Výzkumná skupina vícefázových reaktorů

Pro pochopení chování probublávaných nebo emulzních systémů je nezbytné studium dynamiky jednotlivých bublin nebo kapek (částic). Interakce dvou částic může vést ke koalescenci (spojování), nebo při interakci bubliny či kapky s vírem může docházet k jejich rozpadu na několik menších částic. Výzkum si klade za cíl popsat dynamické změny bublin nebo kapek při různých situacích (např. deformace, koalescence, rozpad).

Povrchově aktivní látky jsou látky, jejichž molekuly se adsorbují na mezifázový povrch, a tudíž ovlivňují chování vícefázových systémů (zejména disperze kapalina-plyn). U biosurfaktantů (např. proteiny, peptidy) není dostatečně popsaný mechanizmus adsorpce na mezifázový povrch, a tudíž je těžké předpovídat jejich vliv na chování celého systému. Cílem výzkumu je studium mechanizmu adsorpce biosurfaktantů na povrch bubliny a jeho promítnutí do hydrodynamiky a přenosu hmoty v probublávaných systémech.

Prášky a granulární systémy, vyznačující se rozmanitostí velikostí, tvarů a materiálových vlastností částic, vykazují složité dynamické chování. Tyto systémy ovlivňují síly, prostorové uspořádání jednotlivých zrn a tokové charakteristiky, které spolu dohromady určují makroskopické chování, jako je segregace, míchání a vznik uspořádaných struktur. S využitím pokročilých výpočetních modelů a experimentálních technik v rámci našeho výzkumu popisujeme teoretické základy chování těchto systémů. Výsledky našeho výzkumu mají potenciální uplatnitelnost v různých průmyslových odvětvích, jako jsou farmaceutický a chemický průmysl, zemědělství a stavebnictví.

Tenké kapalné vrstvy jsou klíčové pro celou řadu důležitých transportních procesů ve fyzice, chemii a inženýrství. Na rozhraní mezi plynnou a kapalnou fází dochází k rozpouštění látek a jejich transportu difuzí v důsledku rozdílných fyzikálních vlastností a rozpustnosti plynů. Naším cílem je vývoj systému na bázi tenkého kapalného filmu pro efektivní dělení plynných směsí a jeho optimalizace pro danou aplikaci. Tato myšlenka je nová; výhodami jsou vysoký tok plynu (např. CO₂) a laditelné složení filmu pro vysokou selektivitu membrány.

• Přenos tepla v kapalinách s nanočásticemi
• Hydrodynamika mikro a nanobublin

Bubliny v kapalině jsou součástí mnoha průmyslových aplikací. Kapaliny zpravidla obsahují povrchově aktivní látky, které se adsorbují na povrchu bublin a ovlivňují tak významně jejich chování. Tato práce zkoumá tlumící účinek povrchově aktivních látek na deformace povrchu bublin ve dvou experimentech. Rychloběžná kamera je využita pro sledování řízených oscilací bubliny a odrazu bubliny od pevné stěny. Tyto experimenty jsou provedeny v čisté vodě a ve vodných roztocích pěti různých povrchově aktivních látek. Pořízené videozáznamy umožňují porovnat frekvence a časy útlumu vyvolaných oscilací a též míru utlumení odrazu bubliny od pevné stěny.

Bylo zjištěno, že povrchová elasticita bubliny hraje klíčovou roli a že existuje univerzální vztah mezi disipací energie během deformace bubliny a koncentrací povrchově aktivní látky na jejím povrchu. Čas útlumu deformací rychle klesá se stoupající koncentrací povrchově aktivní látky, dosahuje minima a pro vysoké koncentrace se stabilizuje na konečné hodnotě. Pro maximální utlumení mezifázových deformací je v obou studovaných případech potřeba dosáhnout přibližně stejné optimální hodnoty povrchové elasticity (4 mN/m). Odraz bubliny od stěny je navíc velmi citlivý na přítomnost i pouze stopového množství povrchově aktivní látky.

Obr. (i) Experimentální aparatura umožňující studium vlivu povrchově aktivních látek na deformace bublin při dvou nezávislých experimentech: řízené oscilace bubliny přichycené na kapiláře a spontánní náraz bubliny na stěnu.

(ii) Adsorpce molekul povrchově aktivní látky z kapaliny na povrch bubliny vede ke změnám povrchové elasticity a k rychlejšímu utlumení tvarových deformací bubliny.

