie plasată o moleculă a acestuia.
Figura 2.5. Câmpul electric în interiorul unui dielectric cu o cavitate sferică
Datorită sarcinilor de polarizare, negative în zona inferioară, respectiv pozitive în
zona superioară a cavităţii, o moleculă este supusă acţiunii câmpului electric 1E
care are
tendinţa de a reduce intensitatea câmpului electric iniţial 0E
. În dielectricii denşi, dipolii
electrici permanenţi sau induşi de câmpul electric interacţionează între ei. În felul acesta
fiecare moleculă este supusă influenţei unui câmp electric dipolar de interacţiune. De
asemenea, în afară de câmpurile mai sus menţionate, pe suprafaţa cavităţii apar sarcini
electrice care produc un câmp electric care poartă numele de câmp Lorentz. Astfel,
expresia câmpului local localE
care acţionează asupra unei molecule situate în centrul
cavităţii sferice este dat de expresia:
Lorentzdipolarlocal EEEEE
10 (2.26)
Pentru dielectricii cu simetrie sferică câmpul electric dipolar este nul, şi
introducând expresia pentru câmpul Lorentz [38],
03P
ELorentz
(2.27)
50
se obţine
03P
EElocal
(2.28)
În continuare, făcând uz de expresia legături dintre momentul electric dipolar şi
câmpul electric local, prin factorul de proporţionalitate al polarizabilităţii:
localEp (2.29)
de expresiile polarizării şi a legăturii acesteia cu câmpul electric local (relaţiile 2.30,
2.31):
pnV
pP i
i
(2.30)
EP
0 (2.31)
Precum şi a legăturii dintre parametrul macroscopic al susceptibilităţii de
mărimea microscopică a polarizabilităţii :
)3/1( 00
n
n
(2.32)
unde 1 S , se obţine ecuaţia Clausius-Mossotti [38]:
032
1
n
S
S
(2.33)
51
unde reprezintă suma tuturor polarizabilităţilor specifice substanţei investigate, iar
raportul 2/1 poartă numele de polarizare sau polarizaţie specifică. Iar S
reprezintă permitivitatea dielectrică în cazul static.
2.3.2. Permitivitate dielectrică, cazul dinamic
Orice substanţă dielectrică, ori amestec de dielectrici poate fi caracterizat de către
permitivitatea sa dielectrică, care reprezintă capacitatea substanţei ori a amestecului
respectiv de a înmagazina energia electrică la interacţiunea cu un câmp electric. Atunci
însă, când interacţiunea are loc cu un câmp electric alternativ datorat unei tensiuni
alternative de forma tjeVV 0 ( unde ω este pulsaţia/frecvenţa, iar 1j ),
permitivitatea dielectrică poate fi reprezentată printr-o funcţie complexă dependentă de
frecvenţă, având forma:
0( ) ( )r (2.34)
unde ( )r este forma complexă a permitivităţii dielectrice relative [39] .
Densitatea curentului total prin dielectric rezultată în urma aplicării
tensiunii tjeVV 0 este reprezentă de suma densităţii curentului de conducţie CJ
şi cea a
curentului de deplasare DJ
.
DCT JJJ
(2.35)
Utilizând relaţiile de mai jos, care leagă mărimile CJ
, DJ
şi a inducţiei electrice
D
de intensitatea câmpului electric E
:
PED
(2.36)
52
EJ C
(2.37)
t
EJ rD
0 (2.38)
unde, E
– intensitatea câmpului electric [V/m]; D
– inducţia electrică [C/m2]; J –
densitatea de curent [A/m2]; – permitivitatea dielectrică [F/m]; – conductivitatea
electrică [S/m] iar P
– polarizarea, obţinem:
t
EEJ rT
0 (2.39)
Iar în cazul alternativ, cu tjeEE 0 , unde E0 reprezintă amplitudinea câmpului, ecuaţia
(2.39) devine
Ej
jJ rT
0
(2.40)
Iar permitivitatea dielectrică relativă se exprimă în forma complexă:
)()()( j-r (2.41)
sau
0
)()()( jr (2.42)
Partea reală, ε` , este corelată cu energia înmagazinată, iar partea imaginară, care
are valoare efectivă, '' ''
0
( )ef f , exprimă energia disipată. Partea imaginară a
permitivităţii dielectrice complexe, ''eff , are două componente. Prima, ε”(ω) este corelată
cu pierderile prin polarizare iar cea de a doua, 0/ este corelată cu pierderile prin
conducţie [39].
53
Raportul dintre partea imaginară a permitivităţii dielectrice complexe şi partea
reală a acesteia, cunoscut şi ca factor de disipaţie este dat în relaţia (2.43). Acest raport
este egal cu tangenta unghiului de defazaj, ori tangenta unghiului de pierderi dintre
intensitatea câmpului electric Eşi inducţia electrică D
, şi este dată în relaţia (2.43).
,
,,
tan
eff (2.43)
2.3.3. Procese de relaxare
Spectrul electric al unei substanţe ori amestec de substanţe este definit ca o
reprezentare grafică a parţii reale , a părţii imaginare ''ef f ori a factorului de disipaţie
tan în funcţie de frecvenţa 2/f . Din punct de vedere fizic, spectrul electric
reprezintă transformata Fourier a unui proces tranzitoriu [43]. În general, procesele de
polarizare sunt caracterizate de o scădere exponenţială, cu un timp de relaxare , şi o
frecvenţă critică de rezonanţă (la care are loc cea mai mare pierdere/disipare de energie)
de 2/1cf [44], [45]. Un astfel de fenomen poartă numele de relaxare Debye
(răspunsul de relaxare dielectrică al unei mulţimi de dipoli ce nu interacţionează între ei,
într-un câmp electric alternativ) şi poate fi descrise foarte bine cu ajutorul unei ecuaţii
dependente de frecvenţă pentru permitivitatea dielectrică complexă, ecuaţie cunoscută
drept ecuaţia Debye:
jj
j S
1''' (2.44)
cu partea reală şi cea imaginară redate în expresiile (2.45) şi (2.46)
(2.45) 221
)()(
S
54
(2.46)
unde corespunde unei frecvenţe mult mai mari decât cea critică, cff iar S unei
frecvenţe mult mai mici decât cea critică cff . Reprezentarea grafică a dependenţei
părţii reale şi imaginare a permitivităţii dielectrice relative complexe de frecvenţă,
conform relaţiei Debye este dată în figura 2.6.
Figura 2.6. Dependenţa de frecvenţă a lui )('' şi )(' pentru un dielectric de tip Debye, conform
relaţiei (2.44) [42]
2.4. MODELE TEORETICE PENTRU AMESTECURI DE DIELECTRICI
2.4.1. Modele de aproximaţie efectivă de mediu (EMA – Effective Medium
Approximation)
220 1
)()(
S
55
Scopul modelelor teoretice de caracterizare a amestecurilor dielectrice este de a
face o legătură între proprietăţile macroscopice efective ale amestecului, şi proprietăţile
constituenţilor [43].
În acest scop se consideră un amestec izotrop şi omogen a două materiale. Unul
este considerat a fi mediul ori matricea gazdă, iar celălalt se consideră a fi sub forma unor
incluziuni sferice, ocupând o fracţie volumică .
Cel mai simplu model pentru amestecuri de dielectrici porneşte de la prezumţia
unui amestec a doi dielectrici ideali, având permitivităţile dielectrice 1 şi 2 cu fracţiile
volumice VV /11 şi VV /22 unde V reprezintă volumul total al amestecului, iar
V1 şi V2 reprezintă volumele celor două componente. Valoarea medie a câmpului electric
în amestec E poate fi calculată ca:
V
dVEV
E1
(2.47)
Iar în fiecare componentă a amestecului
1
11
1
1V
dVEV
E
(2.48)
2
22
2
1V
dVEV
E
(2.49)
Astfel, legătura dintre valoarea medie a câmpului ansamblului E şi valorile
medii ale câmpului în cele două fracţii volumice 1E şi 2E este dată de relaţia (2.50).
2211 EEE (2.50)
Acelaşi lucru fiind valabil şi pentru inducţia electrică:
56
2211 DDD (2.51)
Dacă se consideră permitivitatea dielectrică a amestecului ca fiind ED / ,
iar cea a compuşilor 111 / ED şi 222 / ED , şi utilizând raportul dintre
intensităţile câmpurilor electrice, EEf /11 respectiv EEf /22 se poate obţine,
înlocuindu-se în relaţia (2.51), legătura dintre permitivitatea dielectrică a amestecului, şi
permitivităţile dielectrice ale compuşilor:
22121 )( f (2.52)
2.4.2. Modelul Maxwell-Wagner
În continuare se presupune că amestecul este format dintr-o matrice gazdă, cu
permitivitatea dielectrică 1 , conţinând incluziuni cu permitivitatea 2 . De asemenea se
presupune că dimensiunea incluziunilor este mult mai mică decât dimensiunea probei,
astfel încât proba poate fi considerată omogenă din punct de vedere macroscopic. Cel mai
greu de evaluat în astfel de cazuri este EEf /22 . Primul care a calculat termenul
2f , considerând o suspensie diluată de sfere, a fost Wagner în 1924, el obţinând
următoarea relaţie [46]:
21
12 2
3
f (2.53)
Introducând relaţia (2.53) în relaţia (2.52), obţinem expresia pentru cazul unor
incluziuni sferice în suspensie, cunoscută şi ca relaţia Maxwell-Wagner.
221
1211 2
3
(2.54)
57
Figura 2.7. Geometria mixturii: incluziuni dielectrice sferice şi izotrope,într-un mediu mediu dielectric
izotrop
Factorul 2f a fost calculat şi pentru incluziuni elipsoide [47]:
3
1 12
2
2 ]1)/[(1
cos
i i
i
Af
(2.55)
Unde Ai sunt trei factori de depolarizare, i sunt trei unghiuri între axele elipsoidale şi
câmpul electric E
, iar 1 şi 2 reprezintă permitivităţile dielectrice ale matricei gazdă,
respectiv a incluziunilor [48].
2.4.3. Modele diferenţiale (modelul Maxwell-Wagner-Bruggeman-Hanai -
MWBH)
Pentru o mai bună evaluare a interacţiunii incluziunilor se consideră abordarea
diferenţială dezvoltată de către Bruggeman [49]. Această abordare constă în atingerea
concentraţiei finale de incluziuni prin adăugarea treptată a unor cantităţi infinitezimale de
incluziuni . Creşterea a permitivităţii dielectrice a amestecului datorată a n
adăugări a astfel de mici porţiuni de incluziuni este dată de expresia (2.56):
58
nn
nnnn
2
2
23 (2.56)
Această relaţie poate fi considerată o ecuaţie diferenţială ce leagă de .
Dacă se integrează de la 1 şi 02 la 2 n respectiv 2 n se obţine
relaţia lui Bruggeman:
2
3/1
1
21
2 1
(2.57)
O altă teorie privind constanta dielectrică complexă a unor concentraţii de
particule sferice, în care fiecare componentă este caracterizată de către o constantă
dielectrică complexă a fost dezvoltată în mod analog de către Hanai, şi are forma:
2
3/1
1
21
2 1
(2.58)
Expresia de mai sus poate fi considerată ca reprezentativă pentru teoria mediului efectiv
în analiza compuşilor dielectrici sferici aflaţi în suspensie. Teoria aceasta mai poartă şi
numele de teoria Maxwell-Wagner-Bruggeman-Hanai (MWBH)[50].
Din relaţia (2.58) pot fi deduse diferite expresii pentru câteva cazuri limită
importante, cum ar fi cazul frecvenţelor joase ori ridicate, ori cazul conductivităţii
ridicate fie a incluziunilor fie a matricei gazdă. De exemplu, pornind de la ecuaţia (2.58)
în cazul frecvenţelor joase, şi cu 12 , partea reală permitivităţii dielectrice
complexe a amestecului poate fi exprimată ca [48], [50]:
32
1
1
(2.59)
Din această relaţie se poate deduce că particule conductoare încastrate într-un
mediu dielectric determină o creştere semnificativă a permitivităţii dielectrice atunci când
59
12 . Astfel, deşi incluziunile de apă într-un dielectric la frecvenţe înalte au
permitivitate dielectrică de 80 , la frecvenţe joase incluziunile reuşesc să ecraneze
câmpul electric extern datorită deplasării sarcinilor de-a lungul unei distanţe aproape
egală cu lungimea Debye, ceea ce înseamnă că la frecvenţe joase incluziunile de apă au o
permitivitate dielectrică foarte ridicată (tinzând aproape spre infinit).
De asemenea se poate observa din relaţiile de mai sus, că atât permitivitatea
dielectrică complexă, cât şi conductivitatea electrică complexă, , a unei suspensii
de particule sferice nu depind de dimensiunea incluziunilor. Acest lucru exprimă faptul
că teoria MWBH nu ţine cont de efectele suprafeţei incluziunilor atunci când evaluează
polarizarea şi conductivitatea.
60
CAPITOLUL 3
METODE DE CARACTERIZARE A NANOPARTICULELOR
REZULTATE DIN ARDEREA DEȘEURILOR
Deşeurile periculoase provin de la o gamă largă de surse diferite precum
gospodăriile, activităţi comerciale sau industriale.
Arderea lor oferă avantajul transformării într-un reziduu practic nepoluant, puţin
voluminos şi redus ca pondere în raport cu materia primă iniţială.
Pro Air Clean Timișoara folosește o instalație de incinerare cu o capacitate totală
de incinerare de 23.000 tone/an, respectiv 2880 kg/oră. Instalația a fost realizată în scopul
eliminării finale prin metoda incinerării (tratare termică), a deșeurilor spitalicești,
industriale periculoase și a deșeurilor provenite din ambalaje contaminate.
„Incinerarea înseamnă de fapt contaminarea aerului, care apoi este inhalat de
oameni. Chiar și când vorbim de cele mai moderne incineratoare, aerul tot este
contaminat. E vorba de praful foarte fin, dar și de protoxizii de azot (cunoscuți mai ales
sub numele de gaz ilariant) și de mulți alți compuși chimici cum ar fi substanțe care
conțin brom și un nucleu benzenic ale cărui limite legale nu sunt stabilite.
Dincolo de faptul că elimină cenușă toxică și alte reziduri, incineratoarele emit și
particule foarte mici, rezultate din arderea deșeurilor. Acestea pot călători distanțe lungi
și, odată ajunse în sistemul respirator pot avea efecte mortale. Cele mai mari particule
PM10 sau pulberi materiale în suspensie pătrund în nas, gât și plămâni, iar cele mai fine,
PM2,5 sau PM1 ajung în părțile cele mai sensibile ale plămânilor [20],[22]. Surse
medicale susțin că corpul are nevoie de aproape cinci ani pentru a le elimina. Atâta vreme
cât particulele ultrafine nu pot fi capturate de cele mai multe sisteme de control al
poluării și ajung în plămâni, singura metodă este realizarea unor filtre care să blocheze în
proporție de 100% emisia de substanțe toxice în atmosferă.
Caracterizarea cât mai completă a proprietăţilor fizico-chimice a nanoparticulelor
provenite din arderea deșeurilor este necesară atât în procesele tehnologice, in vederea
captării acestora cât şi în cercetare.
61
În ultima jumătate de secol au fost puse la punct numeroase tehnici de investigare,
a nanoparticulelor referitoare la structura cristalină, morfologia, studiul suprafetei,
compozitia chimică, proprietaţile optice, electrice şi magnetice, etc.
Câteva dintre aceste tehnici reprezentative ce pot fi folosite cu succes la
investigarea nanoparticulelor vor fi descrise pe parcursul acestui capitol:
- studiul dimensiunilor nanoparticulelor l-am efectuat cu ajutorul microscopului
Nano Sight LM10, microscop achiziționat în cadrul proiectului de cercetare PN-II-ID-
PCE-2011-3-0762, nr. 175/25.10.2011, utilizând metoda NTA (Nanoparticle Tracking
Analysis), o metodă directă de vizualizare și analizare în timp real a nanoparticulelor;
- pentru determinarea compoziției chimice am utilizat spectrometrul de absorbție
atomică CONTRAA 700, aflat în dotarea laboratorului de analiză instrumentală Pro Air
Clean Timișoara, folosind metoda AAS (spectrometria de absorbție atomică);
- pentru analiza calitativă (imagistică) şi cantitativă (EDAX) am utilizat
dispozitivul electronic de baleiaj Quanta 200, aflat în dotarea Institutului Național de
Cercetare-Dezvoltare pentru Electrochimie și Materie Condensată Timișoara,
Departamentul de Materie Condensată, folosind metoda microscopiei electronice de
baleiaj;
- pentru analiza cantitativă prin difracţie de raze X am folosit difractometrul
Bruker-AXS D8 Advance, aflat în “Laboratorul pentru determinări cristalografice pe corp
solid (LDCCS)” de la Facultatea de Fizică din cadrul Universităţii de Vest din Timişoara,
folosind metoda pentru determinarea compozitiei unui amestec multifazic;
- pentru determinarea proprietăţilor dielectrice în câmp de joasă frecvență (25 Hz
- 2MHz), am utilizat un RLC- metru Agilent type (E4980A), aflat în dotarea laboratorului
de magneto-dielectrici din cadrul Facultăţii de Fizică de la Universitatea de Vest din
Timişoara folosind metoda capacitivă.
3.1. METODA NTA (NANOPARTICLE TRACKING ANALYSIS)
În studiul dimensiunilor nanoparticulelor, cei de la NanoSight au dezvoltat un
instrument unic care permite urmărirea particulelor aflate în mișcare Browniană într-o
suspensie lichidă.
62
Tehnica de analiză a nanoparticulelor aflate în mișcare (NTA – Nanoparticle
Tracking Analysis) este o metodă directă de vizualizare și analizare în timp real a
nanoparticulelor. Mișcarea Browniană a nanoparticulelor este analizată cu ajutorul unui
microscop iluminat cu un fascicol laser (30 mW, 635 nm), prevăzut cu o cameră CCD.
Cu ajutorului softului dedicat, se analizează fiecare particulă în parte, permițând
determinarea dimensiunii nanoparticulelor (a diametrului hidrodinamic). Pentru ca
particulele să fie vizibile este necesar ca solventul în care acestea sunt prezente, să fie
suficient de transparent pentru iluminarea fascicolului. Proba trebuie să fie diluată la o
concentrație între 810 și 910 particule/ml (în funcție de tipul de particule) și să nu conțină
particule cu diametrul mai mare de 10 µm. Aceste particule mari pot să degradeze
calitatea imaginii. Alegerea diluantului este importantă și nu trebuie să afecteze dispersia
particulelor. Proba se introduce încet cu ajutorul unei seringi, orientată în direcție
verticală, pentru a nu se creea bule [51].
