Μοντελοποίηση καθαρισμού του νερού από βαρέα μέταλλα με χρήση μικροροϊκών διατάξεων

Abstract

The needs of the human body for the daily consumption of drinking water which contains heavy metals as well as the foods, which have become toxic from the water due to heavy metals, are widely known. The intake of heavy metals acts bioaccumulatively in the human body as it cannot eliminate or break them down. For the above reasons, the need to find a solution for purifying water from heavy metals becomes imperative. Finding a solution to purifying water is thought to lie in nanoparticles. The ideas and concepts of nanoscience and nanotechnology began as early as December 1959 with physicist Richard Feynman's speech entitled "There's Plenty of Room at the Bottom" in American Physical Society at the California Institute of Technology. Feynman in his speech describes a process in which scientists will be able to manipulate and control individual atoms and molecules. Almost 60 years have passed since then, we are now able to say that with the use of microfluidics and nanoparticles a solution can be given for water purification. In this context, the optimal mix of magnetic nanoparticles with water will bring them closer to the heavy metals in order for the chemical reaction to happen faster (remove the heavy metals from water). The numerical study of the flow of water and particles with or without magnetic influence will be the subject of the PhD thesis. Fundamentally, the best performing active and passive micromixer will favour the bond of the heavy metals. The efficiency of the passive micromixer is based on the flows developed in the inside of duct, mainly depends on the geometry of the duct, the initial conditions as well as the properties of magnetic nanoparticles. The active micromixer is mainly based on the idea that a magnetic mixer will lead to an optimal purification of the water. Specifically, it will be possible to apply an external magnetic field to a pipe or conduit of water and flow of magnetic nanoparticles so that the particles are swirled and spread throughout the water almost uniformly. The investigation of the factors affecting the capturing of heavy metals begins with the literature review, from which it is occurred that the capturing can be done either by adsorption. Thence, the factors that will be introduced into the model as well as the factors that will be studied were selected. The simulations started by studying the motion of the particles in the fluid without the influence of the magnetic field. After that, we directed the creation of the geometries starting from the simplest square inlet to a more complex one, like the Tesla Valve which was used as a mixer. The movement of nanoparticles in the fluid was studied with the use of the external magnetic field and without the use of the field. From the set of factors which have been studied in order to achieve a uniform dispersion of the nanoparticles, the ratio of the fluid velocities at the entrance stood out. In particular, it was observed that when the velocity of the fluid containing the nanoparticles was 10 times greater than that of the contaminated water, the dispersion of the nanoparticles was satisfactory in the mixer. Moreover, the velocity ratio found applicability regardless of whether or not we had the effect of an external magnetic field in the simulations.

