Диссертация (1144795), страница 31

Просмтор этого файла доступен только зарегистрированным пользователям. Но у нас супер быстрая регистрация: достаточно только электронной почты!

Текст из файла (страница 31)

Этапы формирования периферийного кольца представлены в колонках (слева направо – увеличение D ~ 1.0, 1.5, 2.0, 2.5 и 3.0 мм; снизу-вверх ‒ повышение концентрации cA = 0.1, 0.5 и 1.0 г/100 мл). Изображения, соответствующие критическому диаметру показаны стрелкой. Изменение формы профиля фации для трехконцентраций САЧ (cA = 0.1, 0.5 и 1.0 г/100 мл) в зависимости от диаметракапли показано на Рисунок 4.11.У профилей осадка соответствующих самым маленьким каплям на Ри-183сунок 4.11a (D ~ 1.0 мм) профиль формы одинаков для cA = 0.5 и 1.0 г/100 мл,но для cA = 0.1 г/100 мл форма уже имеет минимум по высоте в центре профиля, что соответствует началу развития кольца.

Это является критическимдиаметром DC, для концентрации cA = 0.1 г/100 мл. На Рисунке 4.11б критический уровень диаметра проявляется при концентрации 0.5 г/100 мл. А приконцентрации 0.1 г/100 мл уже есть четкая кольцевая форма. Формы профиля фации с более низкими концентрациями показывают четкое совпадениедруг с другом. Далее, на Рисунке 4.11г все формы профилей практическиCA, г/100 млсовпадают для всех концентраций.D, мм1.01.52.02.53.0Рисунок 4.10 – Форма фаций САЧ при увеличении концентрации cA иувеличении D (увеличении объёма капли)Образование формы фаций САЧ можно оценить, если ввести в качествеопределяющих параметров характерные времена и шкалы расстояний.Макроскопические модели испарения, как предполагается, применимыв этом случае, поскольку средний свободный путь молекул пара значительноменьше, чем шкала расстояний в эксперименте.

Время испарения капли может быть оценено, используя модель испарения, предложенную Поповым184[318; 319]: evap  L R 2016 DV (c 0  c ),(4.1)где DV – коэффициент диффузии пара в воздухе, co – концентрация паранад поверхностью капли, c∞ – концентрация пара в окружающем воздухе, ρL –плотность жидкости, θ0 начальный контактный угол, и R – радиус капли.Скорость радиального потока оценим, как u ~ j / ρ L, где j – плотность потокапара, оцениваемая уровнем скорости испарения, даётся выражением [217]:j (r ) 2 DV (c 0  c )R r22.(4.2)В наших экспериментах мы считали u ~ 8 мкм/с, который совпадает соскоростями частицы в испаряющейся капле биожидкости [171].аммммб10–1, мм10–1, ммгммммв10–1, мм10–1, ммРисунок 4.11 – Сечения (профили) фаций капли САЧ, полученные методом анализа формы капли (АФК), с D ~ а – 1.0, б – 1.5, в – 2.0 и г – 3.0 ммдля cA = 0.1, 0.5 и 1.0 г/100 млЧтобы определить время и шкалы расстояний при диффузии САЧ вве-185дем, среднее смещение молекул альбумина во время испарения XL.

Это оценивается с использованием уравнения Стокса-Эйнштейна и ожидаемого коэффициента диффузии для молекул САЧ в растворе DAlb ~ 7.7·10-11 м2/с [279],для NaCl – DSol = 1,5·10–9 м2/с:X L  6 DAlb evap .(4.3)Среднее смещение благодаря диффузии можно сравнить с двумя другими шкалами расстояний, средним интервалом между молекулами в растворе и размером капли.

Принимая однородное распределение частиц САЧ врастворе, среднее расстояние между двумя молекулами САЧ в жидкой фазе ‒λL, оценивается как:L  3 VL nL ,(4.4)где VL – объем жидкой капли и nL – число молекул САЧ в жидкой фазев единичном объеме.VL определяется, используя начальный контактный угол ~ 55° и принимая диаметр капли равным диаметру осадка.

