Estimation of the surface charge distribution of solids in liquids by using atomic force microscopy
Sıvı içinde katıların yüzey yük dağılımının atomik kuvvet mikroskopu kullanılarak belirlenmesi
- Tez No: 299200
- Danışmanlar: PROF. DR. MEHMET POLAT
- Tez Türü: Doktora
- Konular: Kimya Mühendisliği, Chemical Engineering
- Anahtar Kelimeler: Belirtilmemiş.
- Yıl: 2011
- Dil: İngilizce
- Üniversite: İzmir Yüksek Teknoloji Enstitüsü
- Enstitü: Mühendislik ve Fen Bilimleri Enstitüsü
- Ana Bilim Dalı: Kimya Mühendisliği Ana Bilim Dalı
- Bilim Dalı: Belirtilmemiş.
- Sayfa Sayısı: 174
Özet
Mineral, seramik, çevre, biyoloji, boya, ilaç, kozmetik vb. endüstrilerde su, alkol, yağ gibi bir sıvı içinde dağılmış mikron boyutlarındaki tanelerden oluşan kolloidal sistemlerin homojenitesi, dağıtılabilirliği (dispersibility), kararlılığı (stability), reolojisi, akıcılığı ve şekillendirilebilirliği (plasticity/forming) bu endüstrilerdeki uygulamaların başarısını belirler. Bu özelliklerin kontrolü, sistemi oluşturan tanelerin karşılıklı etkileşimlerinin kontrol edilebilmesine bağlıdır.Taneler arası kuvvetler, van der Waals ve Elektriksel Çifte Tabaka etkileşimleri olarak iki ana bileşene ayrılır. Elektriksel çift tabaka kuvvetlerinin manipülasyonu, kolloid sistemlerin kontrolünde kullanılan başlıca yöntemdir.Çözeltideki metal oksitlerin yüzeylerinde, pH düzeyine bağlı olarak, artı, eksi ve nötr yüklere sahip yüzey parselleri oluşur. Bu yüklerin oranları sistemin yüzey yük dağılımını belirler ve tane-tane, tane-adsorbant etkileşiminde önemli rol oynar. Yüzey yüklenmesinin karakterizasyonu için kullanılan elektroforetik potansiyel veya koloidal titrasyon ölçümlerinde ise yüzey yük dağılımı değil, tüm sistemin ortalama yük değeri ölçülebilir. Örneğin %55 pozitif ve %45 negatif yük taşıyan bir yüzey, neredeyse yarısı negatif yüklü olmasına rağmen, bu yöntemlerde düşük pozitif yüklü bir yüzey olarak algılanacaktır. Özetle, kolloidal sistemlerin manipülasyonu ve analizi için aslen tane yüzeylerindeki yük dağılımı ana etken olmasına rağmen, mevcut koşullarda sadece ortalama değerler ölçülebilmektedir.Atomik Kuvvet Mikroskobu (AFM) nanometre seviyelerinde topografik yüzey analizi yapmak için kullanılır. Yaygın olarak yüzey topoğrafyasının belirlenmesinde kullanılmasına rağmen, AFM yüzey ile kantileverin ucu arasındaki atomik kuvvetleri doğrudan ölçmekte kullanılabilir. Eğer kantileverin ucu, mikron boyutlarında bir tane ile değiştirilirse, ölçülen bu tane ile yüzey arasındaki kuvvet olacaktır. Bu metod Kolloid Prob Yöntemi olarak bilinir. AFM de nanoNewton ve hatta daha hassas seviyelerde kuvvet ölçümleri yapılabilmesi mümkündür.Bu çalışmanın amacı, atomik kuvvet mikroskobunun yüzey yük haritasının çıkarılmasında kullanılabilirliğini açıklamaktır. Alümina, silika ve cam gibi iyi tanımlanmış metal oksit yüzeyleri ile değişik uçlar arasında, farklı çözelti koşullarında, yüzeyin bir çok noktasında bir matriks çerçevesinde AFM kuvvet ölçümleri yapılacaktır. Model sistem olarak silica, alümina ve silikon nitratın formları seçilmiş, yüzey yüklerinin pH değiştirilerek saptanması sağlanmıştır. Uç ve yüzey arasındaki kuvvetlere, iyon konsantrasyonu, iyonik kuvvetler ve pH etkisi de incelenmiştir. Kantilever kalibrasyonu, yüzey hazırlama (yüzey temizleme), ham kuvvet ölçüm değerlerinin kuvvet-uzaklık eğrilerine çevirme işlemleri de incelenmiştir.Ölçülen Kuvvet-Uzaklık eğrilerinin hesaplanması Poisson-Boltzman denkliğinin yeni geliştirilen analitik çözümü ile hesaplanmıştır. Elde edilen ölçümlerden kuvvetlerin bileşenlerine ayrıştırılması sonucunda, elektriksel çift tabaka kuvvetleri izole edilecektir. Uygun elektriksel çift tabaka teorilerinin kullanılması vasıtasıyla da, elektriksel kuvvet bileşeninden yüzeyin yük dağılımı elde edilecektir. AFM ile ölçülen ve teorik olarak hesaplanan kuvvet-uzaklık eğrileri karşılaştırılmıştır.Katı yüzey üzerinde tanımlanan kılavuz çizgiler üzerinde yinelenen kuvvet-uzaklık eğrileri, yüzeyin yük dağılımını belirler. Bu analiz prosedürü yenidir ve katı yüzeylerin sıvı içinde yüzey yük dağılımlarının ölçülmesini yeni bir seviyeye taşımaktadır.