Din măsurarea simultană a fiecărei particule deplasate, coeficientul de difuzie (Dt)
și raza hidrodinamică (rh) pot fi determinate utilizând ecuația Stokes-Einstein:
6
B
h
K TDt
r (3.1)
unde KB este constanta Boltzmann, T este temperatura, η este vâscozitatea solventului.
Pentru măsurătorile dimensionale ale probelor de cenușă am utilizat microscopul
Nano Sight LM10 (figura 3.1), microscop achiziționat în cadrul proiectului de cercetare
PN-II-ID-PCE-2011-3-0762, nr. 175/25.10.2011.
63
Figura. 3.1. Microscopul Nano Sight LM10
Pentru măsurători am preparat pentru fiecare din probele de cenușă, un amestec
de 5 mg pulbere și 100 ml apă distilată la temperatura camerei, lăsând amestecul la prima
măsurătoare 20 minute, pentru ca microparticulele să se decanteze, iar la cea de-a doua
măsurătoare încă 10 minute. De fiecare dată, după decantarea particulelor micrometrice,
s-a colectat lichidul rămas și apoi am analizat dimensiunea/distribuția concentrației
particulelor.
3.2. SPECTROMETRIA DE ABSORBȚIE ATOMICĂ
Spectrometria de absorbție atomică (AAS) poate fi definită ca o metodă pentru
determinarea concentrației unui element dintr-o probă prin măsurarea absorbției radiației
în vapori atomici produși de probă la o lungime de undă specifică și caracteristică
elementului de studiat. Obținerea unei populații de atomi liberi este una din principalele
funcții ale aparatelor de absorbție atomică. Realizarea ei se poate face prin analiza probei
de studiat în flacără sau electrotermic în cuptorul de grafit .
În spectroscopia de absorbţie atomică (AAS), elementele ca substanţe de analizat
sunt transformate în stare atomică liberă într-un dispozitiv de atomizare prin absorbţie de
energie termică. Aceşti atomi sunt capabili să absoarbă radiaţia specifică elementului. La
acest capăt, o lampă specifică elementului, cu catod scobit făcută din elementul care
urmează a fi investigat, este introdusă în traiectoria razei într-un spectrometru de
64
absorbţie atomică cu dispozitiv de atomizare şi cu un detector. În funcţie de concentraţia
elementului care urmează a fi determinat în probă, o parte din intensitatea radiaţiei lămpii
cu catod scobit este absorbită de atomii formaţi. Două foto-multiplicatoare măsoară
intensitatea radiaţiei neatenuate şi radiaţia după părăsirea dispozitivului de atomizare în
timpul furnizării unei soluţii de probă. Concentraţia elementului în probă poate fi
calculată prin diferenţa dintre cele două intensităţi [52].
În spectroscopia de absorbţie atomică (AAS) cu flacără , proba este atomizată şi
aspirată într-un arzător, astfel încât elementele de analizat pot fi atomizate într-o flacără a
unui gaz combustibil, ca de exemplu acetilenă, şi a unui gaz oxidant, de obicei aer.
Arzătorul este poziţionat într-un astfel de mod încât regiunea flăcării cu concentraţia
maximă de atomi să fie în traiectoria razei spectrometrului.
Flacăra constituie o sursă de atomi liberi și în același timp un spațiu în care
aceștia sunt conținuți similar unei cuve din spectrometria de absorbție moleculară UV-
VIS. Spre deosebire de cuvele clasice, în flacără avem de-a face cu o cuvă dinamică în
care atomii liberi sunt mereu formați, iar cei deja formați părăsesc spațiul flacării.
În spectroscopia de absorbţie atomică (AAS) cu cuptor de grafit, un tub de grafit
care se poate încălzi, ca dispozitiv de atomizare, este localizat în traiectoria razei. O
picătură mică din probă este pipetată în tubul de grafit, unde se usucă prin încălzire
electrică, iar reziduurile sunt calcinate. În pasul de încălzire ulterior la o temperatură
foarte înaltă, elementele prezente în reziduuri sunt atomizate. În timpul acestei faze,
atenuarea radiaţiei lămpii prin atomizare în volumul îngust al tubului de grafit poate fi
măsurată cu o foarte bună precizie. Ca rezultat, limitele foarte joase de detecţie fac
din AAS cu cuptor de grafit o metodă de înaltă performanţă pentru analiza elementului.
Spectrometrul de absorbție atomică măsoară radiația absorbită de atomii care
rămân în stare fundamentală (neexcitați) în stare gazoasă. Numărul acestora fiind de
obicei mult mai mare decât a celor excitați, spectrometria de absorbție atomică (AAS)
este o metodă caracterizată de o sensibilitate mult mai bună, cel puțin până la temperaturi
de 5000K.
Pentru determinarea compoziției chimice din probele de cenușă am utilizat
spectrometrul de absorbție atomică CONTRAA 700, aflat în dotarea laboratorului de
analiză instrumentală Pro Air Clean Timișoara (figura 3.2).
65
Spectrometrul de absorbție atomică CONTRAA 700 este un spectrometru cu
sursă continuă pentru analiza în flacără și cuptor de grafit, în vederea determinării
compoziției chimice a probelor de cenușă.
Figura 3.2. Spectrometrul de absorbție atomică CONTRAA 700.
Partea optică este acoperită cu un strat protector şi închisă ermetic într-un
compartiment ce nu permite pătrunderea prafului.
Conceptul avansat al cuptorului permite controlul temperaturii tubului pe baza
radiaţiei emise de acesta, independent de variaţiile acestei emisii şi asigură condiţii de
temperatură precise, reproductibile şi exacte de la analiză la analiză.
3.3. MICROSCOPIA ELECTRONICĂ DE BALEIAJ (SEM)/
SPECTROMETRU CU ENERGIE DISPERSIVĂ DE RAZE X (EDAX)
Pentru analiza morfologică și elementală a probelor de cenușă sub formă de
pulberi, am utilizat metoda microscopiei electronice de baleiaj. Analiza semicantitativă a
probelor de cenușă s-a realizat cu modulul de spectrometrie cu energie dispersată cu raze
X (EDX), o componentă a SEM pentru identificarea elementelor chimice existente în
probele analizate. În detaliu, spectroscopia de raze X prin disperie de energie (EDX)
constă în investigarea probei prin intermediul analizei razelor X emise de către materie în
urma bombardamentului cu particule încărcate ca urmare a interacţiei dintre radiaţia
electromagnetică şi materie. Prin această tehnică se pot determina numai elemente cu
număr atomic mai mare de 5.
66
Formarea imaginii se realizează cu ajutorul electronilor secundari sau reflectaţi,
care apar în urma bombardării probei cu fascicolul primar de electroni. Fascicolul de
electroni, produs de tunul electronic, este micşorat la maximum prin intermediul a 2 sau 3
lentile electromagnetice, urmărindu-se astfel obţinerea unui fascicul extrem de îngust, cu
diametrul sub 100Å, care este proiectat pe preparat. Cu ajutorul a două bobine de
deflexiune, plasate în interiorul ultimei lentile electromagnetice, activate de un curent
produs de un curent de baleiaj, fasciculul primar de electroni astfel focalizat este
determinat să efectueze o mişcare în zig-zag peste preparat, realizându-se o baleiere a
suprafeţei acestuia [53].
Baleierea se poate realiza fie prin deviaţia fasciculului de electroni cu ajutorul
unor câmpuri electrostatice sau electromagnetice variabile pe două direcţii reciproc
perpendiculare; fie prin deplasarea mecanică a probei în fasciculul electronic menţinut
fix.
Un detector utilizat pe scară largă este detectorul cu semiconductori, în care
electronii incidenţi care lovesc detectorul produc perechi electron-gol, care determină
apariţia unui curent electric în circuitul exterior.
Spectroscopia de raze X prin dispersie de energie (EDAX, EDS sau EDX) a fost
realizată cu dispozitivul electronic de baleiaj Quanta 200 (figura 3.3), permițând o
rezoluție de 133eV, la Institutul Național de Cercetare-Dezvoltare pentru Electrochimie și
Materie Condensată Timișoara, Departamentul de Materie Condensată.
Figura 3.3. Dispozitivul electronic de baleiaj Quanta 200
67
Aparatul are două moduri de lucru: vacuum înaintat (high vacuum) şi vacuum
preliminar (low vacuum), fiind echipat cu un suport de probă motorizat după patru axe: x,
y, z şi rotaţie.
Microscopul electronic de baleiaj este utilizat pentru analiza calitativă
(imagistica) şi cantitativă (EDAX) a materialelor. Pot fi analizate probe conductoare
şi/sau probe preparate prin metode convenţionale (acoperite).
3.4. DIFRACȚIA DE RAZE X
Difracţia de raze X este o tehnică nedistructivă care permite obţinerea de
informaţii precise despre compoziţia chimică şi structura cristalină a materialelor naturale
şi de sinteză. Analizele calitative de fază cu ajutorul spectrelor de radiaţie X sunt deosebit
de importante, pentru identificareea compuşilor cristalini.
Prin difracţia razelor X pe pulberi cristaline se obţin spectre caracteristice,
specifice şi unice pentru fiecare specie cristalină. Aceste spectre pot fi utilizate la
determinarea prezenţei sau absenţei unei faze cristaline [54].
Pentru studiul materialelor cu raze X se foloseşte linia Kα, de cele mai multe ori
linia Kβ fiind filtrată cu ajutorul unui film absorbant (de exemplu o folie subţire de
nichel). Cuprul este cel mai folosit metal care poate fi păstrat cu uşurinţă la temperaturi
scăzute, deoarece are o conductivitate termică mare şi produce linii Kα Kα şi Kβ puternice.
Lungimea de undă corespunzătoare liniei Kα a cuprului este λ = 0.1541nm.
Presupunem un sistem de plane reticulare N1, N2, N3 care se repetă la aceeaşi
distanţă d. Pe aceste plane cade un fascicul de raze X sub unghiul θ şi având lungimea de
undă λ (figura 3.4).
Figura 3.4. Difracţia unui fascicul de radiaţie X pe un şir de plane reticulare cu distanţa d între ele
68
Pentru ca radiaţiile reflectate să prezinte un maxim de intensitate trebuie să
satisfacă relaţia:
(3.2)
unde λ este lungimea de undă a radiaţiei X,
n este ordinul difracţiei,
θ este unghiul de difracţie.
Analiza de fază a unui amestec de componente cristaline prin tehnici de difracţie
cu radiaţii X se bazează pe faptul că o componenta produce o figura de difracţie
caracteristică, indiferent dacă acea componentă este prezentă singura sau în amestec cu
alta. Intensitatea maximului de difracţie al unui anumit component din amestec, depinde
de concentraţia acelui component în amestec. Cu toate acestea, relaţia dintre intensitate şi
concentraţie nu este liniară, din cauza că intensitatea de difracţie depinde semnificativ de
coeficientul de absorbţie al amestecului, care, la rândul lui, variază cu concentraţia
componentului.
Intensitatea fasciculului difractat este de forma:
w
epF
vm
ew
r
AII
M
2cossin
2cos11
432
2
2
22
22
42
03
0
(3.3)
unde
I este intensitatea integrală a maximului de difracţie;
I0 reprezintă intensitatea fasciculului incident;
A reprezintă secţiunea transversală a fascicului incident;
λ este lugimea de undă a radiaţiei incidente;
r este raza cercului difractometrului;
w0 este o constantă;
e reprezintă sarcina electronului;
m este masa electronului;
v este volumul celulei elementare;
F reprerezintă factorul de structură;
69
p este factorul de multiplicitate,
θ este unghiul Bragg,
me 2 reprezintă factorul de temperatură,
w este coeficientul de absorbţie liniară.
Pentru efectuarea unei analize cantitative prin difracţie de raze X se identifică mai
intâi fazele prezente în probă, începându-se cu o analiză calitativă. Această identificare
poate să nu fie simplă din cauza multitudinii de componente care pot fi prezente în proba
multifazică. Trebuie să accentuăm faptul că, în general, nu este suficientă o singură
metodă pentru determinarea compozitiei unui amestec multifazic. În afara unei analize
prin difracţie cu raze X ar mai fi necesară cel puţin o analiză elementală. În lipsa acesteia
se poate folosi comparaţia spectrelor de raze X obţinute prin metoda pulberilor cu
spectrele din bazele de date existente: (PDF = Powder Diffraction Files, ASTM =
American Society for Testing Materials, JCPDS = Joint Committee on Powder Diffraction
Standards, Pearson Database, etc). În aceste baze de date sunt trecute sub formă de tabele
valorile „d" respectiv „θ " împreună cu intensităţile lor relative (intensitatea exprimată în
procente faţă de linia cea mai intensă) şi indicii Miller „hkl" ale acestor linii, pentru peste
65.000 de compuşi şi faze cristaline.
Analiza prin difracţie RX s-a efectuat în “Laboratorul pentru determinări
cristalografice pe corp solid (LDCCS)” de la Facultatea de Fizică din cadrul Universităţii
de Vest din Timişoara.
Analiza de fază a probei s-a realizat pe baza spectrului de difracţie cu radiatii X
înregistrat cu ajutorul unui difractometru Bruker-AXS D8 Advance (figura 3.5 ), într-un
montaj θ:2θ, folosind radiaţia MoK (50 kV, 40 mA, filtru de Zr, = 0.07093 nm). Cu
ajutorul unor programe specializate de calcul se realizează ulterior indexarea maximelor
de difracţie obţinute experimental şi se determină constanta de reţea.
70
Figura 3.5. Difractometrul Bruker AXS D8 Advance [55]
Avantajul net al echipamentului îl constituie timpul redus de achiziţie şi utilizarea
unei cantităţi mici de probă.
3.5. METODA CAPACITIVĂ. METODA CONDENSATORULUI PLAN-
PARALEL
În funcţie de domeniul de frecvenţă la care se efectuează determinarea
permitivităţii dielectrice complexe, precum şi de natura cenușei se disting mai multe
metode. Astfel, în domeniul frecvenţelor joase, cea mai lesne metodă pentru determinarea
proprietăţilor dielectrice este cea a utilizării condensatorului, şi a determinării capacităţii
electrice a probei introduse între plăcile acestuia. În cazul unor astfel de măsurători se pot
alege diferite configuraţii ale ansamblului experimental, cu diferite punţi şi circuite de
rezonanţă. Geometria celulelor de măsură (condensatorului) poate varia pentru diferitele
tipuri de probe şi scopul de utilizare, putându-se astfel folosi condensatoare plan paralele
ori cilindrice [56].
Dependenţa de frecvenţă al lui )('' şi )(' poate fi simulată printr-o dispunere
avantajoasă a diferite combinaţii de rezistenţe R şi capacităţi C, un astfel de model
purtând numele de circuit echivalent.
Această metodă constă în introducerea substanţei investigate între armăturile unui
condensator, şi a măsurării apoi a capacităţii electrice a probei, din care se derivă
71
valoarea permitivităţii dielectrice. Cei doi electrozi care încadrează proba investigată
reprezintă o celulă de măsură care se conectează la RLC-metru.
Figura 3.6. RLC- metru de tip Agilent (E4980A)
Un astfel de instrument determină rezistenţa, inductanţa şi capacitatea
ansamblului măsurat prin aplicarea unei tensiunii alternative şi a determinării valorii
curentului prin acesta. Determinarea parametriilor R, L, C, se face fie pe baza unui model
tip serie ori paralel pentru ansamblul măsurat [56].
În cazul unor astfel de măsurători cu RLC-metrul, trebuie ţinut cont de faptul că
toate componentele circuitului şi ale ansamblului de măsură, adică rezistenţele,
condensatorii şi inductorii au şi efecte parazitare. Aceste efecte parazitare reprezintă de
exemplu apariţia unei rezistenţe într-un condensator, ori apariţia unei capacităţi într-o
bobină. Astfel devine foarte importantă modelarea prin impedanţe complexe a cestor
componente [75].
Impedanţa Z, reprezintă opoziţia pe care o pune un circuit ori dispozitiv, atunci
când este traversat de un curent electric alternativ la o anumită frecvenţă. Fiind vorba de
un fenomen dinamic, impedanţa se reprezintă printr-un număr complex (figura 3.7),
conform relaţiei:
jXRZ (3.4)
unde R reprezintă rezistenţa iar X reactanţa, acestea fiind legate modulul impedanţei prin
relaţia:
72
22 XRZ (3.5)
sau sub formă polară:
)/(tan 1 RX (3.6)
Figura 3.7. Reprezentarea impedanţei în planul complex
În unele situaţii se utilizează expresiile recirproce ale impedanţei, rezisteţei şi
reactanţei, conform relaţiei:
jBGYjXRZ
11
(3.7)
Unde Y reprezintă admitanţa, G conductanţa, iar B susceptanţa. Unitatea de
măsură a admitanţei este Siemensul (S). În cazul unei conectări în serie a unei rezistenţe
şi reactanţe, cel mai util este folosirea impedanţei, deoarece aceasta este formată din
însumarea lui R şi X. În cazul unei conectări paralele, se dovedeşte a fi mai utilă folosirea
admitanţei.
Reactanţa poate apărea atât sub forma unei reactanţe inductive XL cât şi sub forma
unei reactanţe capacitive XC (figura 3.8). Aceste două tipuri de reactanţe provin din
opoziţia pe care o opun atăt bobinele şi condensatorele atunci când sunt parcurse de
curentul electric, ele având expresia matematică dată în relaţiile:
73
fLX L 2 (3.8)
fCX C 2
1 3.9)
Un alt parametru important în astfel de măsurători este reprezentat de factorul de
calitate, Q care este definit ca raportul dintre energia înmagazinată şi cea pierdută într-un
element de circuit ori componentă, acesta indicând de fapt în ce măsură acel element de
circuit are un comportament pur reactiv, cu o rezistenţă ce tinde spre zero.
Figura 3.8. Reprezentarea în planul complex al reactanţei inductive şi capacitive.