Число молекул САЧ в единичном объеме nL, оцениваем по начальной концентрации раствора. Для концентрации САЧ в этом эксперименте cA = 1.0 г/100 мл с D = 5.0 мм, дает λL ~10÷30 мкм и для соответствующего времени испарения капли максимальноезначение XL ~ 1.5 мм.Для сравнения показана эволюция массы капли (Рисунок 4.12) и высоты капли (Рисунок 4.13) во времени в процессе высыхания. Линейная зависимость проявляется практически на всем интервале испарения, хотя небольшое отличие наблюдается для изменения высоты капли. Существенноеотличие заключалось в разной величине времени испарения. Для чистой воды с диаметром капли D = 5.0 мм оно составляло 2700 с, а для раствора САЧс cA = 0.5 г/100 мл – уже 1500 с.Таким образом, эту систему можно считать "переполненной" для данных концентраций раствора САЧ и заданных диаметров капли, посколькусреднее расстояние между столкновениями молекул САЧ в растворе много186меньше, чем среднее смещение молекул альбумина во время испарения.

Другими словами, чтобы переместиться на характерную длину, каждая молекулаСАЧ много раз столкнется с самым близким соседом и потенциально взаимодействует со многими другими молекулами САЧ. Во время испарения,эффективная концентрация САЧ в пределах уменьшения формы капли и коэффициента диффузии будет снижаться из-за самопреграды в переполненнойсистеме. По мере приближения коэффициента диффузии к нулю системасмещается к состоянию относительного покоя, переходя в стадию гелеобразования.1.61.41.2Масса, мг1.00.80.6Растворальбумина0.40.20.0ЧистаяводаВремя, сРисунок 4.12 – Изменение массы капли чистой воды и раствора САЧ(cA = 0.5 г/100 мл) при дегидратации во времени.

Диаметр обеих капель составляет D = 5.0 ммОднородные куполообразные формы осадка наблюдались во многихсистемах и были описаны при рассмотрении доминирующих транспортныхмеханизмов в каплях [162; 166, 225; 226; 259; 307]. Например, однородныеформы осадка формируются, когда конвекция Марангони преобладает надрадиальными потоками [171; 225; 226; 259] и когда есть взаимодействиемежду частицами и важную роль играет конвекция [166] потока.Куполообразная форма фации отсутствовала в каплях с более высоки-187ми начальными концентрациями САЧ в растворе cA > 1.0 г/100 мл.Формы осадка могут быть проанализированы с точки зрения соревнования между адвекцией и диффузией молекул САЧ, что может быть исследовано, с использованием безразмерного числа Пекле, Pe [189]:Pe uL,DL(4.5)где u – скорость частицы, L – характерный размер системы, и DL – коэффициент диффузии частицы.Вообще, когда Pe >> 1 адвекция доминирует над транспортом и когдаВысота, ммPe <<1, диффузия – является доминирующим механизмом.РастворальбуминаЧистаяводаВремя, сРисунок 4.13 – Изменение высоты капли чистой воды и капли раствораСАЧ (cA = 0.5 г/100 мл) при клиновидной дегидратации во времени.

Диаметробеих капель составлял D = 5.0 ммЧтобы найти число Пекле в этой системе, радиальная скорость оценивается u ~ j / ρ L, где j – плотность потока пара и ρL – плотность жидкости. Вэкспериментах с каплей САЧ радиальная скорость оценивается как u = 0.8мм/с, которая совместим с радиальной скоростью потока в испаряющейсякапле БЖ [171] радиус капли R, берется в качестве характерной длины L, и188коэффициент диффузии САЧ – DL ~ 1·10-10 м2/с [268]. Нужно отметить что внашем исследовании концентрация САЧ и фазовые переходы во время испарения не рассматривались при вычислении числа Пекле.Основываясь на вышеупомянутых предположениях, для диапазонадиаметров в наших экспериментах Pe = 0.05 ÷ 2.0.