Οι ανάγκες του ανθρώπινου οργανισμού για την καθημερινή κατανάλωση πόσιμου νερού το οποίο, δυστυχώς, περιέχει βαρέα μέταλλα καθώς και των τροφών, οι οποίες έχουν γίνει τοξικές από το νερό λόγω των βαρέων μετάλλων, είναι ευρέως γνωστές. Η λήψη των βαρέων μετάλλων λειτουργεί βιοσυσσωρευτικά στον ανθρώπινο οργα-νισμό καθώς δεν μπορεί να τα αποβάλλει ή να τα διασπάσει. Για τους ανωτέρω λόγους καθίσταται επιτακτική η ανάγκη στην εξεύρεση λύσης για τον καθαρισμό του νερού από τα βαρέα μέταλλα. Η εξεύρεση λύσης για τον καθαρισμό του νερού θεωρείται πως βρίσκεται στα νανοσωματιδία. Oι ιδέες και οι έννοιες της νανοεπιστήμης και της νανοτεχνολογίας ξεκίνησαν ήδη από τον Δεκέμβριο 1959 με την ομιλία του φυσικού Richard Feynman με τίτλο "There’s Plenty of Room at the Bottom" στο American Physical Society στο California Institute of Technology. Ο Feynman στην ομιλία του περιγράφει μια διαδικασία στην οποία οι επιστήμονες θα είναι σε θέση να χειραγωγήσουν και να ελέγξουν μεμονωμένα άτομα και μόρια. Έκτοτε και ενώ έχουν παρέλθει περίπου 60 έτη, μπορεί πλέον να λεχθεί ότι με τη χρήση των μικρορευστών και των νανοσωματιδίων δύναται να δοθεί λύση για τον καθαρισμό του νερού. Σε αυτό το πλαίσιο, η βέλτιστη ανάμειξη μαγνητισμένων νανοσωματιδίων με νερό θα φέρει τα μαγνητικά νανοσωματίδια πιο κοντά στα βαρέα μέταλλα ώστε να πρα-γματοποιηθεί πιο αποδοτικά η χημική αντίδραση, δηλαδή η αποδέσμευση των βαρέων μετάλλων από το νερό. Η αριθμητική μελέτη της ροής του νερού και των σωματιδίων με ή χωρίς μαγνητική επίδραση θα αποτελέσει το αντικείμενο της Διδακτορικής Δια-τριβής. Ουσιαστικά η βέλτιστη απόδοση του αναμείκτη θα ευνοήσει στη δέσμευση των βαρέων μετάλλων από το νερό. Η απόδοση του παθητικού αναμείκτη, που διερευνάται στο πλαίσιο της παρούσας Διατριβής βασίζεται στις ροές που αναπτύσσονται στο εσωτερικό του αγωγού, εξαρτάται κυρίως από την γεωμετρία και τις αρχικές συνθήκες των προσομοιώσεων καθώς από τις μηχανικές ιδιότητες των μαγνητισμένων νανοσωματίδιων. Αντίστοιχα, ο ενεργητικός αναμείκτης, που διερευνάται στο πλαίσιο της παρούσας Διατριβής βασίζεται στην ιδέα ότι ένας μαγνητικός αναδευτήρας θα μπορεί να οδηγήσει στον βέλτιστο καθαρισμό του νερού. Πιο συγκεκριμένα, θα μπορεί να εφαρμοστεί εξωτερικό μαγνητικό πεδίο σε ένα σωλήνα ή σε ένα αγωγό ύδατος και ροής μαγνη-τικών νανοσωματιδίων ώστε τα σωματίδια να στροβιλιστούν και να εξαπλωθούν σε όλο τον αγωγό, σχεδόν ομοιόμορφα. Η διερεύνηση των παραγόντων οι οποίοι επηρεάζουν τη δέσμευση των βαρέων μετάλλων αρχίζει με τη βιβλιογραφική ανασκόπηση, από την οποία προέκυψε ότι η δέσμευση μπορεί να υλοποιηθεί με προσρόφηση. Κατόπιν, επελέγησαν οι παράγοντες οι οποίοι θα εισαχθούν στο μοντέλο καθώς και οι παράγοντες που θα μελετηθούν. Oι προσομoιώσεις ξεκίνησαν με τη μελέτη της κίνησης των σωματιδίων μέσα στο ρευστό χωρίς την επίδραση του μαγνητικού πεδίου. Στη συνέχεια, κατευθυνθήκαμε στη δημιουργία των γεωμετριών ξεκινώντας από την πιο απλή, ήτοι έναν αγωγό τετραγωνικής εισόδου έως μιας πιο σύνθετης, όπως του Tesla Valve, η οποία χρησιμοποιήθηκε σαν αναμείκτης. Για όλες τις προαναφερθείσες γεωμετρίες μελετήθηκε η κίνηση των νανοσωματιδίων στο ρευστό με τη χρήση εξωτερικού μαγνητικού πεδίου αλλά και χωρίς τη χρήση του πεδίου. Από το σύνολο των παραγόντων που μελετήθηκαν για να επιτευχθεί ομοιόμορφη διασπορά των νανοσωματιδίων, ο λόγος των ταχυτήτων των ρευστών στην είσοδο αποτέλεσε τη βέλτιστη παράμετρο ανάμειξης. Συγκεκριμένα παρατηρήθηκε οτι όταν η ταχύτητα του ρευστού που περιελάμβανε τα νανοσωματίδια ήταν δέκα (10) φορές μεγαλύτερη από αυτή του μολυσμένου νερού, η διασπορά των νανοσωματιδίων ήταν ικανοποιητική μέσα στον αναμείκτη. Επιπλέον, ο λόγος των ταχυτήτων έβρισκε εφαρμοσιμότητα ανεξάρτητα από το γεγονός αν στις προσομοιώσεις υφίσταται επίδραση εξωτερικού μαγνητικού πεδίου.