În cazul metodei capacitive, utilizând RLC-metrul, se determină iniţial valoarea
factorului de disipaţie fără probă, 0tg iar apoi valoarea factorului de disipaţie cu probă
probatg 0 . Totodată se determină şi expresiile capacităţii, cu şi fără probă, şi făcând uz de
expresiile [39]:
000 CRtg (3.10)
c
probaproba X
RRtg 0
0
(3.11)
74
unde
probatg (3.12)
iar
probaC C
X
1 (3.13)
se determină expresia factorului de disipaţie al ansamblului celulei de măsură cu probă:
000 CRCRtg probaprobaproba (3.14)
După care se pot deduce imediat expresiile părţii reale şi imaginare ale
permitivităţii dielectrice complexe, după cum urmează:
0C
C proba (3.15)
02
0 - tgtg proba (3.16)
75
CAPITOLUL 4
REZULTATE EXPERIMENTALE
4.1. ANALIZA STRUCTURALĂ A PARTICULELOR DE CENUŞĂ EMISE
LA INCINERATORUL PRO AIR CLEAN TIMIȘOARA
Incineratoarele de deşeuri emit în atmosferă dioxine, furani, metale grele (cum
sunt plumbul, mercurul si cadmiu), particule fine de praf, acid clorhidric, dioxid de sulf,
oxid de carbon, funingine, produşi de ardere incompletă şi alţi poluanţi. Aceşti compuşi
au un impact deosebit de negativ asupra sănătăţii lucrătorilor din incineratoare, a sănătăţii
publice si a mediului. Agenţia Internaţională de Cercetare a Cancerului (IARC) a
clasificat dioxina (denumirea uzuală pentru un grup de câteva sute de substanțe
cu structură chimică și proprietăți biologice asemănătoare) -2,3,7,8 tetraclorodibenzo-p-
dioxin (TCDD) în grupa I de produse carcinogene umane (ca cea mai toxică), deşi şi alte
dioxine sunt considerate a fi substanţe cu potenţial carcinogen pentru om. De asemenea,
dioxinele afectează sistemul endocrin, slăbeşte rezistenţa organismului şi ele sunt
asociate cu aberaţiile genetice, diabetul, endometrioza şi cu un spectru larg de boli. In
acelaşi timp, echiparea adiţională sau instalarea diferitelor dispozitive de reducere a
emisiilor gazoase va determina creşterea conţinutul acestor poluanţi în deşeul în stare
solidă, rezultat din incinerare şi reprezentat de cenuşă, zgură, funingine, etc. De cele mai
multe ori, eficienţa filtrelor în captarea particulelor este limitată [6].
Pentru protejarea aerului de poluarea chimică și fizică cu pulberi, emisiile
rezultate din arderea deșeurilor trebuie monitorizate cantitativ și calitativ și controlate. În
acest fel, în capitolul 4 s-a realizat un studiu preliminar privind posibilitatea de a capta
nanoparticulele din gazele de ardere utilizând dielectroforeza, în scopul îmbunătățirii
proceselor de filtrare.
Pentru acest studiu au fost utilizate 7 probe reprezentative, preluate din cenușile
de ardere colectate din filtrele incineratorului Pro Air Clean Timișoara, pe o perioadă de
2 ani, rezultate din arderea unor deșeuri spitalicești, policlinici, cabinete medicale și
veterinare, deșeuri farmaceutice: medicamente, compuși chimici, spray-uri, ceaiuri.
76
În vederea determinării compoziției chimice a celor 7 probe am utilizat
spectrofotometrul de absorbție atomică CONTRAA 700 cu sursă continuă pentru analiza
în flacără și cuptor de grafit, aflat în dotarea laboratorului de analiză instrumentală
ProAirClean Timișoara. Cu microscopul Nano Sight LM10, achiziționat în cadrul
proiectului de cercetare PN-II-ID-PCE-2011-3-0762, nr. 175/25.10.2011, prin utilizarea
metodei NTA (Nanoparticle Tracking Analysis), am vizualizat și analizat în timp real
distribuția nanoparticulelor după dimensiuni. Analiza cantitativă (EDAX), am efectuat-o
cu dispozitivul electronic de baleiaj Quanta 200, aflat în dotarea Institutului Național de
Cercetare-Dezvoltare pentru Electrochimie și Materie Condensată Timișoara,
Departamentul de Materie Condensată, folosind metoda microscopiei electronice de
baleiaj. Cu ajutorul difractometrului Bruker-AXS D8 Advance, aflat în “Laboratorul
pentru determinări cristalografice pe corp solid (LDCCS)” de la Facultatea de Fizică din
cadrul Universităţii de Vest din Timişoara, am determinat compoziția probelor de cenușă
(amestec multifazic) prin analize de difracţie cu raze X. În vederea determinării
proprietăţilor dielectrice în câmp de joasă frecvență (25Hz - 2MHz) am măsurat
componentele reală și imaginară ale permitivității dielectrice complexe a probelor cu un
RLC- metru de tip Agilent (E4980A), aflat în dotarea laboratorului de magneto-dielectrici
din cadrul Facultăţii de Fizică de la Universitatea de Vest din Timişoara folosind metoda
capacitivă.
4.1.1. Determinarea compoziției chimice a probelor
Probele ce urmează a fi analizate au fost colectate de la incineratorul Pro Air
Clean Timișoara de-a lungul unei perioade de 2 ani, între 2012-2014 în urma arderilor
deșeurilor spitalicești și farmaceutice.
Pentru determinarea compoziției chimice a probelor de cenușă investigate am
utilizat spectrometrul de absorbție atomică CONTRAA 700. Tabelul 4.1 și 4.2 prezintă
analiza AAS (spectrometria de absorbţie atomică) pentru probele de cenușă, care arată
conținutul metalic și de carbon organic (TOC) conținut în probe.
77
Tabelul 4.1. Conținutul metalic din probele de cenușă: A,B,C și D
Conținut
Proba A
21.06.2012
Proba B
11.11.2013
Proba C
18.11.2013
Proba D
25.11.2013
Elemente
Chimice
mg/kg % mg/kg % mg/kg % mg/kg %
Al 166440 16,64 3890 0,39 3480 0,35 44890 4,5
Cd 328 0,033 198 0,02 198 0,02 248 0,025
Co 100 0,01 122 0,012 122 0,012 99 0,01
Cr 110 0,01 98 0,01 98 0,01 105 0,01
Cu 1450 0,145 4490 0,45 4490 0,45 4230 0,42
Fe 39670 3,97 13980 1,4 34980 3,5 56970 5,7
Mn 5390 0,54 148 0,15 159 0,16 890 0,09
Ni 500 0,05 390 0,04 190 0,02 328 0.033
Pb 9870 0,99 510 0,05 970 0,1 700 0,07
Sb 140 0,014 108 0,01 98 0,01 100 0.01
Zn 48760 4,88 17980 1,8 78980 7,9 5390 0,54
Ti 3570 0.36 - - - - - -
As 21 0.021 - - - - - -
TOC 31980 3.2 27870 2.8 23950 2.4 39980 4.0
78
Tabelul 4.2. Conținutul metalic din probele de cenușă: E,F și G
Conținut
Proba E
14.03.2014
Proba F
21.03.2014
Proba G
28.03.2014
Elemente
Chimice
mg/kg % mg/kg % mg/kg %
Al 21980 2.2 17980 1.8 15980 1.6
Cd 3000 0.003 6000 0.006 5000 0.005
Co - - - - - -
Cr 758 0.076 198 0.02 178 0.18
Cu 790 0.8 590 0.6 790 0.8
Fe 24460 2.45 15980 1.6 14980 1.5
Mn 600 0.06 400 0.04 400 0.04
Ni 200 0.02 718 0.072 2890 0.29
Pb 3390 0.34 159 0.16 290 0.3
Sb - - - - - -
Zn 15980 1.6 7890 0.79 16460 1.65
TOC 32980 3.3 27980 2.8 25980 2.6
Instalaţiile de incinerare se exploatează astfel încât să se atingă un nivel de
incinerare la care conţinutul de carbon organic total (TOC) al cenuşii şi zgurii să fie mai
mic de 4% din greutatea în stare uscată a acestora sau la care pierderea lor la aprindere să
fie mai mică de 5% din greutatea în stare uscată a acestora. Dacă este necesar, se
utilizează tehnici corespunzătoare de pretratare a deşeurilor. Din tabelele 4.1 și 4.2 se
observă că toate probele analizate prezintă un conținut de carbon organic total (TOC) sub
4%.
Din cele 13 elemente chimice identificate doar în proba A se găsesc: Ti (titan) un
element chimic foarte răspândit în natură, este non-toxic chiar și în cantități mari și As
(arsen), element chimic dăunător sănătății, poate provoca cancer de piele, cancer la
organele interne, boli cardiovasculare și neurologice.
79
Concentrația mare de aluminiu (16,64%) se găsește doar în proba A ceea ce
determină o conductivitate ridicată în probă.
În probele E,F și G lipsesc elementele chimice Co și Sb, ceea ce demonstrează că
compoziția deșeurilor arse este diferită de la probă la probă.
În concluzie, cenușa obținută de la incineratorul ProAirClean Timișoara nu este
periculoasă deoarece are un conținut scăzut de metale grele (Cadmiu, Zinc și Plumb) ceea
ce demonstrează că cenuşa zburătoare evacuată în atmosferă sub formă de particule în
suspensie nu prezintă risc de contaminare.
4.1.2. Analize dimensionale cu microscopul NanoSight LM 10
Pentru măsurătorile dimensionale, s-a preparat pentru cele 7 probe de cenușă, un
amestec de 5 mg pulbere și 100 ml apă distilată la temperatura camerei, lăsând amestecul
la prima măsurătoare 20 minute, pentru ca microparticulele să se decanteze, iar la cea de-
a doua măsurătoare încă 10 minute. De fiecare dată, după decantarea particulelor
micrometrice, s-a colectat lichidul rămas și apoi am analizat dimensiunea/ distribuția
concentrației particulelor utilizând sistemul de vizualizare a nanoparticulelor Nano Sight
LM10 [57]. Acest dispozitiv determină distribuția mărimii nanoparticulelor în sisteme
polidisperse și eterogene, utilizând metoda Nanoparticle Tracking Analysys (NTA).
Tehnica NTA furnizează o distribuție de dimensiuni a nanoparticulelor, analizând
eșantionul în timp real. Eşantionul, sub formă de suspensie, este plasat pe un fond opac
din punct de vedere optic, iar un fascicul laser este utilizat pentru ca nanoparticulele să
poată fi vizualizate direct printr-un microscop optic.
Proba A
Figura 4.1a) prezintă un cadru video, iar figura 4.1b) ilustrează
dimensiunea/distribuția concentrației particulelor pentru proba A, după o decantare de 20
de minute, date arătate în raportul de analiză generat de software-ul nanoscopului LM 10.
Diagrama de distribuție indică faptul că s-au obținut patru mărimi semnificative pentru
raza particulelor, la valori de 59 nm, 112 nm, 165 nm și respectiv 285 nm.
80
Pentru următoarele 6 probe s-au realizat câte două măsurători pentru fiecare probă
(după 20 de minute de decantare și după alte 10 minute de decantare).
a) b)
Figura 4.1. Cadru video dat de raportul de analiză a) și dimensiunea/distribuția concentrației particulelor
pentru proba A, b), obținute cu ajutorul sistemul de vizualizare a nanoparticulelor Nano Sight LM10.
Proba B
Figura 4.2a) ilustrează dimensiunea/distribuția concentrației particulelor pentru
proba B, după 20 de minute de decantare. Diagrama de distribuție indică faptul că s-au
obținut cinci mărimi semnificative pentru raza particulelor, la valori de 70 nm, 115 nm,
148 nm, 189 nm și 266 nm. Figura 4.2b) ilustrează dimensiunea/distribuția concentrației
particulelor pentru proba B, după alte 10 minute de decantare. Diagrama de distribuție
indică faptul că s-au obținut trei mărimi semnificative pentru raza particulelor, la valori
de 45 nm, 93 nm și 154 nm.
81
a) b
Figura 4.2. Dimensiunea/distribuția concentrației particulelor pentru proba B, obținută cu ajutorul
sistemului de vizualizare a nanoparticulelor, Nano Sight LM10, după 20 de minute de decantare a) și după
30 de minute de decantare b) .
Proba C
Figura 4.3a) ilustrează dimensiunea/ distribuția concentrației particulelor pentru
proba C, după 20 minute de decantare. Diagrama de distribuție indică faptul că s-au
obținut patru mărimi semnificative pentru raza particulelor, la valori de 44 nm, 67 nm,
109 nm și 180nm. Figura 4.3b) ilustrează dimensiunea/distribuția concentrației
particulelor pentru proba C, după alte 10 minute de decantare. S-au obținut trei mărimi
semnificative pentru raza particulelor, la valori de 37 nm, 56 nm și 95 nm.
a) b)
Figura 4.3. Dimensiunea/distribuția concentrației particulelor pentru proba C, după 20 de minute de
decantare a) și după 30 minute de decantare b).
82
Proba D
Figura 4.4a) ilustrează dimensiunea/ distribuția concentrației particulelor pentru
proba D, după 20 de minute de decantare. Diagrama de distribuție indică faptul că s-au
obținut cinci mărimi semnificative pentru raza particulelor, la valori de 40 nm, 60 nm,
102 nm, 138 nm și 175 nm. Figura 4.4b) ilustrează dimensiunea/ distribuția concentrației
particulelor pentru proba D, după alte 10 minute de decantare. S-au obținut trei mărimi
semnificative pentru raza particulelor, la valori de 42 nm, 95 nm și 175 nm.
a) b)
Figura 4.4. Dimensiunea/distribuția concentrației particulelor pentru proba D, obținută cu ajutorul
sistemului de vizualizare a nanoparticulelor Nano Sight LM10, după 20 de minute de decantare a) și după
30 de minute de decantare b).
Proba E
Figura 4.5a) ilustrează dimensiunea/ distribuția concentrației particulelor pentru
proba E, după 20 de minute de decantare. Diagrama de distribuție indică faptul că s-au
obținut trei mărimi semnificative pentru raza particulelor, la valori de 23 nm, 48 nm, 196
nm. Figura 4.5b) ilustrează dimensiunea/ distribuția concentrației particulelor pentru
proba E, după alte 10 minute de decantare. S-au obținut trei mărimi semnificative pentru
raza particulelor, la valori de 27 nm, 105 nm și 240 nm.
83
a) b)
Figura 4.5. Dimensiunea/distribuția concentrației particulelor pentru proba E, obținută cu ajutorul
sistemului de vizualizare a nanoparticulelor Nano Sight LM10, după 20 de minute de decantare a) și după
30 de minute de decantare b).
Proba F
Figura 4.6a) ilustrează dimensiunea/ distribuția concentrației particulelor pentru
proba F, după 20 de minute de decantare. Diagrama de distribuție indică faptul că s-au
obținut trei mărimi semnificative pentru raza particulelor, la valori de 26 nm, 46 nm, 63
nm. Figura 4.6b) ilustrează dimensiunea/ distribuția concentrației particulelor pentru
proba F, după alte 10 minute de decantare. S-au obținut trei mărimi semnificative pentru
raza particulelor, la valori de 73 nm, 128 nm și 220 nm.
84
a) b)
Figura 4.6. Dimensiunea/distribuția concentrației particulelor pentru proba F, obținută cu ajutorul
sistemului de vizualizare a nanoparticulelor Nano Sight LM10, după 20 de minute de decantare a) și după
30 de minute de decantare b).
Proba G
Figura 4.7a) ilustrează dimensiunea/ distribuția concentrației particulelor pentru
proba G, după 20 de minute de decantare. Diagrama de distribuție indică faptul că s-au
obținut trei mărimi semnificative pentru raza particulelor, la valori de 36 nm, 47 nm, 117
nm. Figura 4.7b) ilustrează dimensiunea/ distribuția concentrației particulelor pentru
proba G, după alte 10 minute de decantare. S-au obținut trei mărimi semnificative pentru
raza particulelor, la valori de 28 nm, 54 nm și 251 nm.
85
a) b)
Figura 4.7. Dimensiunea/distribuția concentrației particulelor pentru proba G, obținută cu ajutorul
sistemului de vizualizare a nanoparticulelor Nano Sight LM10, după 20 de minute de decantare a) și după
30 de minute de decantare b).
În concluzie, așa cum se poate observa din rapoartele de analiză generate de
software-ul LM 10, pentru fiecare din cele 7 probe, s-au obținut mărimi semnificative
pentru raza particulelor cu valori cuprinse între 23 nm -285 nm, ceea ce ne arată că toate
probele noastre de cenușă conțin nanoparticule.
4.1.3. Analiza structurală prin difracție cu radiații X
Analizele calitative de fază cu ajutorul spectrelor de radiaţie X sunt deosebit de
importante, pentru identificareea compuşilor cristalini.
Prin difracţia razelor X pe pulberi cristaline se obţin spectre caracteristice,
specifice şi unice pentru fiecare specie cristalină. Aceste spectre pot fi utilizate la
determinarea prezenţei sau absenţei unei faze cristaline.
Figura 4.8 prezină spectrele de difracţie pentru probele B - G. Analiza probelor
prin difracție de raze X confirmă că toate probele au compoziţie chimică similară. Astfel,
comparând maximele experimentale cu cele din baza de date, în toate probele s-au
identificat următoarele minerale: hematite, magnetite ( 2 4Fe O ), maghemite
( 2 3Fe O ), 2PbO , CdO , gahnite ( 2 4ZnAl O ).
86
Figura 4.8a. Difractogramele XRD, pentru cele şase probe B – G.
Figura 4.8b. Identificarea maximelor corespunzătoare fiecărui compus pentru probele B – G
87
4.1.4. Caracterizarea morfologică a probelor prin microscopia electronică de
baleiaj (SEM) şi analiza elementală a acestora prin spectroscopie de raze X prin
dispersie de energie (EDX)
Pentru analiza morfologică si elementală a probelor de cenușă sub formă de
pulberi, am utilizat metoda microscopiei electronice de baleiaj. Analiza semicantitativă a
probelor de sol s-a realizat cu modulul de spectrometrie cu energie dispersată cu raze X
(EDX), o componentă a SEM pentru identificarea elementelor chimice existente în
probele analizate.
În cazul probelor investigate, am prezentat rezultatele obţinute:
(a) Proba B
(b) Proba C
88
(c) Proba D
(d) Proba E
(e) Proba F
89
(f) Proba G
Figura 4.16 a-f. Microfotografia SEM a probelor şi rezultatele analizelor elementale prin microscopie
electronică EDAX pentru probele de cenuță investigate (probele B – G).
Rezultatele obţinute privind analiza elementală prin microscopie electronică
EDAX redate în figura 4.16 a-f, arată că, în toate probele analizate, elementele principale
prezente sunt C, O, Ca, Cl, Si, Al şi Fe, reprezentate în fiecare probă în procente de masă
şi procente atomice asemănătoare.
4.2. ANALIZA COMPORTĂRII DIELECTRICE A PARTICULELOR DE
CENUȘĂ REZULTATĂ DIN ARDEREA DEŞEURILOR
În acest paragraf am realizat un studiu preliminar cu privire la posibilitatea
captării nanoparticulelor din gazele de ardere utilizând dielectroforeza, în scopul
îmbunătățirii proceselor de filtrare, pe baza măsurătorilor de permitivitate dielectrică
complexă în câmp de joasă frecvenţă, în domeniul 25 Hz – 2 MHz.
