Τμήμα Χημικών Μηχανικών (ΔΕ)

Permanent URI for this collection

https://hdl.handle.net/10889/53

Browse

Now showing 1 - 20 of 101

Open Access
3D simulation of blood flow in the microcirculation
Ζαμπέλης, Δημήτριος; Zabelis, Dimitris
Τμήμα Χημικών Μηχανικών (ΔΕ)
This thesis concerns hemodynamics in the microcirculation. More specifically, it studies the effect of the hematocrit, vessel diameter and shear-rate on the relative apparent viscosity and velocity profile of blood and on the thickness of the cell-free layer in straight microvessels. In this regard, the theoretical framework, upon which the abovementioned dependences are based, consists of all the fundamental hemodynamical phenomena [1], that is, the formation of the cell-free layer, the Fahraeus and Fahraeus-Lindqvist effects and the shear-thinning behavior of blood [2]. To accomplish the above, this research employs the computing framework proposed by Závodszky et al. [1]. On the one hand, the blood cells, here only the red blood cells, are explicitly modeled as deformable membranes, that consist of networks of Lagrangian surface points [3, Ch. 4] and their responses to force fields are dictated by the constitutive model found in [1]. On the other hand, the suspending medium, in this case, the blood plasma, is represented using the lattice Boltzmann method [1], [3, Ch. 4]. Then, the collective blood behavior emerges as a product of the coupling of the aforementioned cellular and liquid components that the immersed boundary algorithm achieves [1], [3, Ch. 4]. Last, it should be noted that all simulations concern blood flows in straight microvessels with circular cross-sections and that the hemodynamical features are always calculated at steady flow conditions. The final results that stem from a systematic parametric study of approximately 70 simulations are presented in three different forms. First, for all three examined hemodynamical features the corresponding data are given in proper diagrams of those features against the shear-rate for various hematocrits or vessel diameters. Second, the microstructural configurations of some representative systems are displayed and third, whenever possible, the algebraic correlations derived from the non-linear fittings on the data are proposed as well. To conclude it should be highlighted that not only all the results are in qualitative agreement with the theoretical remarks mentioned above, but the quantitative comparison also demonstrates that they are in accordance with the few available data points provided in the literature [1], [4].
Open Access
Absorption of solar radiation by atmospheric black carbon nanoparticles
(2023-08-08) Κόρκακας, Ιωάννης; Korkakas, Ioannis
Τμήμα Χημικών Μηχανικών (ΔΕ)
Atmospheric particles, also known as aerosols, have a significant impact on the quality of the air we breathe, having severe consequences on human health, as well as climate. Air pollution can affect Earth’s energy balance by reflecting or absorbing sunlight and altering cloud formation. Understanding the sources, behavior, and effects of aerosols is crucial for improving air quality and limiting their impact on human health and the environment. Black carbon (BC) nanoparticles, a significant component of atmospheric particulate matter, are an important contributor to climate change due to their ability to absorb solar radiation in the atmosphere. These particles are produced through the incomplete combustion of fossil fuels and biomass burning and are prevalent in areas with high levels of air pollution. BC particles are always coated by organic compounds upon emission and during their presence in the atmosphere they are coated even further, by other inorganics such as sulfates. This coating is enhancing even more the light absorption of the BC particles. In this study, we aim to examine the absorption of solar radiation by BC nanoparticles under various circumstances and the contribution of the coatings formed around BC particles to their optical properties. In order to study these aspects, a method is developed which includes a thermodenuder operating at 400oC for heating the particles connected to an Aethalometer for measuring the particle absorption. The experiments are divided into two categories, in the first one an atmospheric simulation chamber (FORTH-ASC) is used for creating a BC rich atmosphere, originating from biomass burning emissions while in the second category, ambient air is examined. Also, an evaluation of the applicability of this method is performed by comparing the results of these two types of experiments. In the laboratory experiments absorption enhancement up to 80-90% was observed for the freshly emitted particles of olive wood burning. During the chemical aging phase, the light absorption enhancement was reduced. Finally, a strong Brown Carbon presence was observed in the olive wood experiments, a factor that could add complexity to the BC measurements and provide some biased concentration measurements. The BC concentration in the ambient air surrounding the Institute was always below 1 μg m-3 . This caused problems in the measurements and their analysis and as a result, the technique was not able to quantify the absorption enhancement. Improvements are necessary in future efforts.