Vobecká L., Orvalho S., Zedníková M., Vejražka J., Tihon J.: Damping effect of surfactants on induced bubble shape deformations. Physics of Fluids 35(12), 122120, 2023. DOI:  10.1063/5.0174954

S cílem vytvořit most mezi studiem chování jednotlivých bublin a jejich velkých souborů v probublávaných kolonách byly zkoumány vlastnosti klastrů bublin (tj. malých souborů: bubble cluster, swarm, cloud) v malé částečně aerované koloně s nízkou zádrží plynu. Bubliny vytvořené na jednom otvoru o průměru 0,5 mm byly vizualizovány vysokorychlostní kamerou. Byl sledován proces tvorby a chování stoupajících bublin ve výškách 20 a 40 cm nad otvorem. Tvar, velikost a rychlost bublin byly zkoumány ve vodných roztocích glycerolu (viskozita 1 až 10 mPa.s). Průměrné charakteristiky bublin v klastru byly získány statistickým zpracováním dat. Bylo zjištěno, že mechanismus tvorby bublin určuje velikost a rychlost bublin a že ve zkoumaném rozsahu má viskozita na chování bublin malý vliv. Jednotlivé bubliny v klastru se výrazně liší svou velikostí, tvarem a rychlostí, aniž by mezi těmito veličinami existovala korelace.

Obr. Režimy tvorby bublin pozorované na jednom otvoru o průměru 0,5 mm (zdola nahoru): Dvojité bublání; Trojité bublání; Vícenásobná koalescence s rozpadem; Vícenásobná koalescence bez viditelného rozpadu.

Crha, J., Orvalho, S., Ruzicka, M.C., Shirokov, V., Jerhotová, K., Pokorny, P., Basařová, P., Bubble formation and swarm dynamics: Effect of increased viscosity. Chem. Eng. Sci. 119831, 2024. DOI: 10.1016/j.ces.2024.119831

Byly studovány nestacionární dynamické procesy náběhu a vypnutí chodu probublávané kolony, jak experimentálně tak teoreticky.  Hydrodynamika expandující (náběh, EN) a kolabující (vypnutí, DE) plyno-kapalinové vrstvy byla popsána pohybem dvou horizontálních rozhraní mezi čirou kapalinou a aerovanou zónou, označených jako 'horní' h a 'dolní' b. Jejich pohyb je sledován vizualizací v laboratorní koloně se systémem voda-vzduch provozované v režimu homogenního proudění (HoR). Byl měřen vliv dvou řídicích parametrů: výšky čisté kapaliny L a lineární (mimovrstvové) rychlosti plynu q. Byly získány následující výsledky: trajektorie horního a dolního rozhraní, trvání časných a pozdních fází EN, souřadnicové body typických událostí dynamiky probublávaného lože, kolektivní rychlosti bublin u obou rozhraní, charakteristické časové škály neustálených dynamických procesů, symetrické rysy procesů EN a DE, parametrická závislost na L a q. Byl navržen matematický model pro popis a interpretaci experimentálních dat.

Obr. Vývoj volného povrchu kapaliny a probublávaného lože během procesu spouštění (zapojení) a vypínání (odpojení).

Ruzicka, M.C., Orvalho, S., Unsteady behaviour of bubble column in homogeneous flow regime: Startup and shutdown. Chemical Engineering Science 277, 118806, 2023. DOI: 10.1016/j.ces.2023.118806

Klíčovou veličinou, která ovlivňuje přenosové jevy probíhající uvnitř mezních vrstev, je vektor smykového napětí na stěně. Namísto od konvenčně užívaných měřících technik, jež v blízkosti pevných povrchů často selhávají, se jako vhodný kandidát pro měření hydrodynamiky v mezních vrstvách jeví elektrodifuzní metoda. Aby však bylo možné plně využít její potenciál, je nutná znalost teorie, která propojí měřený limitní elektrický proud s vektorem smykové rychlosti na stěně.  Nově odvozená elektrodifuzní teorie představuje prostředek pro experimentální měření, s jehož pomocí je možno vektor smykového napětí na stěně obdržet. Při měření se využívá dvoupásková měřící sonda, jež v kompaktním provedení poskytuje dva elektrické signály nezbytné pro kompletní popis vektoru smykového napětí na stěně. Krom vytvoření vhodné metodologie pro vyhodnocování experimentálně získaných dat se publikace dále zabývá teoretickým rozborem přenosu hmoty v blízkosti měřící sondy a také jsou navrženy optimální poměry stran dílčích segmentů pro maximalizaci citlivosti sondy na změnu úhlu natékající kapaliny.