Utilizând valorile măsurate ale permitivității dielectrice complexe, am calculat
factorul Claussius-Mossotti și apoi am propus o metodă de determinare a polarizabilității
electrice efective a nanoparticulelor din probele de cenușă.
90
4.2.1. Efectul fracției volumice și a mediului de dispersie asupra factorului
Clausius-Mossotti [57]
Acest studiu a fost efectuat pe proba A având diferite fracții volumice. Rezultatele
obținute au fost prezentate la ”The 13th International Balkan Workshop on Applied
Physics” Constanța, iulie 2013 și apoi publicate în revista Romanian Journal of Physics.
Analiza a constat în determinarea factorului Claussius-Mossotti (CM) pe baza
măsurătorilor de permitivitate dielectrică complexă în câmp de joasă frecvență (25 Hz –
2 MHz). Măsurătorile componentelor reală și imaginară a permitivității dielectrice
complexe s-au efectuat cu ajutorul unui RLC- metru de tip Agilent (E4980A), la care a
fost conectat un condensator cilindric, în care proba de cenușă a fost introdusă. Pentru o
temperatură constantă și o frecvență din gama investigată au fost măsurate capacitatea C
și factorul de calitate Q al condensatorului, atât în prezența probei (Cp, Qp) cât și în
absența ei (C0, Q0).
Componentele și ale permitivității dielectrice complexe au fost determinate
folosind următoarele relații [58]:
0
'
C
C p ; 00
00''
CQQ
CQCQ
p
pp (4.1)
În regim dinamic, se ştie că factorul Clausius–Mossotti ( )K pentru un sistem
bifazic (particule dispersate într-un mediu), se defineşte cu relaţia [59]:
( )2
p m
p m
K
(4.2)
unde p~ şi m
~ reprezintă permitivitatea dielectrică complexă a particulei şi respectiv a
mediului de dispersie, mărimi care depind de proprietăţile dielectrice ale particulei şi
mediului precum şi de geometria particulei.
Introducând în ecuația (4.2) forma complexă a permitivității dielectrice a
particulei, p p pi , respectiv a mediului m m mi , vom putea determina
91
componenta reală Re ( )K și imaginară Im ( )K
a factorului Clausius–Mossotti.
Rezultă următoarele relații:
2 2 2
2 2 2
2 2Re ( )
4 4 4
p p p m m m p m
p p p m m m p m
K
(4.3)
2 2 2
3 3Im ( )
4 4 4p m p m
p p p m m m p m
K
(4.4)
Din relațiile (4.3) și (4.4) putem observa că cele două componente reală și
imaginară a factorului Clausius–Mossotti depind de proprietățiile dielectrice ale
particulei respectiv mediului precum și de frecvența câmpului aplicat. Dependența de
frecvență a acestui factor determină dependența de frecvență a forței dielectroforetice,
existând o frecvenţă, cf , numită frecvenţă critică la care Re ( )K îşi schimbă semnul,
astfel că forţa dielectroforetică îşi modifică acţiunea. Prin urmare putem folosi
dielectroforeza ca un mijloc eficient de separare a particulelor în funcție de proprietățiile
dielectrice și dimensiune. Într-un mediu dielectric direcția forței dielectroforetice este
influențată de polarizabilitatea particulelor care depind de permitivitatea particulei și de
mediu, adică de partea reală a factorului Clausius–Mossotti. Atunci când Re[ ( )] 0K
mișcarea particulelor este orientată spre regiunile cu câmp mai puternic, fenomen
cunoscut sub numele de dielectroforeză pozitivă (pDEP). Cand Re[ ( )] 0K , particulele
se deplasează spre regiunea cu câmp mai scăzut, fenomen cunoscut sub numele de
dielectroforeză negativă (nDEP) [57].
Proba de cenușă utilizată pentru măsurători dielectrice este un amestec de
micro/nanoparticule dispersate în aer. În acest caz, permitivitatea dielectrică complexă a
amestecului se obține din măsurători dielectrice, pornind de la relația [42]:
ef f ef f ef fi (4.5)
92
În ecuația (4.5)
'ef f reprezintă partea reală a permitivității dielectrice complexe
iar ''ef f , reprezintă partea imaginară în care sunt incluse şi pierderile prin conducţie.
Dependenţa experimentală de frecvența câmpului, a componentelor 'ef f și
respectiv ' 'ef f a permitivității dielectrice complexe eff~ pentru proba de cenușă investigată,
pentru diferite fracții volumice ale particulelor dispersate în aer, este prezentată în
figura 4.10. După cum se poate observa din figura 4.10a), pentru fiecare fracție volumică
partea reală a permitivității dielectrice efective 'ef f scade cu frecvența, de la valoarea
1.8 la valoarea de aproximativ 1.2.
Componenta imaginară a permitivității dielectrice efective ''ef f scade cu frecvența
pentru fiecare fracție volumică constantă de la valori mari la 0 (figura 4.10b). Valorile
mari ale lui ' 'ef f de la începutul intervalului de frecvență, indică faptul că în probă sunt
pierderi mari de conducție (figura 4.10b) [57], acest fapt fiind în concordanţă cu analiza
EDAX pentru această probă, (vezi fig. 4.9), care indică un conţinut ridicat de carbon în
această probă (53,36%).
Figura 4.9. Analiza EDAX pentru proba A [57].
93
0.1 1 10 100 10001.0
1.2
1.4
1.6
1.8
2.0
2.2 (1) - = 0.25 (2) - = 0.28 (3) - = 0.35 (4) - = 0.42
f [kHz]
12
3
4
'
eff
a)
0.1 1 10 100 1000
0
10
20
30
40
50
60
70
80
f [kHz]
''
eff
4
1
(1) - = 0.25 (2) - = 0.28 (3) - = 0.35 (4) - = 0.42
b)
Figura 4.10. Dependența de frecvență a componentelor părții reale 'ef f , și imaginare ' '
ef f a permitivitatii
dielectrice complexe eff
~
la diferite fractii volumice ale particulelor.
Deasemenea, pe întregul domeniu de frecvență atât 'ef f
cât și ' '
ef f cresc cu fracția
volumică, pentru o frecvență constantă, aşa cum se observă din figura 4.10.
Pentru constanta dielectrică a sistemelor mixte s-au făcut numeroase abordări care
implică studii teoretice [60], [61], dar și studii experimentale [58], [62], [63], [67]. O
metodă simplă de a estima constanta dielectrică efectivă a unui sistem mixt, conținând
două faze, este modelul fracției medii volumice [68]:
1eff m p (4.6)
unde este fracția volumică a particulelor din amestec.
În cazul particulelor de cenuşă dispersate în aer, utilizând valorile experimentale
determinate pentru componentele 'ef f şi ' '
ef f din figura 4.10, cu relaţia (4.6) se pot
determina componentele p și p ale permitivităţii dielectrice complexe a particulelor
considerând următoarele valori pentru componentele permitivității dielectrice complexe
ale mediului (aer): ' ( ) 1m aer si " ( ) 0m aer . Astfel s-a obținut:
94
,1'
'
eff
p
,
""
eff
p
(4.7)
Dependența de frecvență a componentelor 'p și ''
p a permitivității dielectrice
complexe a particulelor de cenușă a fost calculată cu ecuația (4.7), pentru diferite fracții
volumice și ţinând cont de valorile experimentale obţinute pentru 'ef f şi ' '
ef f din
figura 4.10, fiind prezentată în figura 4.11.
0.1 1 10 100 10001.0
1.5
2.0
2.5
3.0
3.5
4.0
(1) - = 0.25 (2) - = 0.28 (3) - = 0.35 (4) - = 0.42
'
p
f [kHz]
12
34
a)
0.1 1 10 100 1000
0
20
40
60
80
100
120
140
160
180
200
f [kHz]
''
p (1) - = 0.25 (2) - = 0.28 (3) - = 0.35 (4) - = 0.42
1
4
b)
Figura 4.11. Dependența de frecvență a componentelor reală ( p ) și imaginară ( p ) a permitivității
dielectrice complexe din particulele de cenușă la diferite fracții volumice , dispersate în aer.
După cum se observă în figura 4.11a), pentru fiecare fracție volumică , partea
reală a permitivității dielectrice a particulelor de cenușă 'p scade cu frecvența de la o
valoare 3 până la aproximativ 2. Componenta imaginară a permitivității dielectrice a
particulelor ''p are aproximativ aceiași valoare pentru toate fracțiile volumice și scade
cu frecvența de la valori mari la 0 (figura 4.11b). Valorile mari ale lui ''p la începutul
măsurătorilor în domeniul de frecvență indică faptul că în probă sunt pierderi mari de
conducție (figura 4.11b).
Introducând în ecuațiile (4.3) și (4.4) valorile calculate pentru 'p și ''
p (figura
4.11) și considerând că mediul de dispersie este aer ( 1aer și 0aer ) putem
95
determina partea reală ,Re ( )p aerK și partea imaginară ,Im ( )p aerK
a factorului
Clausius-Mossotti, cu relațiile:
2 2
, 2 2
2Re ( )
4 4p p p
p aerp p p
K
(4.8)
, 2 2
3Im ( )
4 4p
p aerp p p
K
(4.9)
Dependența de frecvență a părții reale ,Re[ ( )]p aerK și părții imaginare
,Im[ ( )]p aerK a factorului Clausius-Mossotti este arătată în figura 4.12.
Figura 4.12. Dependența de frecvență a componentelor reală Re[ ( )]p aerK și imaginară
Im[ ( )]p aerK a factorului Clausius-Mossotti pentru diferite fracții volumice ale particulelor din
probă, dispersate în aer.
Așa cum se observă în figura 4.12, dependența de frecvență a componentelor reală
și imaginară a factorului Clausius-Mossotti se potrivește cu dependența de tip Debye
[42], Partea reală a factorului Clausius-Mossotti Re ( ) 0p airK , în tot domeniul de
frecvență investigat.
0.1 1 10 100 10000.00
0.25
0.50
0.75
1.00
1.25
fc=1.125 kHz
Re [Kp-aer ()]
Im [Kp-aer ()]
(1) - = 0.25; (2) - = 0.28;(3) - = 0.35; (4) - = 0.42.
Im[K
p-ae
r()]
Re[
Kp
-ae
r()]
f [kHz]
14
1
4
96
Prin urmare avem dielectroforeză pozitivă iar în acest caz se poate face o filtrare a
gazelor de ardere cu pDEP, aici nanoparticulele sunt captate în zona cu câmp mai
puternic. Componenta imaginară a factorului Clausius-Mossotti Im ( )p airK prezintă
un maxim la aceeași frecvență, 1.125cf kHz , indiferent de fracția volumică a
particulelor de cenușă dispersate în aer. Frecvența corespunzătoare maximului
componentei imaginare a factorului CM la frecvența cf , (figura 4.12) este corelată cu
timpul de relaxare MW prin relația Debye 2 1c MWf . De unde putem observa că
timpul de relaxare este 0.1414MW ms și acest timp de relaxare este numit timp de
relaxare dipolar Maxwell-Wagner, fiind tipic particulelor dielectrice și cu pierderi de
conducție, suspendate într-un mediu asemănător, cu aplicații importante în manipularea
dielectroforetică de nanoparticule [69].
Deoarece factorul Clausius-Mossotti reprezintă o măsură a permitivității relative
între particule și mediu, componenta reală Re ( )K determină semnul forței
dielectroforetice.
În continuare, am analizat din punct de vedere teoretic semnul componentei reale
a factorului Clausius-Mossotti atunci când particulele de cenușă sunt dispersate într-un
mediu fără pierderi, a căror permitivitate dielectrică m variază de la 3 la 10. Pentru
aceasta în ecuațiile (4.6) și (4.7) am utilizat valorile calculate pentru 'p si ''
p (figura
4.10) și am considerat două cazuri pentru mediul de dispersie: 1) ,1 3m și ,1 0m ; 2)
,2 10m și ,2 0m , determinând în ambele cazuri componenta reală Re ( )p mK și
imaginară Im ( )p mK a factorului Clausius-Mossotti.
Cu aceste condiții relațiile pentru Re ( )p mK și Im ( )p mK
sunt:
2 2 2
2 2 2
2Re ( )
4 4p p p m m
p mp p p m m
K
(4.10)
97
2 2 2
3Im ( )
4 4p m
p mp p p m m
K
(4.11)
Utilizând aceste relații am reprezentat grafic dependența de frecvență a acestor
componente pentru două valori ale fracției volumice a particulelor de cenușă dispersate
într-un mediu lichid ( 0.25 și 0.42 ), figura 4.13.
0.1 1 10 100 1000
-0.50
-0.25
0.00
0.25
0.50
0.75
1.00
1.25
0.200 kHz
0.534 kHz
m
1.416 kHz
0.310 kHz
1
= 0.25 Re [Kp-m()]
Im [Kp-m()]
(1) - '
m1 = 3
(2) - '
m2 = 10
f [kHz]
Im[K
p-m
()]
Re[
Kp
-m(
)]
2
m
1
2
a)
0.1 1 10 100 1000
-0.50
-0.25
0.00
0.25
0.50
0.75
1.00
1.25
Re [Kp-m()]
Im [Kp-m()]
(1) - '
m1 = 3
(2) - '
m2 = 10
2
1
0.527 kHz
0.197 kHz
m
m
0.335 kHz
1.730 kHz
= 0.42
Im[K
p-m
()]
Re
[Kp-
m(
)]
f [kHz]
1
2
b)
Figura 4.13. Dependența de frecvență a componentelor reală Re[ ( )]p mK și imaginară Im[ ( )]p mK
a factorului Clausius-Mossotti pentru două fracții volumice ale particulelor 0.25 (a) și 0.42
(b) dispersate în fluide cu 3,10 .m
După cum se observă în figura 4.13, pentru amândouă fracțiile volumice analizate
ale particulelor de cenușă dispersate într-un mediu fluid cu permitivitatea dielectrică
10,3m , componenta reală Re[ ( )]p mK a factorului Clausius-Mossotti schimbă
semnul, trecând de la valori pozitive la valori negative. Schimbarea de semn are loc la o
frecvență critică cf , care descrește de la 1.416 kHz la 0.31 kHz (pentru 0.25 ) și de
la 1.730 kHz la 0.335 kHz (pentru 0.42 ), dacă permitivitatea dielectrică a mediului
crește de la 3 la 10.
98
4.2.1.1 Concluzii
Pe baza măsurătorilor dielectrice ale componentelor reală şi imaginară '' a
permitivităţii dielectrice complexe în domeniul de frecvență 25Hz- 2MHz pentru o
pulbere de cenușă rezultată din procesele de ardere a deșeurilor din incineratorul Pro Air
Clean Ecologic Timișoara am determinat dependența de frecvență a părții reale și
imaginare a factorului CM.
Rezultatele arată că dacă pulberea de cenuşă este dispersată în aer,
Re ( ) 0p airK pentru toate frecvenţele din domeniul investigat. Ca urmare este
posibilă o filtrare a gazelor de ardere utilizând dielectroforeza pozitivă prin atragerea
particulelor în zonele de câmp intens.
Semnul componentei reale a factorului CM a fost analizat și din punct de vedere
teoretic atunci când particulele sunt dispersate într-un mediu fără pierderi a cărei
permitivitate dielectrică variază între 3-10. Rezultatele arată că Re ( )p airK poate
schimba semnul de la valori positive la valori negative la o frecvenţă critică care
descreşte de la 1.416 kHz la 0.31 kHz (pentru 0.25 ) şi de la 1.730 kHz la 0.335 kHz
(pentru 0.42 ), dacă permitivitatea dielectrică a mediului m creşte de la 3 la 10, acest
lucru depinzând şi de fracţia volumică.
Schimbarea semnului componentei reale Re ( )p airK a factorului CM arată că
are loc o trecere de la pDEP la nDEP. Acest lucru făcând posibilă separarea selectivă a
nanoparticulelor de cenuşă.
Rezultatele preliminare arată posibilitatea de a filtra gazele de ardere, folosind atât
pDEP, cât şi nDEP, în funcţie de proprietăţile dielectrice ale particulelor şi ale mediului
de dispersie. În plus, rezultatele obţinute demonstrează că utilizarea DEP pentru
manipularea particulelor submicronice poate îmbunătăţi performanţa dispozitivelor de
filtrare, pentru a reduce emisiile de nanoparticule în aer, prin optimizarea condiţiilor de
filtrare ale gazelor reziduale de ardere.
99
4.2.2. Metodă propusă pentru evaluarea polarizabilității electrice efective a
nanoparticulelor din probele de cenușă
4.2.2.1. Introducere
Probele de cenușă rezultate din arderea deşeurilor prezintă atât proprietăţi
dielectrice dar şi de conducţie [70]. Ca urmare, pot fi considerate materiale compozite şi
reprezintă un model de sistem convenabil pentru investigarea unor proprietăţi
fundamentale ale nano-micro particulelor din sistem.
În studiul pe care l-am efectuat am determinat experimental, dependenţa de
frecvenţă ( 2/f ) a permitivităţii dielectrice complexe, a unor probe de
cenuşă, în domeniul de frecvenţă cuprins între 100 Hz şi 2 MHz şi la temperatură
constantă. Bazat pe rezultatele experimentale ale permitivităţii dielectrice complexe şi
utilizând ecuaţia Claussius-Mossotti, am determinat componentele polarizabilităţii
efective totale a nanoparticulelor din proba de cenuşă şi am analizat mecanismele de
polarizare predominante în domeniul de frecvenţă investigat. Totodată, pe baza acestor
măsurători, am propus pentru prima dată, o metodă nouă ce a permis evaluarea
momentului dipolar efectiv al nanoparticulelor din proba de cenuşă investigată.
4.2.2.2. Probe şi aranjamentul experimental
Au fost investigate două probe de cenuşă colectate de la incineratorul
ProAirClean Timișoara în anul 2013 (proba C) şi respectiv anul 2014 (proba F), a căror
compoziţie chimică a fost obţinută prin analiza EDAX.
În figura 4.16, pentru probele de cenuşă C respectiv F, sunt prezentate imaginile
SEM respectiv analiza EDAX.
În tabelul 4.3, am sintetizat pentru cele două probe tipul de elemente conținut în
structura acestor probe, obţinute din măsurători EDAX, prezentând concentraţia atomică
a fiecărui component prezent în probele de cenuşă.
100
Tabelul 4.3.
