Show simple item record

dc.contributor.advisorÖnel Kayran, Selis
dc.contributor.authorKorkmaz, Gaye
dc.date.accessioned2023-12-12T11:56:42Z
dc.date.issued2023
dc.date.submitted2023-09-20
dc.identifier.citationKorkmaz, G. (2023). Comparative Study of The Solubility of DMF in Silicone Oil for Use in a Droplet-Based Microfluidic System Towards Synthesis of MOF Nanoparticles. Yüksek Lisans Tezi, Hacettepe Üniversitesi Fen Bilimleri Enstitüsü Kimya Mühendisliği Anabilim Dalı, Ankara.tr_TR
dc.identifier.urihttps://hdl.handle.net/11655/34300
dc.description.abstractSynthesis of nanoparticles with enhanced adsorption capacities based on a complex metal organic framework (MOF) structure requires the employment of supersaturated solutions prepared with solvents that possess multiple properties at elevated temperatures. N,n-dimethylformamide (DMF), represented as HCON(CH3)2, is the widely used solvent with a high solvating and coordinating ability for metal salts and organic ligands, thermal stability at high temperatures, and high dispersing capacity in the synthesis of nanoparticles with MOF structures. Synthesis of MOF particles is usually performed using hydrothermal and/or solvothermal methods at high temperatures in conventional batch reactors using conventional heating systems. Single- or two-phase microfluidic systems that enable the use of smaller amounts of solution or microwave systems that provide rapid heating of the solution as it flows have become promising methods yielding more uniform smaller particles and reduced synthesis times. Solubility of the solvent is a critical factor when the solution is used in two-phase suspensions or two-phase microfluidic systems involving an oil as the carrier phase. Silicone oil (Polydimethylsiloxane, [-Si(CH3)2O-]n) is a nonpolar hydrophobic substance that is almost immiscible with DMF and is frequently used as the carrier fluid in two-phase droplet microfluidics. The promotion of the dissolution of the solvent into the carrier oil phase due to surface tension or convective forces in suspended systems, which is further enhanced in flowing systems and at the micro scale, creates a serious problem. Any mass transfer that may occur between the droplet phase and the continuous phase changes the concentration of the precursor solution in the droplets and, accordingly, the quality of the final product. This is an undesirable situation that must be managed by preventing the mass transfer between the two phases or by compensating for the possible mass loss in the initial precursor solution. In this thesis, we conducted a comparative study to investigate the solubility of DMF in silicon oils with different viscosities, 100 cSt, 500 cSt, and 1000 cSt, at both micro and macro scales with and without flow effects at various temperatures, 25 ℃, 50 ℃, 75 ℃, and 100 ℃. Any possible diffusion between the two phases can affect the synthesis time and the quality of the final products in two-phase microfluidic systems, where suspended uniform droplets flowing with the oil phase are used as picoliter vessels. Such a problem has not been pronounced until now in the studies of MOF syntheses employing microfluidic systems, where DMF and silicone oil are used together, because the microfluidic channels consisted of opaque capillary tubes. Such systems do not allow for the observation of the whole process starting from the formation of the droplets to the formation of particles on an optical microscope. The transparent microfluidic devices used in this study allowed for the observation of the shrinkage of droplets on an inverted microscope. To identify the effects of the droplet-based microfluidic system on the mass transport into the oil, we compared the solubility of DMF in silicone oil at macro and micro scales and under stationary and flow conditions using three different systems: 1. A stationary macro-scale system, 2. a stationary micro-scale system, and 3. a microfluidic system. We discussed the effects of size and convective mass diffusion by comparing the results obtained at the macro and micro scales using stationary and flow conditions and showed that solubility is enhanced under flow conditions at smaller scales.tr_TR
dc.language.isoentr_TR
dc.publisherFen Bilimleri Enstitüsütr_TR
dc.rightsinfo:eu-repo/semantics/openAccesstr_TR
dc.subjectTwo phase microfluidicstr_TR
dc.subjectSolubilitytr_TR
dc.subjectN,n-dimethylformamide (DMF)tr_TR
dc.subjectPolydimethylsiloxane (PDMS)tr_TR
dc.subjectSilicone oiltr_TR
dc.subjectMass transporttr_TR
dc.subjectDiffusiontr_TR
dc.subjectConvectiontr_TR
dc.subjectMetal organic framework (MOF)tr_TR
dc.subject.lcshÜniversiteler ve Öğrenim kurumları (Genel)tr_TR
dc.subject.lcshFiziktr_TR
dc.subject.lcshKimyatr_TR
dc.subject.lcshKimya mühendisliğitr_TR
dc.titleComparative Study of The Solubility of DMF in Silicone Oil for Use in a Droplet-Based Microfluidic System Towards Synthesis of MOF Nanoparticlestr_TR
dc.typeinfo:eu-repo/semantics/masterThesistr_TR