Özet (Çeviri)
Colloidal systems are widely encountered in minerals, ceramics, environment, biology, pharmaceuticals and cosmetics industries. These systems consist of micron-sized particulates dispersed in a solvent such as water, alcohol or oil. Homogeneity, dispersibility, stability, rheology, plasticity and forming characteristics of colloidal systems determine the economy and success of the final product in these applications. Control and manipulation of these properties depend on detailed analysis of the interactions among the particles.Interparticle interactions can be divided into two main categories; van der Waals and Electrical Double Layer both of which are different manifestations of the electromagnetic force. Hence, the manipulation of Electrical Double Layer forces is the primary approach to control the properties of colloidal systems in industrial applications.Surface sites on metal oxides acquire charges of varying polarity depending on proton activity of the solution pH. Relative abundance of these charged sites is the principal factor which determines the direction of particle-particle and particle-adsorbate interactions. Electrophoretic potential measurements or colloidal titration methods are widely employed to characterize the charging of colloidal systems. However these methods only yield average charging information, not the charge distribution on the surface. For example, these methods predict that a surface carrying 55% positive, 45% negative charges will be a slightly positively charged surface even though the real picture is very different. At the current state of the colloidal chemistry, only system-average values can be achieved due to lack of better analysis methods even though the distribution of charges on particle surfaces is the real factor which is necessary for analysis and control of interparticle interactions in a colloidal system.Atomic Force Microscope (AFM) allows topographic surface analysis at nanometer level resolutions. Though it is widely used to obtain derived information AFM directly measures the forces between the tip and the surface atoms. Force measurements in sub nanoNewton levels is possible with AFM. If the cantilever tip is replaced by a colloidal particle, the measured force will be that between that particle and the surface. This method is called Colloid Probe Method.The objective of the present work is to assess the applicability of atomic force microscopy (AFM) to surface charge mapping, i.e., the detection of positive or negative charged regions on metal oxide surfaces. Hence, well defined tips were prepared and allowed to interact with well defined oxide surfaces like alumina, silica and glass under different pH conditions. The influence of solution ion concentration, pH and ionic strength on the forces measured was also investigated. In order to achieve the sensitivity, that these measurements invariable require, proper procedures has to be developed for Cantilever calibration, surface cleaning, conversation algorithm for the deflection signal-piezo translation data to interaction force-distance curves.These measured force-distance curves were analyzed using a new solution of the one dimensional Poisson-Boltzmann equation to isolate the electrical double layer force, hence the surface charge on each measurement point. The new solution in question provides analytical expressions for all charging conditions which are amenable to such analysis.Repetitive force measurements on a predefined grid on the solid surface ultimately yield the charge distribution of the surface. Such an analysis procedure is new and advances the charge measurements on solids in solution to a new level.
Benzer Tezler
- Kanat profili üzerinde oluşan buzun iki boyutta matematiksel modellenmesi ve sayısal çözümü
Two dimensional mathematical modelling and numerical solution of accumulated ice on wing profiles
RAMAZAN DÖKME
Yüksek Lisans
Türkçe
2019
Uçak Mühendisliğiİstanbul Teknik ÜniversitesiUçak ve Uzay Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. AHMET CİHAT BAYTAŞ
- Investigation of the thermal dispersion and convection phenomena in packed bed systems using pseudo-homogeneous and heterogeneous models
Dolgulu yataklı sıstemlerde ısıl dıspersıyonun ve konveksıyonun sözde-homojen ve heterojen modeller kullanılarak incelenmesı
ZELİHA YAVRUCUK
Yüksek Lisans
İngilizce
2013
Kimya MühendisliğiMarmara ÜniversitesiKimya Mühendisliği Ana Bilim Dalı
DOÇ. DR. KURTUL KÜÇÜKADA
- Anaerobik çürütülmüş çamurların farklı kimyasal maddelerle şartlandırılması
Conditioning of anaerobic digested sludges with different chemical conditioners
İLKER SEL
Yüksek Lisans
Türkçe
1999
Çevre Mühendisliğiİstanbul Teknik ÜniversitesiÇevre Mühendisliği Ana Bilim Dalı
DOÇ. DR. LÜTFİ AKÇA
- Numerical analysis of additive manufacturing of maraging steel
Yüksek dayanımlı çeliğin 3 boyutlu yazıcı ile imalatının sayısal analizi
MOBIN MAJEED
Yüksek Lisans
İngilizce
2018
Makine Mühendisliğiİstanbul Teknik ÜniversitesiMakine Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. MURAT VURAL
- Pre-concentration strategies for microalgae harvesting as biorefinery process chain
Başlık çevirisi yok
SEMA ŞİRİN
Doktora
İngilizce
2013
Kimya MühendisliğiUniversitat Rovira i VirgiliKimya Mühendisliği Ana Bilim Dalı
DR. JOAN SALVADO ROVIRA