Tip φi(%)
element Proba C Proba F
C 69.50 67.80
O 23.92 24.70
Mg 0.09 0.26
Al 0.39 0.92
Si 1.99 1.81
S 1.00 0.66
Cl 0.79 0.86
K 0.50 0.14
Ca 0.64 1.32
Ti 0.08 0.35
Mn 0.09 0.06
Fe 0.48 0.65
Cu 0.12 0.23
Zn 0.39 0.24
Total 100 100
Măsurătorile permitivităţii dielectrice complexe în domeniul de frecvenţă cuprins
între 100 Hz - 2 MHz, s-au efectuat utilizând un RLC-metru tip Agilent (E4980A). Proba
a fost introdusă într-un condensator cilindric de volum V, conectat la RLC-metru. Pentru
fiecare probă de cenuşă investigată, cantitatea de cenuşă a ocupat întreg volumul V al
condensatorului cilindric, măsurându-se de fiecare dată masa m de cenuşă
corespunzătoare fiecărei probe. În acest fel am determinat densitatea ρ a probelor,
obţinând valorile: ρ(proba C)=0.320 g/cm3 şi respectiv ρ(proba F)=0.325 g/cm3. Pentru
frecvenţele din domeniul investigat, la temperatură constantă, s-a măsurat capacitatea C
şi rezistenţa R, a condensatorului cilindric, atât în prezenţa probei din condensator (Cp,
Rp), cât şi în absenţa ei (C0, R0).
101
Figura 4.14. Instalaţia experimentală: RLC-metru tip Agilent (E4980A).
În figura 4.14 este arătată o fotografie cu instalaţia utilizată pentru determinarea
experimentală a componentelor permitivităţii dielectrice complexe, în domeniul de
frecvenţă cuprins între 100 Hz – 2 MHz şi la temperatura camerei. Componentele şi
ale permitivităţii dielectrice complexe au fost determinate utilizând următoarele relaţii
[71], [72] :
0
pC
C (4.12)
0 0
1 1 1
pC R R
(4.13)
4.2.2.3. Modelul teoretic al polarizabilităţii
În descrierea proprietăţilor dielectrice ale sistemelor compozite este des utilizată
ecuaţia pentru factorul Claussius-Mossotti (4.2) scrisă în cazul dinamic [73]. Un astfel de
sistem poate fi considerat şi pentru cenuşă, ea fiind de fapt un amestec de nano-micro
particule de elemente diferite, dispersate în aer. Ca urmare, permitivitatea dielectrică a
unui astfel de sistem este o permitivitate efectivă, pe care o vom nota cu ef f . Ecuaţia
Clausius-Mossotti, scrisă în cazul dinamic pentru sistemul de nano-micro particule
dispersate în aer, stabileşte legatura între permitivitatea dielectrică complexă ef f , şi
102
polarizabilitatea complexă totală , adică între o mărime macroscopică a sistemului
dielectric şi o mărime microscopică [38].
0
12 3
ef f
ef f
n
(4.14)
În ecuaţia (4.14), n este concentraţia volumică a dipolilor electrici şi 0 este
permitivitatea dielectrică a vidului. În general vorbind, polarizabilitatea totală este o sumă
de mai mulţi termeni corespunzând pierderilor de conducţie electrică şi diferitelor
mecanisme de polarizare, cum ar fi: a) polarizarea de deplasare, d , (adică cea datorată
deplasării electronice sau ionice), b) polarizarea interfacială, i şi c) polarizarea dipolară,
dip (adică cea datorată orientării momentelor dipolare p
, în câmpul electric) [42].
Ţinând cont de relaţia dintre numărul lui Avogadro, NA, densitatea a probei şi
masa ei atomică efectivă, M (adică ANMn ) se poate obţine o altă formă a ecuaţiei
Clausius-Mossotti:
01 3
2eff
eff A
M
N
(4.15)
Utilizând forma complexă a permitivităţii dielectrice efective a particulelor de
cenuşă, care include şi conductivitatea electrică σ, rezultă:
0
( )ef f ef f ef fef fi i
, ( 1i ) (4.16)
Similar, polarizabilitatea totală α, este o mărime complexă de forma, i .
Ca urmare, introducând (4.16) în (4.15) rezultă partea reală şi imaginară , a
polarizabilităţii totale complexe:
2 2
02 2
23
4 4eff eff eff
A eff eff eff
M
N
(4.17)
103
02 2
33
4 4eff
A eff eff eff
M
N
(4.18)
Componentele reală ef f şi imaginară ef f , ale permitivităţii dielectrice complexe,
pot fi scrise sub forma ecuaţiilor Debye (vezi ecuaţia 2.44), fiind dependente de
frecvenţa câmpului la o temperatură constantă. Ca urmare, rezultă din relaţiile (4.17) şi
(4.18) că şi componentele şi , ale polarizabilităţii totale complexe, vor fi
dependente de frecvenţa câmpului la o temperatură constantă. În ecuaţiile (4.17) şi (4.18),
mărimile:
2 2
,2 2
2Re ( )
4 4eff eff eff
eff aereff eff eff
K
(4.19)
,2 2
3Im ( )
4 4eff
eff aereff eff eff
K
(4.20)
reprezintă componenta reală, ,Re ( )eff aerK și imaginară, ,Im ( )eff aerK
a factorului
Clausius-Mossotti, pentru proba de cenuşă considerată sistem compozit de nano-micro
particule dispersate în aer. Aceste componente se pot determina din măsurătorile
experimentale de perimtivitate dielectrică complexă efectivă a probei. Ţinând cont de
ecuaţiile (4.19) şi (4.20), relaţiile (4.17) şi (4.18) se scriu:
0,
3Re ( )eff aer
A
MK
N
(4.21)
0,
3Im ( )eff aer
A
MK
N
(4.22)
Relaţiile (4.21) şi (4.22) permit determinarea componentelor reală şi imaginară ale
polarizabilităţii complexe totale. Componenta reală a polarizabilităţii complexe ( ) ,
este corelată cu mecanismele de polarizare la nivel microscopic local, în timp ce
104
componenta imaginară a polarizabilităţii complexe, ( ) , este corelată cu pierderea de
energie în probă [42]. În consecinţă, în investigarea mecanismelor de polarizare din proba
de cenuşă, doar componenta reală a polarizabilităţii complexe trebuie să fie luată în
considerare.
În vederea determinării componentei reale a polarizabilităţii, ( ) , trebuie
calculat factorul, ANM /3 0 din ecuaţia (4.17). Aici, M este masa atomică efectivă
(medie) a sistemului compozit (cenuşa), care poate fi calculată ca suma maselor atomice
ale fiecărui component din probă, Mi , ţinându-se cont de fracţia atomică i a fiecărui
component, „i”, care rezultă din analiza SEM-EDAX pentru cele două probe (vezi tabelul
4.3):
i ii
M M (4.23)
Astfel, în calculele noastre noi am utilizat masa atomică a fiecărui element din
structura celor două probe de cenuşă (tabelul 4.3) şi fracţia atomică i , corespunzătoare.
Prin utilizarea acestor parametrii în ecuaţia (4.23), se obţine masa atomică efectivă M, a
celor două probe, M=14,5781g/mol, pentru proba C şi respectiv M=14,8557 g/mol,
pentru proba F. Ca urmare, valoarea calculată pentru factorul ANM /3 0 este
39 22,143 10 F m , pentru proba C, respectiv 39 22,184 10 F m pentru proba F.
În consecinţă, cunoscând valoarea factorului ANM /3 0 şi măsurând
experimental dependenţa de frecvenţă a componentelor ef f şi ef f , a permitivităţii
dielectrice complexe, rezultă factorul Claussius-Mossotti, iar cu relaţiile (4.21) şi (4.22)
se pot determina componentele şi , a polarizabilităţii totale complexe.
4.2.2.4. Rezultate experimentale şi discuţii
Dependenţa experimentală de frecvența câmpului, a componentelor 'ef f și
respectiv ' 'ef f a permitivității dielectrice complexe eff~ pentru probele de cenușă
investigate este prezentată în figura 4.15.
105
0.1 1 10 100 10001.1
1.2
1.3
1.4
1.5
2
f [kHz]
'
eff
(1) - proba C (2) - proba F
1
a)
0.1 1 10 100 10000
100
200
300
400
500
600
700
800
900
f [kHz]
''
eff
(1) - proba C
(2) - proba F
1
2
b)
Figura 4.15. Dependența de frecvență a componentelor părții reale 'ef f , și imaginare ' '
ef f a permitivitatii
dielectrice complexe pentru cele două probe, C și F, de cenuşă investigate.
Se poate observa din figura 4.15 a că la temperatură constantă, partea reală a
permitivităţii dielectrice complexe, 'ef f , descreşte cu frecvenţa, de la o valoare
aproximativă egală cu 1.4 la o valoare aproximativă de 1.15, pentru ambele probe.
Componenta imaginară a permitivităţii dielectrice complexe ''ef f descreşte cu frecvenţa
pentru ambele probe (figura 4.15b), pe întreg domeniul de frecvenţe investigat. Valorile
ridicate ale componentei ''ef f
de la începutul domeniului de frecvenţe măsurate, indică
faptul că în probele de cenusa investigate sunt pierderi de conducţie mari [38], [42].
Utilizând în ecuaţiile (4.19) si (4.20) valorile experimentale ' ( )eff şi ( )eff
din figura 4.15, am calculat componenta reală, ,Re ( )eff aerK și imaginară,
,Im ( )eff aerK
a factorului Clausius-Mossotti, pentru cele două probe de cenuşă.
Dependenţa de frecvență a părţii reale și imaginare a factorului Clausius-Mossotti, pentru
probele investigate este prezentată în figura 4.16 a și 4.16 b.
106
0,1 1 10 100 10000,00
0,25
0,50
0,75
1,00
1,25
Im[K
eff-
air(
)]R
e[K
eff-
air(
)]
f [kHz]
(1) - Re [Keff-air ()]
(2) - Im [Keff-air ()]
Proba C
1
2
a)
0,1 1 10 100 10000,00
0,25
0,50
0,75
1,00
1,25
2
1
Proba F
Re[
Kef
f-a
ir()]
Im[K
eff-
air(
)]
f [kHz]
(1) - Re [Keff-air ()]
(2) - Im [Keff-air ()]
b)
Figura 4.16. Dependența de frecvență a părții reale Re[ ( )]K și părții imaginare Im[ ( )]K a
factorului Clausius-Mossotti pentru cele două probe, C și F, de cenuşă investigate.
Se poate observa din figura 4.16 a și b că pe domeniul de frecvențe cuprins între
100 Hz și 10 kHz, partea reală, ,Re ( )eff aerK a factorului Clausius-Mossotti rămâne
constantă pentru ambele probe la o valoare aproximativ egală cu unitatea, în timp ce
partea imaginară, ,Im ( )eff aerK
a factorului Clausius-Mossotti este foarte mică,
aproximativ egală cu 0. Acest lucru arată că în domeniul de frecvență 100 Hz- 10kHz
pierderile dielectrice pot fi neglijabile iar sub acțiunea câmpului electric aplicat
particulele de cenușă se polarizează, adică dipolii electrici se orientează pe direcția
câmpului. Astfel, pe acest domeniu de frecvență considerăm că mecanismul de polarizare
echivalent (predominant) este un mecanism de orientare.
Se ştie că [38], pentru materialele în care mecanismul de polarizare dominant este
determinat de orientarea momentelor dipolare în câmpul electric, polarizabilitatea este
dată de ecuaţia (4.24), de mai jos:
2
3eff
dip
p
kT (4.24)
unde k este constanta lui Boltzmann şi T este temperatura absolută a probei, iar effp este
momentul electric efectiv (echivalent) al particulelor din probă. Aşa cum se poate vedea
din ecuaţia (4.24), cunoscând partea reală a polarizabilităţii totale ( ) dip , se poate
107
evalua valoarea momentului electric efectiv (echivalent) effp , al particulelor din proba de
cenușă.
Utilizând în ecuaţiile (4.21) și (4.22) valorile determinate pentru componenta
reală, ,Re ( )eff aerK și imaginară, ,Im ( )eff aerK
a factorului Clausius-Mossotti
(figura 4.16), precum şi valoarea calculată pentru factorul ANM /3 0 , am putut astfel
determina partea reală și imaginară a polarizabilităţii totale a particulelor de cenușă din
cele două probe. Dependenţa de frecvență a componentelor polarizabilităţii totale, este
prezentată în figura 4.17 a și b.
0.1 1 10 100 10000
1
2
fmax
=56 kHz
Proba C
,,
,
f [kHz]
10
39 x
,, [
F.m
2]
103
9 x
, [F.m
2 ]
a) 4 0.1 1 10 100 2000
0
1
2
fmax
=45 kHz
Proba F
103
9 x
, [F.m
2 ]10
39 x
,, [
F.m
2 ]
,
,,
f [kHz]b)
Figura 4.17. Dependenţa de frecvență a componentelor polarizabilităţii totale: și
Aşa cum se poate vedea din figura 4.17 a si b, în domeniul de frecvență 100 Hz -
10 kHz partea reală a polarizabilităţii totale ( ) dip , rămâne aproximativ constantă la
valoarea 39 2( ) 2.1406 10proba C F m , respectiv 39 2( ) 2.1828 10proba F F m , în
timp ce componenta imaginară este neglijabilă în acest domeniu de frecvenţă. Ca urmare,
cunoscând valorile componentei , corespunzătoare celor două probe în domeniul de
frecvență 100 Hz - 10 kHz și utilizând ecuaţia (4.24) se poate evalua valoarea
momentului electric efectiv (echivalent) effp , al particulelor din probele de cenușă
investigate. Valorile obţinute sunt: 304,19 10effp C m , pentru proba C, respectiv
304, 24 10effp C m pentru proba F.
Rezultatele arată că momentul dipolar efectiv variază foarte puţin pentru cele
două probe. Acest lucru se datorează faptului că probele nu sunt omogene, având
108
aproximativ aceași compoziție chimică. Pe de altă parte, după cum se ştie, mecanismul de
polarizare global este determinat de două procese de polarizare (de procesele de
polarizare distorsională şi polarizare dipolară), iar la frecvenţele investigate, polarizarea
dipolară devine mai importantă.
Concluzii
- au fost investigate proprietăţile dielectrice în câmp alternativ în gama de
frecvenţă cuprinsă între 100 Hz – 2 MHz, şi la temperatură constantă pentru două probe
de cenuşă colectate de la incineratorul Pro Air Clean din Timişoara, în vederea
evidenţierii proceselor de relaxare dielectrică şi mecanismelor de polarizare din probe.
- în gama frecvenţelor joase la care s-au făcut măsurătorile (100 Hz–2 MHz),
proba a fost introdusă într-un condensator cilindric cu pereţii dubli, prin care poate
circula apă la diferite temperaturi de la un vas termostatat, condensatorul fiind conectat la
un RLC-metru tip Agilent. Măsurând capacitatea C şi rezistenţa R, atât în prezenţa
probei din condensator cât şi în absenţa ei, am determinat componentele permitivităţii
dielectrice complexe, şi respectiv , la frecvenţele din domeniul investigat şi pentru
o temperatură constantă T.
- am propus un model teoretic al polarizabilităţii, calculând teoretic expresia
componentelor reală (ecuaţia (4.21)) şi imaginară (ecuaţia (4.22)) a
polarizabilităţii totale complexe a unui sistem dispers format din particule de cenuşă
dispersate în aer, utilizând ecuaţia Clausius-Mossotti scrisă în cazul dinamic şi expresiile
componentelor şi respectiv ale permitivităţii dielectrice complexe, date de ecuaţiile
Debye.
- în modelul teoretic al polarizabilităţii pe care l-am propus, pentru
determinarea componentei reale a polarizabilităţii, ( ) , respectiv imaginare, ( ) ,
trebuie calculat factorul, ANM /3 0 din ecuaţia (4.21) şi respectiv (4.22). În acest sens
am considerat proba de cenușă ca fiind un sistem compozit de nano-micro particule
dispersate în aer. Masa atomică efectivă (medie) M este a sistemului compozit (cenuşa) și
poate fi calculată ca suma maselor atomice ale fiecărui component din probă, Mi ,
ţinându-se cont de fracţia atomică i a fiecărui component, „i”, a probei.
109
- componenta reală a polarizabilităţii complexe ( ) , este corelată cu
mecanismele de polarizare la nivel microscopic local, în timp ce componenta imaginară a
polarizabilităţii complexe, ( ) , este corelată cu pierderea de energie în probă [42]. În
consecinţă, în investigarea mecanismelor de polarizare din proba de cenușă, doar
componenta reală a polarizabilităţii complexe am luat-o în considerare.
- rezultatele obţinute arată că în domeniul de joasă frecvenţă, situat între 100 Hz şi
10 kHz, partea reală a polarizabilităţii totale ( ) dip , rămâne aproximativ constantă la
valoarea 39 2( ) 2.1406 10proba C F m , respectiv 39 2( ) 2.1828 10proba F F m , în
timp ce componenta imaginară este neglijabilă în acest domeniu de frecvenţă. Rezultă că
în acest domeniu de frecvență, mecanismul de polarizare dipolară este predominant,
orientarea momentelor dipolare în câmp electric determinând polarizarea probei.
- pe baza măsurătorilor experimentale ale permitivităţii dielectrice complexe şi
folosind modelul propus, am putut evalua pentru prima dată momentul dipolar efectiv a
probelor de cenușă investigate, rezultând o valoare medie de 304,19 10effp C m ,
pentru proba C, respectiv 304, 24 10effp C m pentru proba F.
110
CAPITOLUL 5
MODELAREA MATEMATICĂ ȘI SIMULAREA NUMERICĂ A
COMPORTAMENTULUI SUSPENSIILOR DE NANO-MICRO PARTICULE DE
CENUȘĂ
5.1. CONSTRUIREA MODELULUI MATEMATIC
Pentru determinarea câmpului electric şi a forţelor dielectroforetice se porneşte de
la calculul potenţialului electric pentru o geometrie dată şi considerând condiţiile pe
frontieră corespunzătoare reţelei de electrozi. Folosind notaţia fazorială, un potenţial
oscilant de frecvenţă se scrie sub forma })(~
Re{),( tjeVtV xx ,
unde 2/1)1(j , vectorul x descrie coordonatele spaţiale, Re{} indică partea reală şi
simbolul “~” indică fazorul IR jVVV ~, cu VR şi VI partea reală şi respectiv partea
imaginara a potenţialului electric. Cele două componente ale potenţialului satisfac ecuaţia
lui Laplace: 2 0RV şi respectiv 2 0IV .