Open Access
Electrochemical oxidation of the angiotensin receptor blocker drug losartan
(2022-10-18) Σακελλαρίου, Μαρία; Sakellariou, Maria
Τμήμα Χημικών Μηχανικών (ΔΕ)
Στη συγκεκριμένη διπλωματική εργασία μελετήθηκε η εφαρμογή της ηλεκτροχημικής οξείδωσης, μίας από τις πιο ευρέως γνωστές προηγμένες μεθόδους οξείδωσης, στην αποδόμηση του φαρ-μάκου λοσαρτάνη, γνωστό αναστολέα των υποδοχέων της αγγειοτενσίνης ΙΙ. Αρχικά, σαν υλικό ανόδου επιλέχθηκε το BDD, και τα προκαταρκτικά πειράματα είχαν στόχο την επιλογή του κατάλληλου υλικού καθόδου. Υπό σταθερές συνθήκες ,και έπειτα από δύο σετ πει-ραμάτων με ηλεκτρολύτες Na2SO4 και NaCl, το υλικό καθόδου με τα πιο ικανοποιητικά αποτελέ-σματα ήταν το Carbon Cloth.Παράλληλα ,διαπιστώθηκε πως η διεργασία ακολουθεί κινητική ψευδο-πρώτης τάξης ως προς την αρχική συγκέντρωση της λοσαρτάνης. Έπειτα ,προκειμένου να επιλεχθεί ο κατάλληλος ηλεκτρολύτης, μελετήθηκε η επίδραση της αρχι-κής συγκέντρωσής του καθώς και αυτή του pH στην διεργασία. Διαπιστώθηκε πως αν και το NaCl επιταχύνει κατά πολύ την αντίδραση, το Na2SO4 είναι ο κατάλληλος ηλεκτρολύτης προκειμένου η οξείδωση να μην έχει καταστροφικό αντίκτυπο στο περιβάλλον. Στην πορεία ,υπό σταθερό υλικό καθόδου και ηλεκτρολύτη, εξετάστηκε η επίδραση της έντασης του ρεύματος ,της συγκέντρωσης λοσαρτάνης, της προσθήκης ιόντων-οργανικών και της υδάτι-νης μήτρας. Τα αποτελέσματα φανέρωσαν πως η μέχρι ενός σημείου αύξηση της έντασης του ρεύματος συμ-βάλλει στην αποδόμηση του ρύπου αυξάνοντας την τιμή της φαινόμενης κινητικής σταθεράς. Αντίθετα , η αύξηση της συγκέντρωσης της λοσαρτάνης έδρασε παρεμποδιστικά ,επιβραδύνοντας την διάσπαση του ρύπου. Η προσθήκη υπερθειικών αλάτων και ιόντων χλωρίου ενίσχυσε σημαντικά την οξείδωση ενώ η προσθήκη διττανθρακικών και χουμικού οξέος έδρασε ανασταλτικά. Τέλος ,η αλλαγή της υδάτινης μήτρας από υπερκάθαρο νερό σε λύματα δευτερο-βάθμιας επεξεργασίας και εμφιαλωμένο μείωσε τόσο την τιμή της φαινόμενης κινητικής σταθε-ράς όσο και το ποσοστό απομάκρυνσης της λοσαρτάνης.