dc.description.ozetMetal organik çerçeve (MOF) yapısına sahip geliştirilmiş adsorpsiyon kapasitelerine gösteren nanopartiküllerin sentezi, yüksek sıcaklıklarda birden fazla özelliğe sahip solventlerle hazırlanan aşırı doymuş çözeltilerin kullanılmasını gerektirir. N,n-dimetilformamid (DMF), metal tuzları ve organik ligandlar için yüksek çözme yeteneğine sahiptir, ve yüksek sıcaklıklarda termal stabilitesi yüksektir. Bu özellikleri sebebiyle MOF yapısına sahip nanopartiküllerin sentezinde yaygın olarak kullanılan bir çözücüdür. MOF parçacıklarının sentezi genellikle geleneksel ısıtma sistemlerini kullanan geleneksel kesikli reaktörlerde, yüksek sıcaklıklarda hidrotermal ve/veya solvotermal yöntemler kullanılarak gerçekleştirilir. Daha küçük miktarlarda çözeltinin kullanılmasını sağlayan tek veya iki fazlı mikroakışkan sistemler veya çözeltinin aktıkça hızla ısıtılmasını sağlayan mikrodalga sistemleri, daha düzgün daha küçük parçacıklar sağlayan ve sentez sürelerini azaltan umut verici yöntemler haline gelmiştir. Çözeltinin iki fazlı süspansiyonlarda veya taşıyıcı faz olarak bir yağın kullanıldığı iki fazlı mikroakışkan sistemlerde kullanıldığı durumlarda solventin çözünürlüğü kritik bir faktördür. Silikon yağı (Polidimetilsiloksan, DMF ile hemen hemen karışmayan, polar olmayan hidrofobik bir maddedir ve sıklıkla iki fazlı damlacık mikroakışkanlarda taşıyıcı akışkan olarak kullanılır. Süspansiyon sistemlerinde yüzey gerilimi veya konvektif kuvvetler nedeniyle solventin taşıyıcı yağ fazında çözünmesinin teşvik edilmesi, ve akışlı sistemlerde ve mikro ölçekte daha da artması ciddi bir sorun oluşturmaktadır. Damlacık fazı ile sürekli faz arasında meydana gelebilecek herhangi bir kütle transferi, damlacıklardaki öncül çözeltinin konsantrasyonunu ve buna bağlı olarak nihai ürünün kalitesini değiştirir. Bu, iki faz arasındaki kütle aktarımının engellenmesi veya başlangıç öncül çözeltisindeki olası kütle kaybının telafi edilmesi yoluyla yönetilmesi gereken istenmeyen bir durumdur. Bu tezde, DMF'nin farklı viskozitelerdeki (100 cSt, 500 cSt ve 1000 cSt) silikon yağlarındaki çözünürlüğünü hem mikro hem de makro ölçekte, çeşitli sıcaklıklarda, 25 °C, 50°C, 75°C ve 100°C, akış etkisinin olduğu ve olmadığı durumlarda araştırmak için karşılaştırmalı bir çalışma yaptık. İki faz arasındaki olası herhangi bir difüzyon, yağ fazıyla birlikte akan asılı eş boyutlu damlacıkların pikolitre reaktör olarak kullanıldığı iki fazlı mikroakışkan sistemlerde sentez süresini ve nihai ürünlerin kalitesini etkileyebilir. DMF ve silikon yağının bir arada kullanıldığı mikroakışkan sistemlerde gerçekleştirilen MOF sentezi çalışmalarında, mikroakışkan kanalların opak kılcal tüplerden oluşması nedeniyle şu ana kadar böyle bir sorun dile getirilmemiştir. Bu tür sistemler, damlacıkların oluşumundan başlayarak parçacıkların oluşumuna kadar olan tüm sürecin optik mikroskopta gözlemlenmesine olanak sağlamamaktadır. Bu çalışmada kullanılan şeffaf mikroakışkan cihazlar, damlacıkların küçülmesinin mikroskopta gözlemlenmesine olanak sağlamıştır. Damlacık bazlı mikroakışkan sistemin damlacık fazından yağ fazına doğru gerçekleşen kütle transferi üzerindeki etkilerini tanımlamak için, üç farklı sistem kullanarak DMF'nin silikon yağındaki çözünürlüğünü makro ve mikro ölçeklerde ve sabit ve akış koşulları altında karşılaştırdık: 1. Durgun makro ölçekli sistem, 2. durgun mikro ölçekli sistem ve 3. mikroakışkan sistem. Durgun ve akış koşullarını kullanarak makro ve mikro ölçeklerde elde edilen sonuçları karşılaştırdık ve deneysel ortamın ölçeğinin ve konvektif etkilerin kütle transferini nasıl etkilediğini tartıştık. Durgun makro sistemde yapılan deneyler sıcaklık artışının kütle transferini arttırdığını göstermiştir. Silikon yağı viskozitesinin değişimi makro ölçekte kütle transferini belirgin bir şekilde değiştirmemiştir. Durgun mikro ölçekte gerçekleştirilen deneylerde sıcaklık artışının kütle transferini arttırmasının yanında DMF damlacıkları en çok en küçük viskoziteye sahip silikon yağı içinde küçülmüştür. Viskozitenin artışı ise tüm sıcaklıklarda DMF ile silikon yapı arasındaki kütle transferinin azalmasını sağlamıştır. Mikroakışkan sistem deneyleri, durgun sistemde makro ve mikro sistemde yapılan deney sonuçlarına benzer olarak, sıcaklık artışının kütle transferini arttırdığını göstermiştir. Her bir sıcaklık için silikon yağı viskozitesinin değişimi ise yine kütle transferinde belirgin bir değişikliğe sebep olmamıştır. Üç farklı deney ortamını kıyasladığımız zaman ise daha küçük ölçeklerde akış koşulları altında çözünürlüğün arttığını gösterdik. Birim zamanda birim yüzeyden gerçekleşen kütle transferinin en az makro ölçekte 25 °C'de 100 cSt'lik yağ içinde, en fazla mikroakışkan sistemde 100 °C'de yine 100 cSt'lik yağ içinde gerçekleştiğini gösterdik. Her iki ölçekte, durgun ve akış koşullarında toplamda üç deney ortamında gerçekleştirilen deney sonuçları sıcaklık artışının kütle transferini arttırdığını göstermiştir.tr_TR
dc.contributor.departmentKimya Mühendisliğitr_TR
dc.embargo.termsAcik erisimtr_TR
dc.embargo.lift2023-12-12T11:56:42Z
dc.fundingTÜBİTAKtr_TR


Files in this item

This item appears in the following Collection(s)

Show simple item record