Obr. Aplikace elektrodifuzní metody pro měření smykového napětí na stěně pomocí dvousegmentové obdélníkové sondy.

Harrandt, V., Kramoliš, D., Huchet, F., Tihon, J., Havlica, J., The electrodiffusional theory for the wall shear stress measurement by two-strip probe. International Journal of Heat and Mass Transfer. 212, 124287, 2023. DOI: 10.1016/j.ijheatmasstransfer.2023.124287

Kapilární kondenzace par v malých pórech může významně ovlivnit účinnost separace plynů porézní membránou. Nastává za tlakových podmínek blízkých tlaku nasycených par kondenzujícího plynu. Naše poslední práce ve spolupráci s Dr. Loimerem z Technické university ve Vídni studuje experimentálně a teoreticky transport par isobutanu v blízkosti tlaku nasycených par při permeaci přes vícevrstvé asymetrické membrány (3 až 5 vrstev o velikosti pórů 3 mm až 20 nm). Byl zkoumán vliv stavu páry před nasycením, ať už daleko nebo blízko tlaku nasycených par, a orientace membrány, na látkový tok. U membrány s pěti vrstvami se pro páru blízkou nasycení zvýšil hmotnostní tok zhruba o 80 % a ve směru toku od separační vrstvy k nosiči byl až o 50 % vyšší než v opačném směru. V práci jsou rovněž uvedeny tři teoretické popisy procesu toku plynu asymetrickými membránami za předpokladu, že může docházet ke kondenzaci, s ohledem na přenos tepla z okolí.

Nosič membrány	Porovnání experimentálních dat s teoretickým modelem

Setničková K., Petričkovič R., Uchytil P., Loimer T.: Experimental and numerical study of the flux of isobutane vapors near saturation through multi-layered ceramic membranes. Separation and Purification Technology 306, 122604, 2023. DOI: 10.1016/j.seppur.2022.122604

Hydrogely a jejich nanokompozity jsou látky, které jsou v dnešní době široce využívané od farmacie (kontaktní čočky, obkladové materiály, nosiče léčiv) po environmentální sektor (účinné adsorbenty). Přestože jsou tyto materiály široce využívané již po několik desetiletí, jejich příprava je typicky zaměřena jen na poměr reaktantů v reakční směsi bez ohledu na množství přítomné vody. V rámci našeho výzkumu jsme otestovali cílené řízení obsahu vody polyakrylamidových hydrogelů pomocí různého obsahu vody v průběhu polymerace. S obsahem vody souvisí zároveň morfologie a pevnost hydrogelu, takže tyto vlastnosti je možno nastavit podle potřeby.

Dále jsme studovali vliv struktury a složení hydrogelových nanokompozitů na jejich vlastnosti – morfologii, pevnost a zejména na jejich selektivitu a adsorpční kapacitu pro organická barviva. Měnil se typ aditiva (grafen, kaolin nebo laponit), obsah aditiva a obsah vody v polyakrylamidovém hydrogelovém nanokompozitu. Bylo zjištěno, že nejúčinněji zvyšu

je adsorpční kapacitu pro organická barviva přídavek laponitu a to selektivně vůči kationickým barvivům, které mají ve struktuře fenylové skupiny. Adsorpční izotermy ukázaly jako nejúčinnější adsorbenty nanokompozity se středním obsahem vody (tj. optimální velikostí pórů).

Obr. Objem hydrogelu se zvětšuje s rostoucím obsahem vody, zatímco pevnost, zde reprezentovaná elastickým a viskózním modulem, se snižuje (vlevo). Průběh adsorpce brilantní zeleně na laponitový nanokompozit (vpravo).

Penkavova, V., Spalova, A., Tomas, J., Tihon, J., Polyacrylamide hydrogels prepared by varying water content during polymerization: Material characterization, reswelling ability, and aging resistance. Polymer Engineering & Science 62 (2022) 901-916. DOI: 10.1002/pen.25895

Penkavova, V., Spalova, A., Tihon, J., Polyacrylamide hydrogel-based nanocomposites containing graphene, kaolin or laponite: Physico-mechanical characterization and adsorption properties. Materials Today Communications 34 (2023) 105150. DOI: 10.1016/j. mtcomm.2022.105150