Open Access
Extensional rheology of elastoviscoplastic filaments
Ψαράκη, Κωνσταντίνα; Psaraki, Konstantina
Τμήμα Χημικών Μηχανικών (ΔΕ)
In this work we study the extensive flow of materials exhibiting elastoviscoplastic behavior. The sample, which is bounded between two coaxial discs, initially forming a cylindrical filament, is stretched as the upper disk is lifted upwards. This type of flow has not received the necessary spotlight compared to the corresponding shear, although it provides a complete characterization of the material. The material complies with the constitutive model proposed by Saramito [1], in particular the Herschel-Bulkley version [2], which predicts shear-thinning, and yields in accordance with the Von Mises criterion [3]. The induced deformation and pinching-off of the filament are studied numerically using the Finite Element Method [FEM] while the tesselation of the deformed physical domain is based on the elliptic grid generation as developed by Dimakopoulos and Tsamopoulos [4]. In addition, axial symmetry is considered to simplify the underlying equations. We attempt to investigate how important material properties, such as yield stress τy, elastic modulus, G, and shear exponent n, affect the structure of the filament by monitoring the evolution of its shape, and in particular the minimum radius, velocity, and appearing stresses. We demonstrate that the elastic response of the fluid can be evident by increasing the speed at which the upper plate is lifted. Consequently, lower speeds (of a magnitude or smaller) may lead to misguiding interpretations of the fluid’s nature as having a perfect viscoplastic behavior. A major advantage of using computational simulations compared to experimental results is that the investigator is given the opportunity to have a visual estimate of the fluidized and non-fluidized regions of the filament and how they evolve over time due to fluctuations of stresses. The shear-exponent n constitutes an interesting parameter that needs to be investigated. By increasing its value, the shear-thinning of the material decreases and consequently we reach the state of infinitely extensional viscosity. At this point, the capillary forces responsible for the collapse of the filament are much smaller than the elastic forces. As a result, the radius of the neck is not reduced and the material is pulled from the lower part due to the elastic forces. Finally, the temporal evolution of the extensional viscosity is examined to determine under what conditions the coaxial extensional flow approach can be used to calculate the extensional viscosity.
Open Access
In situ μοριακή φασματοσκοπία οξοβαναδικών ειδών (VOx) υπο-στηριγμένων σε TiO2(P25)
(2022-10-18) Θανούκου, Ειρήνη; Χρυσοβέργη, Νεφέλη; Thanoukou, Eirini; Chrysovergi, Nefeli
Τμήμα Χημικών Μηχανικών (ΔΕ)
Η παρούσα διπλωματική εργασία πραγματεύεται τη μελέτη της δομής καταλυτών VOx υποστη-ριγμένων σε TiO2 (P25) με μεθόδους φασματοσκοπίας Raman και IR. Πραγματοποιήθηκαν πειράματα με τρεις φασματοσκοπικές μεθόδους χαρακτηρισμού, in situ Raman (μόνιμη ροή 20% O2/He),in situ IR (μόνιμη ροή 20% O2/He) και static Raman (σταθερή ατμόσφαιρα Ο2). Η χρήση της φασματοσκοπίας Raman, υπό ελεγχόμενες συνθήκες (in situ), επέτρεψε την εκτενέστερη μελέτη των δομικών χαρακτη-ριστικών των καταλυτών και των αλλαγών τους, που λαμβάνουν χώρα με τη μεταβολή της θερμοκρα-σίας και της φόρτισης. Ο συνδυασμός της δονητικής φασματοσκοπίας Raman και ισοτοπικής εναλλα-γής 18O/16O χρησιμοποιήθηκε για εκτενέστερη διερεύνηση, επιδιώκοντας τη διεξαγωγή συμπερα-σμάτων για τα δομικά χαρακτηριστικά τερματικών απολήξεων (μονο-οξο ή πολυ-όξο χαρακτήρας) των μοριακών διαμορφώσεων στην διεσπαρμένη φάση. Τα πειράματα πραγματοποιήθηκαν σε θερμοκρασίες 120, 175, 250 και 430 oC και φορτίσεις 0.4, 0.74, 1.1, 2.0, 4.0 και 5.5V/nm2. Με βάση τα αποτελέσματα προκύπτει ότι υπάρχει ετερογένεια στις δομές VOx που σχηματίζονται. Εντοπιστήκαν τρία διαφορετικά είδη τα οποία ονομάζουμε είδος (Ι), (ΙΙ) και (ΙΙΙ) για φορτίσεις μέχρι 2.0 V/nm2, και είδος (IA), (IIA), (IIIA) για τις φορτίσεις 4.0 και 5.5 V/nm2. Τα είδη (Ι), (IA) και (ΙΙ), (IIA) θεωρούνται