Densitatea volumică de forţa mediată în timp care acţionează asupra dipolului
particulei este:
*3Re{ ( ) }
2 m k F E E (5.1)
unde IR jVVV ~~E este fazorul câmpului electric şi “*” indică conjugata
complexă
În relaţia 5.1 am notat )(~ k factorul Clausius–Mossotti definit prin relaţia:
mp
mpk
~2~
~~)(
~
(5.2)
unde p~ şi m
~ reprezintă permitivitatea dielectrică complexă a particulei şi respectiv a
mediului, mărimi care depind de proprietăţile dielectrice ale particulei şi mediului precum
şi de geometria particulei.
111
Se stie ca forţa mediată în timp care acţionează asupra unei particule dielectrice
aflate în câmp electric neuniform este formată din două contribuţii independente (indicii
R şi I indică părţile reală şi respectiv imaginară ale mărimiii fizice considerate) [24],[25]:
23 3| | ( )
4 2 Rm r m i Ik k F E E E (5.3)
Primul termen se referă la efectul amplitudinii neuniforme spațiale a câmpului
electric. Al doilea termen al ecuației (5.3) este nenul în cazul în care câmpul electric are o
fază dependentă spațial, iar fenomenul corespunzător acestei situaţii se numeşte traveling
wave dielectrophoresis (twDEP).
Atunci când semnul lui )(Rk este pozitiv, mişcarea particulelor este orientată
spre regiunile cu câmp mai puternic, fenomen ce poartă numele de dielectroforeză
pozitivă (pDEP). Când )(Rk este negativ, particulele se deplasează spre regiunea cu
câmp mai scăzut, în acest caz se numeşte dielectroforeză negativă (nDEP).
După introducerea expresiilor corespunzătoare pentru fazorul tensiunii, cele două
componente ale forței (5.3) se pot scrie [24],[25]:
2 23
( )4DEP m R R IK V V F , respectiv
3
( ( ))2twDEP m I R IK V V F (5.4)
În figura 5.1 se prezintă două structuri tipice de dispozitive folosite în separarea
dielectroforetică. Prima corespunde separării prin intermediul forței DEP, iar a doua
separării prin cel al forței twDEP.
112
a) b)
Figura 5.1. Reprezentarea schematică a dispozitivelor experimentale pentru separare folosind: a) forța
DEP, b) forța twDEP.
Condițiile la frontiera domeniului de calcul sunt prezentate în figura 5.2. Din
motive de simetrie și periodicitate, am prezentat o singură celulă elementară, într-o
secțiune longitudinală prin dispozitiv și condițiile la frontieră pentru potențialul real.
Condițiile la frontieră pentru potențialul imaginar sunt similare. În literatura de
specialitate este neglijată grosimea fizică a electrozilor, dar în modelul nostru matematic
am folosit o descriere mai realistă a problemei, care ține cont de forma și grosimea
electrozilor [79],[80],[81].
Figura 5.2. Reprezentări ale domeniului de calcul și ale condițiilor la frontieră asociate ținând cont de
geometria electrozilor.
Comportamentul macroscopic al unei suspensii de particule sferice aflate într-un
fluid dens și vâscos poate fi modelat având în vedere echilibrul mecanic dintre o forță
externă F și forța de rezistență vâscoasă de tip Stokes [82],[83]:
22
9
a
v u F , unde: 0 u ; 0
t
j , unde: 0
t
j (5.5)
113
u și v sunt vitezele fluidului respectiv particulei, a - raza particulei, - vâscozitatea
fluidului, t - timpul, j -fluxul de particule, D - coeficientul de difuzie al particulei și F
reprezintă câmpul dielectroforetic extern.
O reprezentare a domeniului de calcul pentru determinarea câmpului de
concentrație este dată în figura 5.3. Dacă se neglijează grosimea electrozilor, profilul de
curgere a fluidului poate fi considerat ca fiind de tip Poiseuille [80], dar în situația în care
se ia în considerare și geometria electrozilor, câmpul de viteze se calculează numeric prin
rezolvarea ecuației Navier-Stokes impunând condiția de aderență a fluidului real la pereți
și electrozi.
Figura 5.3. Reprezentarea schematică a domeniului macroscopic pentru calculul câmpului de concentrație.
Curgerea fluidului este de tip Poiseuille.
Notând cu 0V amplitudinea semnalului aplicat și cu d o distanță caracteristică
dispozitivului, expresiile adimensionalizate ale componentelor forței în raport cu
potențialele electrice adimensionale 0VVV RR si 0VVV II și distanța d x x ,
devin:
2 2
0DEP DEP R IF V V F , respectiv
0twDEP twDEP R IF V V F (5.6)
unde s-au utilizat notațiile: 2
00 3
3
4DEP m r
VF K
d și respectiv
20
0 3
3
2twDEP m i
VF K
d .
Utilizând scalele 2, / , /d d D D d și 0 (media inițială a fracției volumice) pentru
lungime, timp, viteză și respectiv volumul de particule, problema transportului
114
macroscopic exprimată în termeni de variabile adimensionale este descrisă de următorul
sistem de ecuații [84]:
Q v u F , unde: 0 u ; 0t
j , unde: D j v . (5.7)
Simbolul “ ′ ” reprezintă mărimea adimensională, iar 0 6DEPQ F d aD , cu 0DEPF o
măsură a intensității câmpului extern.
Pentru parametrii problemei s-au considerat valori tipice, care permit compararea
rezultatelor noastre cu cele din literatura de specialitate și în final validarea codurilor
numerice.
Pe parcursul etapei de comparare/validare am considerat un sistem format din
particule de dimesiune caracteristică (raza) a=200nm în apă ( 3 1 110 kgm s ,
3 310 kgm , 12 2 110 m sD , 80m ). Dimensiunea caracteristică a dispozitivului
este 50μmd . Pentru partea reala a factorului Clausius-Mossotti de valoare 0.6RK ,
corespunzând aproximativ valorii pentru particule de latex în apă, amplitudinea tensiunii
aplicate 0 1VV și o undă de deplasare (traveling wave) cu lungimea de undă
400μm , obținem pentru parametrul adimensional o valoare tipică 0.2Q [85].
Curgerea fluidului în microcanal este considerată laminară și este descrisă de un
profil Poiseuille cu o valoare tipică maximă a vitezei de curgere de 1 μm/s .
5.2. IMPLEMENTAREA NUMERICĂ A MODELULUI MATEMATIC
Programele folosite pentru implementarea numerică a modelului matematic au
fost scrise folosind FreeFEM++, un solver de ecuații cu derivate bazat pe metoda
elementului finit. Pentru validarea programelor s-au folosit cazuri particulare ale
problemei noastre, care admit fie soluție analitică sau au fost rezolvate în lucrări publicate
anterior în domeniu. Validarea programului de calcul al forței dielectroforetice s-a
realizat în cazul particular al neglijării geometriei electrozilor [85]. S-a ales o geometrie
115
descrisă de dimensiunile d1=d2=d=50μm și h=10d și condiții la frontieră ca și în figura
5.2.
Rezultatele obținute pentru amplitudinile vectorilor 2 2
R IV V și
R IV V , proporționali cu valorile adimensionale ale forțelor DEP și twDEP
date de ecuațiile (5.4) sunt în foarte bună concordanță cu rezultatele din literatură.
5.3. STUDIU NUMERIC ASUPRA MOBILITĂȚII ȘI RATEI DE
DISPERSIE A NANOPARTICULELOR AFLATE ÎN MEDIU FLUD ATUNCI
CÂND SUNT SUPUSE ACȚIUNII CÂMPULUI ELECTRIC PENTRU A FI
REȚINUTE SAU SEPARATE
Pentru a studia efectul dimensiunii particulelor asupra procesului de transport, s-
au realizat simulări pentru particule cu raze cuprinse între 100 și 300 nm. Rezultatele
obținute pentru câmpul de concentrație în cazul particulelor cu razele a=100nm și
a=200nm sunt prezentate în Figura 5.5a [84]. Rezultatele arată că pe măsură ce
dimensiunea particulelor scade, scade și intensitatea forței dielectroforetice care
acționează asupra acestora, atât în cazul pDEP cât și în cazul nDEP.
Figura 5.4. Schema a doua dispozitive DEP.
116
Studiul influenței proprietăților fizice ale particulelor și fluidului s-a făcut prin
intermediul parametrului Q, care conține în expresia sa atât caracteristici ale fluidului
( , , D , m ), cât și ale particulelor (raza a, Figura 5.5a). Influenta parametrului Q
asupra câmpului de concentrație este prezentată în Figura 5.5b). În cazul pDEP, dar și al
nDEP, rezultatele arată că pe măsură ce parametrul Q crește (fenomen ce poate fi produs
de mărirea tensiunii de alimentare, sau de scăderea vâscozității, a coeficientului de
difuzie, a distanței caracteristice, sau a razei particulelor) crește și valoarea forței
dielectroforetice.
a) b)
Figura 5.5. Profilurile de concentrație 0/ calculate de-a lungul verticalei dispozitivului experimental
pentru a) două dimensiuni ale particulelor, b) mai multe valori ale parametrului Q.
O altă etapă importantă a studiului nostru o constituie calcularea traiectoriilor
particulelor supuse forței DEP [84]. Pentru determinarea traiectoriilor, s-a integrat ecuația
de mișcare 20 0 1 2t t x x v a pentru diferite poziții inițiale 0x ale particulelor.
Rezultatele simulărilor realizate pentru geometria din figura 5.2 confirmă
comportamentul estimat al particulelor sub acțiunea forțelor dielectroforetice: în cazul
pDEP particulele sunt atrase către marginile electrozilor (figura 5.6a), în cazul nDEP
particulele sunt respinse către centrul microcanalului (figura 5.6b), deci forța DEP
acționează pe direcția verticală. Calcule similare arată că forța twDEP produce mișcări
oscilatorii sau rectilinii, având drept efect deplasarea transversală a particulelor.
117
a) b)
Figura 5.6. Traiectoriile calculate pentru particula cu raza a=200nm în cazul pDEP a) și nDEP b), la
diferite poziții inițiale ale particulelor.
Figura 5.7 prezintă analiza variației pe verticală a forței DEP adimensionale,
funcție de înălțimea adimensională w a electrozilor de formă rectangulară, realizată la
stânga domeniului (x=0), mijlocul electrozilor (x=0.25), colțul electrozilor (x=0.5) și
mijlocul domeniului (x=1). Se observă că prin creșterea grosimii electrozilor se obține
doar o translatere a forței DEP, fără să afecteze modul de variație al acesteia.
a) b)
118
c) d)
Figura 5.7. Variația verticală a forței DEP adimensionale, pentru electrozi rectangulari de diverse înălțimi
la: x=0 ,a), x=0.25, b), x=0.5, c) si x=1, d).
Efectul forțelor dielectroforetice asupra suspensiei la scară macroscopică s-a
studiat integrând ecuația de transport de masă (5.7). Pentru expresia forței
dielectroforetice pot fi luate în considerare o expresie analitică, sau pentru o descriere mai
realistă valoarea calculată numeric [81]. Valoarea parametruluiQ poate fi modificată prin
intermediul tensiunii aplicate: prin creșterea sau descreșterea amplitudinii tensiunii, Q
crește sau scade după o lege pătratică. De asemenea, prin modificarea frecvenței
semnalului aplicat, semnul lui Q poate fi schimbat. În figura 5.8 sunt prezentate două
exemple calculate de câmpuri de concentrație staționare. Profilele de concentrație
rezultate arată acumularea particulelor în apropierea frontierelor pentru 0Q sau în
centrul microcanalului pentru 0Q , situații ce corespund la pDEP și respectiv nDEP.
a) b)
Figura 5.8. Rezultate numerice obținute pentru câmpul staționar de concentrație pentru a) pDEP
( 0.2Q ), b) nDEP ( 0.2Q ).
119
Un studiu asemănător efectuat pe geometria prezentată în figura 5.1b, arată că de
data aceasta rolul fundamental în deplasarea particulelor îi revine forței twDEP [84].
Ansamblul rezultatelor obținute prin simulări numerice bazate pe modelul
matematic propus arată că forțele dielectroforetice pot fi folosite cu succes în
manipularea micro și nanoparticulelor. Pe baza acestor rezultate se pot înțelege mai bine
procese fizice care au loc în interiorul dispozitivului experimental și în același timp se pot
obține un set de parametri optimali pentru funcționarea acestuia.
5.4. STUDIUL INFLUENȚEI VITEZEI DE CURGERE ASUPRA
DISTRIBUȚIEI NANOPARTICULELOR ÎNTR-UN DISPOZITIV
MICROFLUIDIC
Acest aspect a fost analizat prin determinarea concentrației pentru diferite
intensități ale curgerii, descrise de valori adimensionale ale vitezei de curgere în
domeniul 1 – 1000. Aceste valori corespund unui dispozitv cu dimensiunile 200μmh și
1000μmL (figura 5.1a), în interiorul căruia vitezele au valori de la 1 la 1000 μm/s . În
figurile 5.9 și 5.10 se arată valorile câmpurilor de concentrație pentru două valori ale
vitezei (v=1 și v=100), pentru 0.2Q (p-DEP) și respectiv 0.2Q (n-DEP). Aceste
rezultate evidențiază faptul că nanoparticulele aflate în suspensie au tendința să se
concentreze pe pereți în cazul dielectroforezei pozitive (pDEP) și în centrul canalului, în
cazul dielectroforezei negative (nDEP). Se observă clar efectul vitezei.
120
a) b)
Figura 5.9. Câmpurile de concentrație pentru pDEP (Q=0.2) la v =1 a), și v =100 b) [86].
a) b)
Figura 5.10. Câmpurile de concentrație pentru nDEP (Q=-0.2) la v =1 a), și v =100 b).
O analiză mai rafinată privind variația concentrației staționare s-a făcut pentru
diferite poziții în interiorul dispozitivului microfluidic de separare. Coordonatele
adimensionale x=0, x=0.5 și respectiv x=1, corespund marginii din stanga a domeniului
de calcul, marginii din dreapta a electrodului din stanga și respectiv mijlocul distanței
dintre electrozi. Figurile 5.11a) și 5.11b) arată variația pe verticală a concentrației pentru
diferite valori ale coordonatei orizontate în cazul pDEP, iar figurile 5.12a) și 5.12b) în
cazul nDEP, pentru valori ale vitezei de curgere adimensionale v=1 și v=100 [86].
121
a) b)
Figura 5.11. Variația concentrației în cazul pDEP pentru v =1 a) și v =100 b).
a) b)
Figura 5.12. Variația concentrației în cazul nDEP pentru v =1 a) și v =100 b) [86].
5.5. DETERMINAREA CÂMPURILOR DE CONCENTRAȚIE ALE
SUSPENSIILOR DE NANOPARTICULE ÎN DISPOZITIVUL DE FILTRARE
MICROFLUIDIC, ANALIZA PRIN MĂRIMI SPECIFICE A UNUI PROCES DE
SEPARARE
În această parte, studiul numeric se ocupă de calculul câmpului de concentrații al
nanoparticulelor aflate în suspensie în gazul de ardere, în interiorul unui dispozitiv de
separare microfluidic. Deoarece fluidul considerat este un gaz pentru care 1r , se
consideră doar componenta pDEP a forței dielectroforetice. Rezultatele separării
nanoparticulelor au fost analizate prin prisma a trei noi parametri, numiți Recovery,
122
Purity și Separation Efficiency, corelați cu câmpul de concentrații. Această concepție
oferă o caracterizare mai sugestivă a capabilității dispozitivului referitoare la procesul de
separare a nanoparticulelor din gazul de ardere. Simulările numerice au fost efectuate cu
softurile FreeFEM++ și COMSOL, bazate pe metoda elementelor finite [87], [88].
Comsol Multiphysics este un program special destinat simulării proceselor fizice,
oferind toate elementele necesare unui proces de modelare, definirea unei geometrii, a
unui mesh, specificarea ecuațiilor fizice care guvernează respectivele procese, rezolvarea
acestora prin metoda elementelor finite și în final vizualizarea grafică a rezultatelor
obținute.
În rezolvarea numerică a ecuațiilor diferențiale specifice modelului studiat,
Comsol Multiphysics folosește metoda elementelor finite (care este printre cele mai bune
metode de rezolvare numerică a ecuațiilor diferențiale). Software-ul foloseste în paralel
cu analiza de element finit și un mesh adaptiv, făcând în același timp un control al
erorilor numerice care pot să apară [88].
Pentru calculul forțelor dielectroforetice s-au rezolvat ecuațiile Laplace pentru
părțile reală și imaginară a potențialului, împreună cu condițiile pe frontieră. Domeniul de
calcul și condițiile pe frontieră sunt prezentate în figura 5.13, pentru cazul particular
d=l=30 μm și H=2d= 60 μm .
Figura 5.13. Geometria domeniului de calcul și condițiile pe frontieră pentru partea reală a fazorului
potențialului electric VR [84].
Variația mărimii vectorului 2 2
R IV V , proporțional cu forța DEP
adimensionalizată, este prezentată în figura 5.14:
123
Figura 5.14. Valorile calculate ale forței DEP adimensionale, la scară logaritmică, evidențiază o variație
logaritmică.
Bazat pe variația periodică a forței DEP, se va considera pe mai departe modelul
analitic. Pentru a simula comportamentul suspensiei de nanoparticule din gaze de ardere
în dispozitivul de separare, ecuațiile (5.6), și forța dată de (5.7) se rezolvă pentru diferite
valori ale parametrului Q , care descrie influența globală a mărimilor fizice ce intervin în
procesul de separare: tensiunea aplicată pe electrozi, raza nanoparticulelor, permitivitatea
acestora. Pentru a obține o valoare de referință pentru acest parametru, s-a considerat o
suspensie de nanoparticule cu raza a=100 nm în aer, partea reala a factorului Clausius-
Mossotti 1RK pentru particulele din suspensie, amplitudinea potențialului electric
aplicat pe electrozi 0 10 VV și lungimea undei de propagare (trawelling wave)
120μm [89]. S-a obținut valoarea numărului de undă adimensional valoarea b și
1Q . În figura 5.15 se prezintă corelația dintre tensiunea aplicată V și raza
nanoparticulelor, pentru diferite valori ale factorului Q.
Figura 5.15. Corelație între tensiunea aplicată V și raza nanoparticulelor a, pentru diferite valori ale
factorului Q.
124
În figura 5.16 se arată câmpul de concentrație calculat al particulelor aflate în
suspensie sub influența dielectroforezei pozitive (particulele fiind atrase către electrozi)
pentru 1Q (a=100 nm , 1RK , 0 10 VV , 120μm ), cu roșu fiind delimitată zona de
interes considerată în continuare pentru estimarea separării:
a) b)
Figura 5.16. Câmpul de concentrație calculat al particulelor aflate în suspensie sub influența
dielectroforezei pozitive pentru 1Q , a), detaliu cu zona de separare b) [84].
