[論文レビュー] Self-assembled porous media from particle-stabilized emulsions

S. Frijters, Jens Harting|arXiv (Cornell University)|Aug 13, 2014

Pickering emulsions and particle stabilization被引用数 5

ひとこと要約

本稿では、粒子安定化エマルジョンを用いた自己集合法により、可変性のある多孔質媒体を形成する手法を提案している。液体相または粒子層の固化によって多孔構造が形成される。粒子の親水性および濃度を調整することで、透過率を3桁のスケールで調整可能であり、開口型bijel構造が、高い透過率と比表面積を兼ね備えるため、ろ過器や反応器において最適であることが判明した。

ABSTRACT

We propose a new mechanism to create self-assembled porous media with highly tunable geometrical properties and permeabilities: We first allow a particle-stabilized emulsion to form from a mixture of two fluids and colloidal particles. Then, either one fluid phase or the particle layer is solidified, which can be achieved by techniques such as polymerization or freezing. Based on computer simulations we demonstrate that modifying only the particle wettability or concentration results in porous structures with a wide range of pore sizes and a permeability that can be varied by up to three orders of magnitude. We then discuss optimization of these properties for self-assembled filters or reactors and conclude that structures based on so-called "bijels" are most suitable candidates.

研究の動機と目的

• 幾何学的および輸送特性が高度に調整可能な多孔質媒体を生成するための自己集合メカニズムの開発。
• 細粒な制御が困難な場所（例：地下パイプライン）において多孔質材料を製造する課題に対処すること。
• 特定の用途に最適化された多孔質構造の開発—具体的には、高透過率と小径多孔構造を要するろ過器、および高透過率と大比表面積を要する反応器。
• 目的用途における性能を最大化するための最適なエマルジョン形態（ピケリン型対bijel型）および粒子パラメータの同定。

提案手法

• 3次元粒子安定化エマルジョン内の流体力学および粒子相互作用をシミュレートするため、格子ボルツマン法（LB3D）を用いる。
• 粒子-粒子相互作用および粒子-流体の親和性（接触角制御による）を、分子動力学を用いてモデル化する。
• 油と水の不混和性流体およびコロイド粒子を含むエマルジョンをシミュレートし、界面張力はShan-Chen相互作用力でモデル化する。
• 液体相の固化（「充填済み」多孔質媒体の形成）または粒子層の固化（「開放的」多孔質媒体の形成）を、シミュレートされた重合または架橋反応によって行う。
• Darcyの法則を用いて、得られた多孔質構造における透過率を計算し、輸送特性を評価する。
• 粒子の親水性（接触角）および体積分率を変化させ、エマルジョン形態およびそれに続く多孔質ネットワークの全パラメータ空間を探索する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 粒子安定化エマルジョンを用いて、多孔構造のサイズおよび透過率を調整可能な自己集合多孔質媒体をどのように生成できるか？
• RQ2 粒子の親水性および濃度が、得られる多孔質構造の幾何学的形状および輸送特性に与える影響は何か？
• RQ3 ろ過器や反応器用途において、ピケリン型とbijel型のどちらのエマルジョン形態が優れた性能を示すか？
• RQ4 多孔質媒体の透過率は、粒子の接触角および体積分率にどのように依存するか？
• RQ5 触媒的または反応性応用において、透過率と比表面積の最適な組み合わせは何か？

主な発見

• 粒子の親水性および濃度を変化させることで、得られる多孔質媒体の透過率を3桁のスケールで調整可能である。
• 開放的bijel型多孔質構造は、最も高い透過率を示し、細い多孔口と高いスループットを有するため、ろ過用途に最も適している。
• 反応器用途においては、効率指標（κζφ）が開放的bijel構造で最大となり、特に粒子体積分率が低い場合に顕著である。これは、透過率の向上が比表面積の低下を上回るためである。
• 界面からの粒子剥離は、比表面積にほとんど寄与せず、最適化結果に顕著な影響を及ぼさない。
• 透過率対ドメインサイズプロットにおける二重分岐構造（開放的対充填型）は定性的に安定しており、開放的bijel構造が他の構成よりも一貫して優れた性能を示す。
• 格子ボルツマン法シミュレーションは、エマルジョン形成および透過率の両方を効果的に予測でき、多孔質媒体設計の効率的仮想最適化を可能にする。