Kuitujen funktionalisointi nanohiukkasilla aerosoliprosessissa
Nikka, Markus (2018)
2018
Teknis-luonnontieteellinen
Teknis-luonnontieteellinen tiedekunta - Faculty of Natural Sciences
This publication is copyrighted. You may download, display and print it for Your own personal use. Commercial use is prohibited.
Hyväksymispäivämäärä
2018-11-07
Julkaisun pysyvä osoite on
https://urn.fi/URN:NBN:fi:tty-201810242457
https://urn.fi/URN:NBN:fi:tty-201810242457
Tiivistelmä
Materiaalien funktionalisointi on herättänyt suurta mielenkiintoa viimeisten vuosien aikana. Erilaiset materiaalien käsittelyt tapahtuvat usein nestefaasissa, minkä seurauksena prosessissa syntyy haitallista nestemäistä jätettä. Siirtämällä funktionalisointiprosessi nestefaasista aerosoliprosessiksi päästään eroon näistä haitallisista jätteistä. Tässä työssä kehitettiin uusi menetelmä kuitumaisen selluloosan funktionalisointiin aerosoliprosessissa.
Työn lähtökohtana oli leijupetireaktori, jossa kuituja leijutetaan kaasuvirtauksen avulla, ja niiden joukkoon johdetaan nesteliekkiruiskutuksella tuotettu aerosoli. Kaasuvirtauksessa leijuvat kuidut keräävät tällöin ohi virtaavan kaasun mukana kulkeutuvat funktionaaliset nanohiukkaset pinnalleen. Tätä varten työssä suunniteltiin ja rakennettiin kartiomainen prototyyppireaktori, pieni leijupeti, jonka toiminta karakterisoitiin kattavasti. Karakterisoinnin perusteella pienellä leijupedillä kyetään saavuttamaan hieman yli 20 %:n massakeräystehokkuus tuotetulle hopea-aerosolille, kun maksimoidaan keräystehokkuus ja saavutettu kuitujen hopeapitoisuus, mutta minimoidaan käsittelyajan pituus. Kuitujen käsittelyprosessia myös mallinnettiin soveltamalla pieneen leijupetiin kahta aerosolien teoriaa: kaappaus- sekä suodatusteoriaa, joiden avulla arvioitiin eri parametrien vaikutusta keräystehokkuuteen.
Kuitujen funktionalisoimiseksi niitä käsiteltiin pienen leijupedin avulla käyttäen antibakteerisia nanohiukkasmateriaaleja, joita olivat hopea, titaanidioksidi sekä sinkkioksidi. Hopeahiukkasilla käsiteltyjen kuitujen osoitettiin vastustavan Gram-positiivisten S. aureus -bakteerien kasvua ja oksidihiukkasilla käsiteltyjen kuitujen olevan fotokatalyyttisesti aktiivisia. Työssä tutkittiin myös menetelmän skaalautuvuutta rakentamalla suuri leijupeti, jonka mittasuhteet olivat kaksinkertaiset suhteessa pieneen leijupetiin. Skaalaamalla sekä rakenteeseen tehdyillä parannuksilla saatiin parannettua menetelmän hyötysuhdetta ja nopeutettua käsittelyä, jolloin vastaava lopputuote saavutetaan taloudellisemmin.
Työn lähtökohtana oli leijupetireaktori, jossa kuituja leijutetaan kaasuvirtauksen avulla, ja niiden joukkoon johdetaan nesteliekkiruiskutuksella tuotettu aerosoli. Kaasuvirtauksessa leijuvat kuidut keräävät tällöin ohi virtaavan kaasun mukana kulkeutuvat funktionaaliset nanohiukkaset pinnalleen. Tätä varten työssä suunniteltiin ja rakennettiin kartiomainen prototyyppireaktori, pieni leijupeti, jonka toiminta karakterisoitiin kattavasti. Karakterisoinnin perusteella pienellä leijupedillä kyetään saavuttamaan hieman yli 20 %:n massakeräystehokkuus tuotetulle hopea-aerosolille, kun maksimoidaan keräystehokkuus ja saavutettu kuitujen hopeapitoisuus, mutta minimoidaan käsittelyajan pituus. Kuitujen käsittelyprosessia myös mallinnettiin soveltamalla pieneen leijupetiin kahta aerosolien teoriaa: kaappaus- sekä suodatusteoriaa, joiden avulla arvioitiin eri parametrien vaikutusta keräystehokkuuteen.
Kuitujen funktionalisoimiseksi niitä käsiteltiin pienen leijupedin avulla käyttäen antibakteerisia nanohiukkasmateriaaleja, joita olivat hopea, titaanidioksidi sekä sinkkioksidi. Hopeahiukkasilla käsiteltyjen kuitujen osoitettiin vastustavan Gram-positiivisten S. aureus -bakteerien kasvua ja oksidihiukkasilla käsiteltyjen kuitujen olevan fotokatalyyttisesti aktiivisia. Työssä tutkittiin myös menetelmän skaalautuvuutta rakentamalla suuri leijupeti, jonka mittasuhteet olivat kaksinkertaiset suhteessa pieneen leijupetiin. Skaalaamalla sekä rakenteeseen tehdyillä parannuksilla saatiin parannettua menetelmän hyötysuhdetta ja nopeutettua käsittelyä, jolloin vastaava lopputuote saavutetaan taloudellisemmin.