Πειραματικές μετρήσεις και μοντελοποίηση ιξώδους ιοντικών υγρών και μιγμάτων αυτών με κλασσικούς διαλύτες - Κατσαβριάς, Αθανάσιος (Εθνικό Μετσόβιο Πολυτεχνείο. Σχολή Χημικών Μηχανικών. Τομέας Ανάλυσης, Σχεδιασμού και Ανάπτυξης Διεργασιών και Συστημάτων (ΙΙ). Εργαστήριο Θερμοδυναμικής και Φαινομένων Μεταφοράς, 2018)
Τα ιοντικά υγρά είναι ουσίες που αποτελούνται από ιόντα, ένα οργανικό κατιόν και ένα οργανικό ή ανόργανο ανιόν και βρίσκονται σε υγρή φάση ακόμα και σε θερμοκρασία δωματίου. Έχουν προσελκύσει το ενδιαφέρον της βιομηχανίας, καθώς εμφανίζουν αρκετές ιδιότητες που τα κατατάσσουν στην κατηγορία των «πράσινων διαλυτών», όπως η χαμηλή, σχεδόν αμελητέα τάση ατμών, ενώ ιδιότητες όπως η υψηλή θερμική και χημική σταθερότητα και η μη ευφλεκτότητα τους προσδίδουν ακόμα μεγαλύτερο ενδιαφέρον. Μια από τις σημαντικότερες ιδιότητες που αφορά τον τομέα της βιομηχανίας είναι αυτή του ιξώδους, με πολλά ιοντικά υγρά να εμφανίζουν αρκετά μεγάλο ιξώδες, μία με τρεις τάξεις μεγέθους πολλές φορές υψηλότερο των κλασσικών οργανικών διαλυτών. Ωστόσο, εξαιτίας του τεράστιου αριθμού ιοντικών υγρών, οι πειραματικές μετρήσεις των τιμών των ιδιοτήτων τους και δη του ιξώδους τους είναι αρκετά περιορισμένες. Στην παρούσα διπλωματική εργασία πραγματοποιήθηκαν πειραματικές μετρήσεις του ιξώδους τεσσάρων πρωτικών ιοντικών υγρών καθώς και μιγμάτων αυτών με κλασσικούς διαλύτες σε θερμοκρασιακό εύρος 293.15 Κ – 363.15 Κ. Στόχο αποτέλεσε η μελέτη της επίδρασης της θερμοκρασίας και της σύστασης των μιγμάτων στο ιξώδες των ιοντικών υγρών. Στη συνέχεια πραγματοποιήθηκε μοντελοποίηση των πειραματικών αποτελεσμάτων με τη χρήση εμπειρικών συσχετίσεων. Για το σκοπό αυτό, έγινε σύνθεση των ιοντικών υγρών 2hydroxyethyl ammonium formate ή 2HEAF ([HCOO-][H3N+CH2CH2OH]), 2hydroxyethyl ammonium acetate ή 2ΗΕΑΑ ([CH3COO-][H3N+CH2CH2OH]), 2hydroxyethyl ammonium butyrate ή 2ΗΕΑΒ ([CH3CH2CH2COO-] [H3N+CH2CH2OH]) και 2hydroxyethyl ammonium hexanoate ή 2ΗΕΑΗ ([CH3CH2CH2CH2CH2COO-][H3N+CH2CH2OH]). Στη συνέχεια πραγματοποιήθηκε ιξωδομέτρηση με τη χρήση του ιξωδόμετρου Brookfield DV1 σε θερμοκρασίες από 293.15 Κ έως 363.15 Κ, με βήμα 5 Κ. Έπειτα κατασκευάστηκαν δυαδικά διαλύματα του καθενός ιοντικού υγρού με νερό και με αιθανόλη, με περιεκτικότητα κατά βάρος σε ιοντικό υγρό ίση με: 5 %, 10 %, 15 %, 20 %, 30 %, 40 % και 50 % και μετρήθηκε το ιξώδες τους σε θερμοκρασίες 293.15 Κ, 298.15 Κ και 303.15 Κ. Τέλος, υπολογίστηκε το ιξώδες σε τριαδικά διαλύματα ιοντικού υγρού-νερού-αιθανόλης, στα οποία η ποσότητα του ιοντικού υγρού ήταν σταθερή και ίση με 10% w/w και τις συγκεντρώσεις του νερού και της αιθανόλης να