Диапазон чисел Пекле вэтом масштабе указывает на то, что оба процесса адвекция и диффузия конкурируют друг с другом. Число Пекле было определено для всех капель САЧкак функция концентрации cA (Рисунок. 4.14). На рисунке показаны переходы между различными формами осадка для каждой концентрации (обозначены кривой линией).

Капли с Pe < 0.20 для всех концентраций дают форму сотсутствием периферийного кольца, в то время как все капли с Pe > 1 имеюткольцо на периферии осадка. Между Pe ~ 0.20 ÷ 0.80, переход происходит вразличных точках этой линии в зависимости от концентрации.В этой системе число Пекле соответствует характерной длине 1.25 мм,или D = 2.5 мм. Это соответствует нашими экспериментальными наблюдениям для капель с D > 2.0 мм (с соответствующим Pe > 1). Их фации имеютструктуры подобные кольцу. Другими словами, когда число Пекле большечем 1 в этой системе, адвекция является доминирующей и стимулирует формирование кольца. Если Pe → 0, диффузия становится доминирующим процессом, что совместимо с нашими наблюдениями.

Отсутствие краевой зоныв очень маленьких каплях (с низким Pe) указывает, что в этом случае диффузия является доминирующий транспортный механизм.Влияние электролитов на процессы, происходящие в капле раствораСАЧ при клиновидной дегидратации, проявлялось в дополнительном образование трещин, характере разделения фаз и кристаллизации [173; 228; 260].Эти эффекты также наблюдаются во время испарения БЖ [171; 17; 263; 269].Чтобы исследовать влияние электролитов на формировании структуры фации при высыхании капель САЧ, NaCl был добавлен к раствору САЧ в различных концентрациях.

Растворы в этом исследовании содержали САЧ вконцентрациях cA = 1.00 г/100 мл и NaCl в концентрациях cN = 0.01, 0.10, 0.50189и 1.00 г/100 мл. Наличие того или иного заболевания меняет содержаниебелка в БЖ в достаточно широких пределах [218; 234, 257; 303]. Нами этобыло учтено как изменение соотношения САЧ к NaCl. Капли, содержащиеСАЧ исследовались с помощью оптической микроскопии и методом АФК вовремя высыхания.

Все капли имели постоянный начальный диаметр в течение испарения.Кольцо на периферииОтсутствие кольцаРисунок 4.14 –Зависимость чисел Пекле для капель САЧ с концентрациямиcA = 0.1, 0.25, 0.5, 0.75, 1.0 г/100 млИзменение объема раствора при испарении воды приводит к уменьшению КУ капли с основанием. Одновременно с уменьшением КУ, радиальныйпоток, направленный из центра, создает кольцевую структуру в краевой зонефации.

В процессе высыхания капли до формирования кольца по периметруизменений в ее структуре не наблюдалось для всех растворов САЧ, включаярастворы с присутствием NaCl. Однако структурирование испаряющейсякапли раствора САЧ с присутствием NaCl, следующее за формированиемкольца по периферии, организовывалось по-другому (данные представленыниже). На заключительных этапах испарения появляются периодическиетрещины в области кольца.190В каплях раствора САЧ (cA = 1.0 г/100 мл), содержащих небольшое количество NaCl (cN = 0.01 г/100 мл), испарение продолжалось подобно каплечистого раствора САЧ. Единственная разница была отмечена в центральнойобласти капли раствора САЧ с солевым компонентом, где была сформирована гранулированная структура на последней стадии испарения, тогда какостальная часть осадка была гладкой и не структурированной.Процесс высыхания капель растворов САЧ (cA = 1.0 г/100 мл) с болеевысокой концентрацией соли (например, cN = 0.5 г/100 мл) показан на Рисунок 4.15.123456789101112Рисунок 4.15 – Фрагменты фации раствора САЧ (cA = 1.0 г/100 мл) с NaCl (cN= 0.50 г/100 мл).

Характеристики

Список файлов диссертации