Se observă o stratificare pe verticală a concentrației, ceea ce permite utilizarea pe
mai departe a unei singure variabile spațiale C(y) pentru aceasta. Figura 5.16b) relevă un
detaliu cu zona de interes din figura 5.16a), considerând în partea stângă intrarea
nanoparticulelor (imput) iar în dreapta partea de separare (output) [90]. Pentru a se obține
o separare eficientă a nanoparticulelor din gazul de ardere trebuie colectate cât mai multe
particule, dar la o valoare a concentrației cât mai mare. Astfel, este de dorit o valoare
medie h a înălțimii colectorului de separare (zona de separare la ieșire) ( 0 h H ).
Pentru h mic se separă un fluid concentrat dar conținând o cantitate mică de
nanoparticule, pe când pentru h mare se colectează particule mai multe, dar în
concentrație redusă. După cum se arată în figura 5.17, densitatea particulelor la ieșire
scade cu h, la volori mici ale acesteia depinzând de intensitatea forței dielectroforetice Q.
125
Figura 5.17. Valorile calculate ale densității particulelor la iesire pentru diferite valori h și Q [84].
Pentru analiza cantitativă a procesului de separare s-au definit următoarele mărimi:
- Cantitate de particule recuperate la ieșire (produs), numită Recovery (R):
0( )
hR C y dy (5.8)
- Densitatea particulelor la ieșirea din zona de separare considerată:
0(1 / ) ( )
h
hn h C y dy (5.9)
- Calitatea separării sau Purity (P) (fracția de nanoparticule separate la ieșire:
0
max 0
hn nP
n n
(5.10)
0 1n este valoarea densității particulelor în absența forței DEP, maxn densitatea lor la
0h . P = 1 corespunde valorii maxime a concentrației de particule în produs, iar R = 1
corespunde cazului când tot materialul ajunge în produs.
- Eficiența separării numită Separation Efficiency (SE), definită ca:
1SE R P (5.11)
În continuare se discută importanța acestor factori în procesul de separare a
nanoparticulelor din gaze de ardere într-un dispozitiv de separare microfluidic sub
acțiunea dielectroforezei.
Figura 5.18a) prezintă valorile calculate pentru Recovery, Purity și Separation
Efficiency la diferite mărimi ale înălțimii colectoruli de separare h, pentru un dispozitiv
de separare având electrozi și spațiul interelectrodic 30μmd l , la o tensiune aplicată
pe electrozi 0 10 VV pentru trei valori ale razelor particulelor: a=50, 100 și 150 nm.
126
Figura 5.18b) este un detaliu care pune în evidență valorile optime de separare:
intersecțiile RP și maximele pentru SE.
a) b)
Figura 5.18. Recovery, Purity și Separation Efficiency funcție de înălțimea colectorului de separare h,
pentru razele: a=50, 100, 150 nm, a), detaliu b). Subscripturile din legendă și de pe grafice denotă razele
particulelor.
Se observă că în toate cazurile Separation Efficiency crește cu h, obține un maxim la
aproximativ intersecția Recovery – Purity, apoi descrește, raza particulelor având o
influență destul de mică. Crescând h, cantitatea de particule la ieșire R crește dar scade
puritata P. Prin urmare, este necesar un compromis între materialul recuperat în produs și
puritatea produsului. O alegere rezonabilă pentru acest compromis este maximul curbei
SE. Conform diagramei de separare, acuratețe maximă de separare se obține pentru h
între 0.41H și 0.48H (zona hașurată din stânga, între valorile maxime stânga-dreapta ale
SE, corespunzătoare razelor de 50 și 150 nm). Pe de altă parte, luând în considerare
intersecțiile stânga-dreapta ale diagramelor RP, (zona hașurată din dreapta, care
corespunde de asemenea la a = 50 și a = 150nm), se obține pentru h între 0.47H și 0.53H.
Modul optim de separare s-a obținut pentru valori ale lui h în domeniul 0,47 - 0.48H
(zona dublu hașurată din mijloc, obținută prin intersecția zonelor hașurate stânga-
dreapta), pentru care unul atinge valorile R, P ~ 0,67, corespunzând compromisului
menționat.
127
5.6. INFLUENȚA PARAMETRILOR ASUPRA TRAIECTORIILOR
PARTICULELOR
Aici s-a realizat o analiză numerică mai rafinată privind influența principalilor
parametri ce intervin în procesul de separare asupra traiectoriilor particulelor, sub
acțiunea forței trawellingDEP. Acestea au fost calculate prin integrarea ecuației de
mișcare 20 0 1 2t t x x v a utilizând expresia forței twDEP. Curgerea s-a considerat
laminară, find descrisă de un profil de curgere de tip Poiseuille cu valoarea maximă a
vitezei de curgere în canalul dispozitivului de separare microfluidic de 10μm/s , lungimea
caracteristică a dispozitivului fiind 50μmd . Figura 5.19 prezintă un set de rezultate
numerice relevante privind influența parametrilor asupra traiectoriilor.
Figura 5.19. Influența principalilor parametri asupra traiectoriilor, sub acțiunea forței twDEP [85].
128
5.7. PROIECTAREA ȘI REALIZAREA UNUI DISPOZITIV
EXPERIMENTAL
Pe baza rezultatelor obținute în urma simulărilor, s-a proiectat și este în curs de
realizare în colaborare cu firma de incinerare deșeuri Pro Air Clean Timișoara și
Facultatea de Fizică, Universitatea București, versiunea beta a unui dispozitiv
experimental de laborator destinat reținerii particulelor nanometrice din gazele de ardere,
în câmp electric neuniform. Schema părților inferioară și superioară a dispozitivului
microfluidic de separare este redată în figura 5.20a), iar diagrama Gerber aferentă
(layout-ul realizat la scară micrometrică), necesară realizării dispozitivului experimental
prin evaporare metalică și depunere în vid pe placă izolatoare, realizată la Universitatea
Offenburg Germania, în figura 5.20b)
a)
b)
Figura 5.20. Schema părților inferioară și superioară a dispozitivului microfluidic de separare a), diagrama
Gerber reprezentând layout-ul la scară micrometrică b).
129
Din punct de vedere practic, s-au realizat cu ajutorul colectivului condus de dl.
Prof. Dr. Ștefan Antohe de la Facultatea de Fizică a Universității București subansamble
de probă ale dispozitivului experimental, constând în electrozi de Cu cu puritate 99.99%
depuși în vid pe plăcuțe de sticlă Fisher sub diferite geometrii (interdigitat și simplu),
prezentate în figura 5.21.
Figura 5.21: Diverse subansamble ale dispozitivului experimental destinate captării de nanoparticule din
gaze de ardere – electrozi de Cu cu puritate 99.99% depuși în vid pe plăcuțe de sticlă Fisher.
130
CONCLUZII GENERALE
Studiile efectuate au urmărit aspecte teoretice şi aplicative referitoare cu privire la
posibilitatea captării nanoparticulelor din gazele de ardere utilizând dielectroforeza, în
scopul îmbunătățirii proceselor de filtrare.
Principalele rezultate obţinute din studiul efectuat, sunt după cum urmează:
1. Pentru acest studiu au fost utilizate 7 probe reprezentative, preluate din cenușile
de ardere colectate din filtrele incineratorului Pro Air Clean Timișoara, pe o perioadă de
2 ani, rezultate din arderea unor deșeuri spitalicești, policlinici, cabinete medicale și
veterinare, deșeuri farmaceutice: medicamente, compuși chimici, spray-uri, ceaiuri.
2. În vederea determinării compoziției chimice a celor 7 probe am utilizat
spectrofotometrul de absorbție atomică CONTRAA 700 cu sursă continuă pentru analiza
în flacără și cuptor de grafit, aflat în dotarea laboratorului de analiză instrumentală
ProAirClean Timișoara.
3. Cu microscopul Nano Sight LM10, achiziționat în cadrul proiectului de
cercetare PN-II-ID-PCE-2011-3-0762, nr. 175/25.10.2011, prin utilizarea metodei NTA
(Nanoparticle Tracking Analysis), am vizualizat și analizat în timp real distribuția
nanoparticulelor după dimensiuni.
4. Analiza cantitativă (EDAX), am efectuat-o cu dispozitivul electronic de baleiaj
Quanta 200, aflat în dotarea Institutului Național de Cercetare-Dezvoltare pentru
Electrochimie și Materie Condensată Timișoara, Departamentul de Materie Condensată,
folosind metoda microscopiei electronice de baleiaj.
5. Cu ajutorul difractometrului Bruker-AXS D8 Advance, aflat în “Laboratorul
pentru determinări cristalografice pe corp solid (LDCCS)” de la Facultatea de Fizică din
cadrul Universităţii de Vest din Timişoara, am determinat compoziția probelor de cenușă
(amestec multifazic) prin analize de difracţie cu raze X.
6. În vederea determinării proprietăţilor dielectrice în câmp de joasă frecvență
(25Hz - 2MHz) am măsurat componentele reală și imaginară ale permitivității dielectrice
complexe a probelor cu un RLC- metru de tip Agilent (E4980A), aflat în dotarea
laboratorului de magneto-dielectrici din cadrul Facultăţii de Fizică de la Universitatea de
Vest din Timişoara folosind metoda capacitivă.
131
7. Pe baza măsurătorilor dielectrice ale componentelor reală şi imaginară '' a
permitivităţii dielectrice complexe în domeniul de frecvență 25Hz- 2MHz pentru o
pulbere de cenușă rezultată din procesele de ardere a deșeurilor din incineratorul
ProAirClean Ecologic Timișoara am determinat dependența de frecvență a părții reale și
imaginare a factorului CM.
8. Rezultatele arată că dacă pulberea de cenuşă este dispersată în aer, partea reală
a factorului CM este mai mare ca 0, Re ( ) 0p airK , pentru toate frecvenţele din
domeniul investigat. Ca urmare este posibilă o filtrare a gazelor de ardere utilizând
dielectroforeza pozitivă prin atragerea particulelor în zonele de câmp intens.
9. Semnul componentei reale a factorului CM a fost analizat și din punct de
vedere teoretic atunci când particulele sunt dispersate într-un mediu fără pierderi a cărei
permitivitate dielectrică variază între 3-10. Rezultatele arată că Re ( )p airK poate
schimba semnul de la valori positive la valori negative la o frecvenţă critică care
descreşte de la 1.416 kHz la 0.31 kHz (pentru 0.25 ) şi de la 1.730 kHz la 0.335 kHz
(pentru 0.42 ), dacă permitivitatea dielectrică a mediului m creşte de la 3 la 10, acest
lucru depinzând şi de fracţia volumică.
10. Schimbarea semnului componentei reale Re ( )p airK a factorului CM arată
că are loc o trecere de la pDEP la nDEP. Acest lucru făcând posibilă separarea selectivă a
nanoparticulelor de cenuşă. Rezultatele preliminare arată posibilitatea de a filtra gazele de
ardere, folosind atât pDEP, cât şi nDEP, în funcţie de proprietăţile dielectrice ale
particulelor şi ale mediului de dispersie. În plus, rezultatele obţinute demonstrează că
utilizarea DEP pentru manipularea particulelor submicronice poate îmbunătăţi
performanţa dispozitivelor de filtrare, pentru a reduce emisiile de nanoparticule în aer,
prin optimizarea condiţiilor de filtrare ale gazelor reziduale de ardere.
11. Am propus pentru prima dată, o metodă nouă ce a permis evaluarea
momentului dipolar efectiv al nanoparticulelor din probele de cenuşă investigate. În
studiul pe care l-am efectuat am determinat experimental, dependenţa de frecvenţă
( 2/f ) a permitivităţii dielectrice complexe, a două probe de cenuşă, în
domeniul de frecvenţă cuprins între 100 Hz - 2 MHz, la temperatură constantă. Bazat pe
132
rezultatele experimentale ale permitivităţii dielectrice complexe şi utilizând ecuaţia
Claussius-Mossotti, am determinat componentele polarizabilităţii efective totale a
nanoparticulelor din probele de cenuşă şi am analizat mecanismele de polarizare
predominante în domeniul de frecvenţă investigat.
12. Ansamblul rezultatelor numerice obținute în cadrul modelului matematic
propus relevă importanța influenței a câtorva parametri fundamentali (natura și mărimea
particulelor, geometria dispozitivului, viteza de curgere, tensiunea aplicată pe electrozi,
dimensiunea și forma acestora) asupra manipulării nanoparticulelor în vederea separării
lor și purificării gazelor de ardere. Rezultatele obținute arată posibilitatea de a filtra
gazele de ardere, în funcție de proprietățile dielectrice ale particulelor și ale mediului de
dispersie. În plus, rezultatele obținute demonstrează că utilizarea DEP pentru manipularea
particulelor submicronice poate îmbunătăți performanța dispozitivelor de filtrare, pentru a
reduce emisiile de nanoparticule în aer, prin optimizarea filtrării gazelor de ardere.
133
BIBLIOGRAFIE
Capitolul 1
[1] Dicţionarul explicativ al limbii române- DEX’98, http://www.webdex.ro/online/
dicţionarul explicativ al limbii române dex98/de %C5%9Feu.
[2] N.N.Antonescu, Nicolae Antonescu, Stănescu Dan- Paul, Lelia Letiţia Popescu,
Gestiunea şi tratarea deşeurilor urbane. Gestiunea regională, Ed. MatrixRom Bucureşti.
[3] HOTĂRÂRE nr. 856 din 16 august 2002 privind evidenţa gestiunii deşeurilor şi
pentru aprobarea listei cuprinzând deşeurile, inclusiv deşeurile periculoase.
[4] Tiberiu Apostol, Cosmin Mărculescu, Managementul deşeurilor solide, Ed. AGIR,
Bucureşti 2006.
[5] John Pichtel, Waste management practices Municipal, Hayarduous, and Industrial,
Ed. Taylor & Francis Group, 2005.
[6] C. Cosmi: Waste management modeling by Markal model: a case study for Basilica
Region.
[7] Ordonanţa de urgenţă nr. 78 din 16/06/2000 privind regimul deşeurilor, Monitorul
Oficial, Partea 1 nr. 283 din 22/06/2000.
[8] Ministerul Mediului şi Gospodăririi Apelor, Normativ tehnic privind incinerarea
deşeurilor, Normativ din 26.11.2004, publicat în Monitorul Oficial, Partea 1, nr.86Bis din
26.01.2005.
[9] Egon Dirks Praxishandbuch Abfallverbrennung, Office for Official Publications of
the European Communities: Ambient air pollution by As, Cd and Ni compounds, Position
Paper, Luxembourg:, (2001), ISBN 92-894-2054-5.
[10] Vasile Pode, Gospodărirea şi incinerarea deşeurilor, Editura Waldpress Timişoara,
2004.
[11] M. Lungu, Metode Fizice de Separare a Materialelor Reciclabile, Tipografia
Universităţii de Vest, Timişoara, 2000.
[12] E. Luca, Gh. Zet, Fizică Generală, E.D.P., Bucureşti, 1981.
[13] F. Argence, T. Kohon, Theorie des quides et cavites electromagnetiques, Dunod,
Paris, 1964.
134
[14] C. I. Mocanu, Teoria câmpului electromagnetic, Ed. Didactică şi Pedagogică,
Bucureşti, 1981.
[15] I. Malaescu, Microunde şi tehnologii cu microunde, Ed. Univ. de Vest, Timişoara,
2008.
[16] Z. Schlett, M. Lungu, Recuperarea unor materiale utile din deşeuri minerale,
Contract de cercetare nr.528/1994 cu CEPROMIN Deva S.A.
Capitolul 2
[17] H.A. Pohl, Some Effects of Neunuform Fields on Dielectrics, J.Appl.Phys., Vol.29,
No.8, August 1958.
[18] J.H.P. Watson, Magnetic filtration, J.Appl.Phys., Vol.44, No.9, September 1973.
[19] H. A. Pohl, Dielectrophoresis, 1978 (Cambridge: Cambridge University Press).
[20] http://www.iatp.md/mediu-sanatate/ozon.html
[21] D. Rickerby, M. Morrison: Report from the Workshop on Nanotechnologies for
Environmental Remediation, JRC Ispra 16-17, April (2007).
[22] A.D. Maynard, E.D. Kuempel: Airborne nanostructured particles and occupational
health, J. of Nanoparticle Research 7 (2005).
[23] M. Lungu, A. Neculae, M. Bunoiu: Some considerations on the dielectrophoretic
manipulation of nanoparticles in fluid media, J. of Optoelectronics and Advanced
Materials 12 (2011).
[24] R. Pethig: Review Article-Dielectrophoresis: Status of the theory, technology, and
applications, Biomicrofluidics 4, (2010).
[25] C. Zhang, K. Khoshmanesh, A. Mitchell, K. Kalantar-Zadeh: Dielectrophoresis for
manipulation of micro/nano particles in microfluidic systems, Anal Bioanal Chem 396,
(2010).
[26] A. Castellanos, A. Ramos, N. Gonzales, N. Green, H. Morgan:
Electrohydrodynamics and dielectrophoresis in microsystems: scaling laws, J. Phys. D:
Appl. Phys., Vol. 36, (2003).
[27] Khashayar Khoshmanesha, Saeid Nahavandia, Sara Baratchib, Arnan Mitchellc and
Kourosh Kalantar-zadehc: Dielectrophoretic platforms for bio-microfluidic systems. Vol
26 (2011) 1800–1814.
135
[28] Chun-Xia Zhao and Anton P.J.Middelberg. Two-phase microfluidic flows. (2010).
[29] Kun-Shyong Chow, Hejun Du: Dielectrophoretic characterization and trapping of
different waterborne pathogen in continuous flow manner. Vol 170 (2011), 24–31.
[30] Wenfeng Liang, Na Liu, Zaili Dong, Lianqing Liu, John D. Mai, Gwo-Bin Lee, Wen
Jung Li: Simultaneous separation and concentration of micro-and nano-particles by
optically-induced electrokinetics. (2013).
[31] Hyung Joon Kim, Hui-Sung Moon, Bong Seop Kwak, Hyo-Il Jung: Microfluidic
device to separate micro-beads with various fluorescence intensities. Vol 160 (2011),
1536-1543.
[32] Pengfei Li, Nan Lei, Debra A. Sheadel, Jie Xu, Wei Xue: Integration of nanosensors
into a sealed microchannel in a hybrid lab-on-a-chip device. Vol 166-167 (2012), 870-
877.
[33] Song-I Han, Young-Don Joo, Ki-Ho Han: Impedance-activated microseparator
based on amplitude modulation sensing and dielectrophoretic switching methods. Vol
171-172 (2012), 1312-1320.