αλλάζουν, με το γραμμομοριακό κλάσμα της αιθανόλης να κυμαίνεται μεταξύ 75 % και 95 %, με το θερμοκρασιακό εύρος να είναι ίδιο με εκείνο των δυαδικών διαλυμάτων. Όλες οι μετρήσεις πραγματοποιήθηκαν σε ατμοσφαιρική πίεση. Τα πειραματικά αποτελέσματα για τα καθαρά ιοντικά υγρά κυμάνθηκαν από περίπου 15 cP μέχρι 5032 cP. Το μεγαλύτερο ιξώδες εμφάνισε το 2ΗΕΑΑ και ακολούθησαν από το πιο ιξώδες στο λιγότερο ιξώδες τα 2HEAB, 2HEAH και 2ΗΕΑF. Αυτή η σειρά παρέμεινε ίδια σε όλες τις θερμοκρασίες μέτρησης. Με την προσθήκη του νερού το ιξώδες μειώθηκε σημαντικά, ενώ και η σειρά ιξώδους άλλαξε, με το διάλυμα 2ΗΕΑΗ-νερό να παρουσιάζει το μεγαλύτερο ιξώδες από τα τέσσερα διαλύματα, με τα 2ΗΕΑΒ-νερό, 2ΗΕΑΑ-νερό και 2HEAF-νερό να ακολουθούν, κατά σειρά από το πιο ιξώδες διάλυμα στο λιγότερο ιξώδες, με τις τιμές του ιξώδους να κυμαίνονται μεταξύ 1 cP και 13 cP, περίπου. Και τα δυαδικά διαλύματα αιθανόλης-ιοντικού υγρού έχουν πολύ χαμηλό ιξώδες, με τιμές από περίπου 1.3 cP μέχρι 20.5 cP, με το διάλυμα 2ΗΕΑΑ-αιθανόλης να έχει το μεγαλύτερο ιξώδες, και τα 2ΗΕΑΒ-αιθανόλη, 2ΗΕΑΗ-αιθανόλη και 2ΗΕΑF-αιθανόλη να ακολουθούν στις υψηλές συγκεντρώσεις ιοντικού υγρού και τις τιμές σχεδόν να εξισώνονται στις χαμηλότερες συγκεντρώσεις. Τέλος, όσον αφορά τα τριαδικά διαλύματα, το ιξώδες αυτών διατηρήθηκε σε πολύ χαμηλά επίπεδα, σημειώνοντας τιμές μεταξύ 1.4 cP και 2.5 cP. Οι διαφορές των τιμών του ιξώδους μεταξύ των διαλυμάτων ήταν μικρές, με το τριαδικό του 2ΗΕΑΗ να σημειώνει τις χαμηλότερες μεταξύ των τεσσάρων και τα υπόλοιπα τρία τριαδικά να κυμαίνονται γύρω από τις ίδιες τιμές ιξώδους. Τέλος, έγινε μοντελοποίηση των πειραματικών αποτελεσμάτων με τη χρήση της σχέσης Vogel-Fulcher-Tammann (VFT), για τα καθαρά ιοντικά υγρά και της Grunberg-Nissan για τα διαλύματα, η οποία όμως, τροποποιήθηκε καταλλήλως για καλύτερη προσέγγιση των αποτελεσμάτων. Στην περίπτωση των καθαρών ιοντικών υγρών, με τη χρήση της σχέσης VFT τα σχετικά σφάλματα που σημειώθηκαν ήταν μικρότερα του 0.5 %, με αποτέλεσμα να μπορούμε να έχουμε μια πολύ καλή πρόβλεψη του ιξώδους των καθαρών υγρών στις διάφορες θερμοκρασίες. Σχετικά με τα αποτελέσματα της μοντελοποίησης για τα δυαδικά διαλύματα, κρίνονται ικανοποιητικά, με τα σχετικά σφάλματα να κυμαίνονται μεταξύ 2.2 % και 5.2 % στα δυαδικά διαλύματα με νερό και 1.2 % και 4.1 % σε εκείνα με αιθανόλη. Οι υψηλότερες τιμές αυτών σημειώθηκαν στα σημεία με την μικρότερη συγκέντρωση ιοντικού υγρού. Τέλος, σχετικά με τα δεδομένα για τα τριαδικά διαλύματα, τα σχετικά σφάλματα εμφάνισαν τιμές από 2.3 % έως 7.7 %, με τις υψηλότερες τιμές να σημειώνονται στο τριαδικό διάλυμα του 2ΗΕΑΗ.