[34] Sander van den Driesche, V.Rao, D.Puchberger-Enengl, and W.Witarski:
Continuous cell from cell separation by traveling wave dielectrophoresis. Vol 170
(2012), 207-214.
[35] Ravi Prakash, Karan V.I.S. Kaler: Microbead dispensing and ultralow DNA
hybridization detection using liquid dielectrophoresi. Vol 169 (2012), 274–283.
[36] R. Renaudot, B. Daunay, M. Kumemura, V. Agache, L. Jalabert, D. Collard, H.
Fujita: Optimized micro devices for liquid-dielectrophoresis (LDEP) actuation of
conductive solutions. Vol 177 (2013), 620-626.
[37] S. Shklyaev, A.V. Straube, Particle entrapment in a fluid suspension as a feedback
effect, New Journal of Physics 10, (2008).
[38] C.N. Marin, I. Malăescu, Fizica şi tehnologia materialelor dielectrice, Editura
Universităţii de Vest, Timişoara, 2008.
[39] A.R. Von Hippel 1954. Dielectric Materials and Applications. M.I.T. Press,
Cambridge.
[40] T. Saarenketo, Electrical Properties of Water in Clay and Silty Soils, Journal of
Applied Geophysics, 1998, 40, 73-88.
136
[41] D. Carreon-Freyre, M. Cerca and M. Hernández-Marín, Correlation of Near-Surface
Stratigraphy and Physical Properties of Clayey Sediments from Chalco Basin, Mexico,
using Ground Penetrating Radar, Journal of Applied Geophysics, 2003, Vol. 53, 121-
136.
[42] B.K.P. Scaife, Principles of Dielectrics, Clarendon Press, Oxford, 1998.
[43] T. L. Chelidze and Y.Gueguen, Electrical spectroscopy of porous rocks: a review-I.
Theoretical models, Geophysical Journal International Volume: 137, Issue: 1, Pages: 1-
15, 1999.
[44] P. Debye, Polar Molecules, Dover, New York, 1929.
[45] H. Frolich, Theory of Dielectrics, Oxford University Press, Oxford, 1990.
[46] K.W. Wagner, Erklarung der Dielectrishen, Nachwirkungsvorgange auf grund
Maxwellscher vorstellungen, Archiv Electrotechnik, 2, 371–387, 1924.
[47] J.A. Reynolds, & J.M. Hough, Formulae for dielectric constant of mixtures, Proc.
Phys. Soc. B, 70, 769–775, 1957.
[48] S.S. Dukhin and V.N. Shilov, Dielectric Phenomena and the Double Layer in
Disperse Systems and Polyelectrolytes, John Wiley.& Sons, New York, 1974.
[49] D. Bruggeman, Berechnung Verschiedeneren Physicalischer Konstanten von
Heterogenen Substanzen, Ann. Phys., 24, 636–679, 1935.
[50] T. Hanai, Electrical properties of emulsions, in Emulsion Science, pp. 354–478, ed.
Sherman, P., Academic Press, New York, 1968.
Capitolul 3
[51] Operating Manual- NanoSight NTA 2.2 Analytical Software, NanoSight Ltd., 2011
[52] Andrei F. Dăneț, Analiză Instrumentală, Partea I-a, ed. Universității din București,
2010.
[53] D. Bojin, D. Bunea, F. Miculescu, Microscopie electronică de baleiaj şi aplicaţii,
Editura Agir, Bucureşti, 2005.
[54] C. Suryanarayana and N.M. Grant, X-ray Diffraction: A Practical Approach,
Plenum Press, New York and London1998.
[55] http://www.bruker-axs.com/index.html?page=/products/gd/d8_advance.php.
137
[56] A. Brandelik, G. Krafft, Measurement of Bound and Free Water in Mixtures, in
Kraszewski A: Microwave Aquametry, Electromagnetic Wave Interaction with Water
Containing Materials, New-York: IEEE Press, 101-109, 1996.
Capitolul 4
[57] I. Malaescu, M. Lungu, R. Giugiulan and N. Strambeanu, The Clausius-Mossotti
factor in low frequency field of the powders resulted from waste combustion, Romanian
Journal of Physics, vol. 59, no. 7-8 2014.
[58] I. Malaescu, C.N. Marin, Dielectric behavior of some ferrofluids in low frequency
fields, Journal of Colloid and Interface Science, 251 (1), 73-77 (2002).
[59] G. H. Markxy, R. Pethig and J. Rousselet, The dielectrophoretic levitation of latex
beads, with reference to field-flow fractionation, J. Phys. D: Appl. Phys. 30 2470–2477,
(1997).
[60] C. Brosseau, Modellilng and simulation of dielectric heterostructures: A physical
survey from an historical perspective. J. Phys. D: Appl. Phys. 39 1277-1294 (2006).
[61] V. Myroshnychenko, C. Brosseau, Finite-element modeling method for the
prediciton of the complex effective permittivity of two-phase random statistically
isotropic heterostructures. J.Appl. Phys., 97 044101 (2005).
[62] P. C. Fannin, C. N. Marin, I. Malaescu, N. Stefu, Microwave dielectric properties of
magnetite colloidal particles in magnetic fluids, Journal of Physics Condensed Matter,
19(3):036104, (2007).
[63] P. C. Fannin, C. N. Marin, I. Malaescu, The influence of particle concentration and
polarizing field on the resonant behaviour of magnetic fluids, Journal of Physics
Condensed Matter, 15 (27) (2003), 4739-4750.
[64] P. C. Fannin, Characterisation of magnetic fluids, Journal of Alloys and
Compounds, 369 (2004) 43–51.
[65] A. Chelkowsky, Dielectric Physics, Amsterdam-Oxford-New York, Academic
Press, (1980)
[66] Al. Nicula, F. Puşcaş, Dielectrici şi Feroelectrici, Editura Scrisul Românesc,
Craiova, (1982)
138
[67] K. L. Ying, T. E. Hsieh, Sintering behaviors and dielectric properties of
nanocrystalline barium titanate. Mater. Sci. Eng. B-Sol. St. Mater. Adv. Technol., 138,
241-245 (2007).
[68] P. Barber, S. Balasubramanian, Y. Anguchamy, S. Gong, A. Wibowo, H. Gao, H. J.
Ploehn and Hans-Conrad zur Loye, Polymer Composite and nanocomposite dielectric
materials for pulse power energy storage, Materials, 2, 1697-1733;
doi:10.3390/ma2041697, (2009).
[69] Y. Huang, K. L. Ewalt, M. Tirado, T. R. Haigis, A. Forster, D. Ackley, M. J. Heller,
J. P. O'Connell and P. Krihak, Electric manipulation of bioparticles and macromolecules
on microfabricated electrodes, Analytical Chemistry, 73 (7) 1549-1559, (2001).
[70] Horea I. Nașcu, Lorentz Jantschi, Chimie analitică și instrumentală, Ed. Academic
Pres & AcademicDirect, (2006).
[71] I. Malaescu, C. N. Marin , P. C. Fannin, N. Ştefu, A. Savici, Comparative Study of
Microwave Propagation Parameters of Some Magnetic Fluids in the Presence of
Polarizing Field, AIP I Conference Proceedincs 1387, Melville New Zork 2011, ISBN
978-07354-0951-4.
[72] C. N. Marin , I. Malaescu, A. Savici, Investigation of the low frequency polarization
mechanisms in magnetic fluids, Acta Physica Polonica A, no 4, Vol 124 (2013).
[73] P.C. Fannin, Yu. L. Raikher, A.T. Giannitsis, S.W. Charles, Investigation of the
influence which material parameters have on the signal-to-noise ratio of nanoparticles, J.
Magn.Magn.Mater., 252 (2002) 114–116.
[74] I. Mălăescu, Ferofluide în câmp de radiofrcvenţă, Ed. Mirton 1998.
[75] Agilent E4980A Precision LCR Meter, 20 Hz to 2 MHz, User's Guide.
[76] P. Hoekstra and W.T. Doyle, Dielectric Relaxation of Surface Adsorbed Water,
Journal of Colloid and Interface Science, 36, 513-521, 1971.
[77] M.C. Dobson, F.T. Ulaby, M.T. Hallikainen and M.A. El Rayes, Microwave
Dielectric Behaviour of Wet Soil Part II: Dielectric Mixing Models, IEEE Transactions
on Geoscience and Remote Sensing, 23, 35-46, 1985.
[78] P. Barber, S. Balasubramanian, Y. Anguchamy, S. Gong, A. Wibowo, H. Gao, H. J.
Ploehn and Hans-Conrad zur Loye, Polymer Composite and nanocomposite Dielectric
139
Materials for Pulse Power Energy Storage, Materials, 2, 1697-1733;
doi:10.3390/ma2041697, (2009).
Capitolul 5
[79] M. Lungu, I. Malaescu, R. Giugiulan, M. Bunoiu and N. Strambeanu: Experimental
investigations on the frequency dependence of the Clausius-Mossotti factor for nano/
microparticles contained in the exhausted flue gases of incinerators, the 8th General
Conference of Balkan Physical Union, Constanta, Romania, July 5-7, 2012, Abstract
Book p.155.
[80] M. Lungu, A. Neculae, R. Giugiulan, M. Bunoiu and A. Lungu: Effects of flow
velocity upon nanoparticle distribution in microfluidic devices under dielectrophoresis;
ICPAM-9, 9th International Conference on Physics of Advanced Materials, Iasi,
Romania, 20-23 September 2012, Abstract Book p.105.
[81] A. Neculae, R. Giugiulan, M. Bunoiu M. Lungu: Submicron particle trapping using
traveling wave dielectrophoresis; TIM-12 Physics Conference, Timisoara, Romania,
November 27-30, 2012.
[82] A. Neculae, R. Giugiulan and M. Lungu: Nanoparticle manipulation by
dielectrophoresis, IX Conference of the Society of Physicists of Macedonia,
Ohrid, Republic of Macedonia, 20-23 September 2012.
[83] M. Lungu, R. Giugiulan, M. Bunoiu and A. Neculae: Symulation study of a 3D
DEP-based microfluidic system; TIM-13 Physics Conference, Timisoara, Romania,
November 21-24, 2013.
[84] A. Neculae, R. Giugiulan, M. Lungu and N. Strambeanu: Separation of
nanoparticles from combustion gases wastes of incinerators; IMCET 2013, The 23-rd
International Mining Congress and Exhibition of Turkey, Kemer-Antalya, Turcia, 16-19
April 2013.
[85] M. Lungu,, A. Neculae, M. Bunoiu, R. Giugiulan: Separation of submicron particles
suspended in fluid wastes using dielectrophoresis; The Proceedings of XIII-th
International Mineral Processing Symposium, Bodrum, Turkey, October 10 - 12, 2012,
p.865-870.
140
[86] A. Neculae, R. Giugiulan, M. Bunoiu and M. Lungu: Effects of flow velocity upon
nanoparticle distribution in microfluidic devices under dielectrophoresis, Romanian
Reports in Physics, vol. 66, no. 3, 2014.
[87] F. Hecht, O. Pironneau, FreeFEM++. Available online at http://www.freefem.org
2012.
[88] COMSOL documentation
[89] A. Neculae, M. Lungu, C.G. Biris, M. Bunoiu: Numerical analysis of nanoparticles
behaviorin a microfluidic channel under dielectrophoresis, Journal of Nanoparticle
Research, Volume: 14, Issue: 1154, p.1-12, 2012.
[90] M. Lungu, A. Neculae, M. Bunoiu, N. Strambeanu, R. Giugiulan: Reduction of
nanoparticle emission by electrohydrodynamic filtering of residual combustion gases;
International Conference ANMBES 2012. Transilvania University of Brasov, Romania,
May 24th-27th, 2012, Abstract Book p.107.
[91] N. Crews et al., An analysis of interdigitated electrode geometry for
dielectrophoretic particle transport in micro-fluidics; Sensors and Actuators B 125, pp.
672-679.
[92] M. Lungu,, A. Neculae and M. Bunoiu, J. of Optoelectronics and Advanced
Materials 12, 2423-2426 (2010).
[93] H. Morgan, N. G. Green, Colloids and nanoparticles Research Studies ltd. (Baldock,
Hertfordshire) AC Electrokinetics: 50–62 200–210, (2003).
[94] N.G. Green, A. Ramos, H. Morgan: Numerical solution of the dielectrophoretic and
travelling wave forces for interdigitated electrode arrays using the finite element method,
J. of Electrostatics 56, 2002.
[95] S. Shklyaev, A.V. Straube, Particle entrapment in a fluid suspension as a feedback
effect, New Journal of Physics 10, (2008).
[96] Y. Rao, J. Qu, T. Marinis, C.P. Wong, A precise numerical prediction of the effective
dielectric constant for polymer-ceramic composite based on effective-medium theory.
IEEE Trans. Comp.Pack. Tech. 2000, 23, 680-683.
[97] H. Flavio Fernadez-Morales, Julio E. Duarte, Josep Samitier-Marti: Bacterial
handling under the influence of non-uniform electric fields:dielectrophoretic and
141
electrohydrodynamic effects, Anais da Academia Brasileira de Ciencias, Vol 80(4)
(2008).
[98] O. Jonas, Tegenfeldt, Christelle Prinz, Han Cao, L. Richard and C. Sturm: Micro-
and nanofluidics for DNA analysis, Analytical and Bioanalytical Chemistry, Springer-
Verlag, Vol 378 (2004).
[99] Xiao-Bo Wang, Jun Yang, Ying Huang, Jody Vykoukal, Frederick F. Becker and
Peter R.C. Gascoyne: Cell separation by dielectrophoretic field-flow-fractionation.
Analytical Chemistry,Vol 72(4) 832-839, (2000).
[100] T.P. Hunt and R.M. Westervelt: Dielectrophoresis tweezers for single cell
manipulation, Biomedical Microdevices,Vol 8 (2006).
[101] Fredrik Aldaeus, Yuan Lin, Gustav Amberg, Johan Roeraade: Multi-step
dielectrophoresis for separation of particles, Journal of Chromatography A, Vol 1131,
p.261-266, (2006).
142
ANEXA
Rezultatele obţinute pe parcursul desfăşurării cercetării doctorale s-au concretizat în
lucrări Ştiinţifice, comunicări şi participări la conferinţe naţionale şi internaţionale din
domeniu:
Participări la conferinţe naţionale şi internaţionale:
1. A. Neculae, M. Lungu, M. Bunoiu, R. Giugiulan: Electrohydro-dynamic modeling for
manipulation of micro/nano particles in microfluidic systems; Timișoara, România,
November 24-27, 2011.
2. M. Lungu, A. Neculae, M. Bunoiu, N. Strambeanu, R. Giugiulan: Reduction of
nanoparticle emission by electrohydrodynamic filtering of residual combustion gases;
International Conference ANMBES 2012. Transilvania University of Brașov, România,
May 24th-27th, 2012, Abstract Book p.107.
3. M. Lungu, I. Malaescu, R. Giugiulan, M. Bunoiu and N. Strambeanu: Experimental
investigations on the frequency dependence of the Clausius-Mossotti factor for nano/
microparticles contained in the exhausted flue gases of incinerators, the 8th General
Conference of Balkan Physical Union, Constanța, România, July 5-7, 2012, Abstract
Book p.155.
4. M. Lungu, A. Neculae, R. Giugiulan, M. Bunoiu and A. Lungu: Effects of flow
velocity upon nanoparticle distribution in microfluidic devices under dielectrophoresis;
ICPAM-9, 9th International Conference on Physics of Advanced Materials, Iași,
România, 20-23 September 2012, Abstract Book p.105.
5. A. Neculae, R. Giugiulan and M. Lungu: Nanoparticle manipulation by
dielectrophoresis, IX Conference of the Society of Physicists of Macedonia,
Ohrid, Republic of Macedonia, 20-23 September 2012.
6. M. Lungu,, A. Neculae, M. Bunoiu, R. Giugiulan: Separation of submicron particles
suspended in fluid wastes using dielectrophoresis; The Proceedings of XIII-th
International Mineral Processing Symposium, Bodrum, Turkey, October 10 - 12, 2012,
p.865-870.
143
7. A. Neculae, R. Giugiulan, M. Bunoiu M. Lungu: Submicron particle trapping using
traveling wave dielectrophoresis; TIM-12 Physics Conference, Timișoara, România,
November 27-30, 2012.
8. A. Neculae, R. Giugiulan, M. Lungu and N. Strambeanu: Separation of nanoparticles
from combustion gases wastes of incinerators; IMCET 2013, The 23-rd International
Mining Congress and Exhibition of Turkey, Kemer-Antalya, Turcia, 16-19 April 2013.
9. I. Malaescu, R. Giugiulan, M. Lungu and N. Strambeanu: The Clausius-Mossotti
factor in low frequency field of the powders resulted from waste combustion; The 13th
International Balkan Workshop on Applied Physics, Constanța, July 4-6, 2013.
Publicații:
1. A. Neculae, M. Lungu, M. Bunoiu, R. Giugiulan: Electrohydro-dynamic modeling for
manipulation of micro/nano particles in microfluidic systems; American Institute of
Physics Conference Proceedings 1472, Proceedings of the physics conference TIM-11,
Melville, New York, 2012, p. 155-161.
2. M. Lungu, A. Neculae, M. Bunoiu, R. Giugiulan: Separation of submicron particles
suspended in fluid wastes using dielectrophoresis; The Proceedings of XIII-th
International Mineral Processing Symposium, Bodrum, Turkey, October 10 - 12, 2012,
p.865-870.
3 A. Neculae, R. Giugiulan and M. Lungu: Nanoparticle manipulation by
dielectrophoresis; Physica Macedonica, ISSN 1409-7168, vol 61, p. 39-44, 2012.
4. A. Neculae, R. Giugiulan, M. Bunoiu and M. Lungu: Effects of flow velocity upon
nanoparticle distribution in microfluidic devices under dielectrophoresis, Romanian
Reports in Physics, vol. 66, No. 3, p. 754-764, 2014.
5. R. Giugiulan, I. Malaescu, M. Lungu, and N. Strambeanu: The Clausius-Mossotti
factor in low frequency field of the powders resulted from waste combustion, Romanian
Journal of Physics vol. 59, number 7-8, p. 862-872, 2014.
144
6. A. Neculae, R. Giugiulan, M. Bunoiu, M. Lungu: Submicron particle trapping using
traveling wave dielectrophoresis; American Institute of Physics Conference Proceedings,
Proceedings of the physics conference TIM-12, Melville, New York, 2013.
7. A. Neculae, M. Lungu and R. Giugiulan: Numerical modelling of nanoparticle
separation from flue gas using dielectrophoresis, Submited to Modelling and Simulation
in Materials Science and Engineering (under review).