μονομερή με mono-oxo τερματική απόληξη, δηλαδή έχουν ένα τερματικό δεσμό V=O, ενώ το είδος (ΙΙΙ), (IIIA) θεωρείται di-oxo, δηλαδή έχει δύο τερματικούς δεσμούς V=O. Επιπλέον, παρατηρήθηκαν και γεφυρωτικοί δεσμοί για φορτίσεις μεγαλύτερες από 1.1V/nm2 , που ονομάστηκαν (IV), (IVA). Από την ανάλυση των φασμάτων συμπεραίνεται ότι το είδος (Ι) παραμένει σταθερό με την αύξη-ση της φόρτισης πάνω από 2.0 V/nm2. Ο σχηματισμός του είδους (ΙΙ) ευνοείται από την αύξηση της θερμοκρασίας και της φόρτισης. Επιπλέον το είδος (ΙΑ) φαίνεται να παραμένει σταθερό με αύξηση της φόρτισης και το είδος (ΙΙΑ) ευνοείται με αλλαγή φόρτισης από 4.0 σε 5.5 V/nm2 ενώ είναι το επι-κρατέστερο είδος. Το είδος (ΙΙΙ) ευνοείται από την μείωση της θερμοκρασίας και την αύξηση της φόρ-τισης, ενώ ο πληθυσμός του φαίνεται να είναι μικρότερος από τα είδη (Ι) και (ΙΙ). Η μείωση της θερμο-κρασίας φαίνεται να προκαλεί μετασχηματισμό του είδους (ΙΙ), (IIA) σε είδος (ΙΙI), (IIIA). Τέλος, οι γεφυ-ρωτικοί δεσμοί δεν επηρεάζονται από τη μεταβολή της θερμοκρασίας.
Open Access
In-situ study of CVD graphene growth on liquid metal catalysts by radiation-mode optical microscopy
Σφουγκάρης, Ηλίας; Sfougkaris, Ilias
Τμήμα Χημικών Μηχανικών (ΔΕ)
Graphene is a perfect two-dimensional crystal consisting of covalently bonded carbon atoms, ar- ranged in a honeycomb lattice. Due to its extraordinary physical properties, it is a strong candidate material for a variety of electrical, thermal, and mechanical applications. In fact, it is very likely that graphene will play a key role in overcoming the fundamental challenge that the electronics industry will face in the next 20 years, the further miniaturization of technology. Graphene has already been successfully applied in lab-scale for the construction of many electronic devices, such as light-emitting diodes (LED) and field-effect transistors (FET). This has been achieved using high-quality graphene, which has been mechanically exfoliated from bulk graphite. However, mechanical exfoliation of gra- phene is too labor-intensive to be applied commercially. The lack of an industrially scalable method to produce centimeter-sized, defect-free graphene films is the missing piece for the commercial pro- duction of graphene-based electronics. In 2009, chemical vapor deposition (CVD) of graphene on copper foil was first reported, marking an important step towards large-scale production of graphene films. The obtained graphene film was ~95% monolayer with some few-layer regions, and polycrystalline with a grain size of a few microm- eters. Since then, the CVD process on copper foil has been extensively studied and improved. Later, in 2012, CVD growth of graphene on liquid copper was reported. It has since been observed that liquid metal catalysts (LMCat), such as liquid copper, offer several advantages compared to traditional solid metal catalysts (SMCat), such as copper foil. Recently, facile growth of millimeter-sized hexago- nal graphene crystals was demonstrated on liquid copper, taking graphene electronics one step closer to reality. However, CVD growth of graphene is a delicate process with a huge parameter space. A key take- away from past research work is that it is immaterial to look for the perfect CVD "recipe", since small variations in the experimental setup, such as in gas flow, temperature distribution and reactor geom- etry can lead to very different results. Therefore, industrial adoption of the CVD process for graphene growth will inevitably require the development of in situ metrology for real-time monitoring and dy- namic control of the growth process. A feedback loop which dynamically adjusts process parameters based on real-time metrology data will enable the high yield and high throughput necessary for in- dustrial production. In this thesis, we demonstrate the use of in situ radiation-mode optical microscopy (Rad-OM) to monitor CVD growth of graphene on liquid metal catalysts. We show that CVD growth of graphene can be dynamically controlled using real-time Rad-OM data. We probe the effect of the feed gas composition on the growth process of graphene flakes and obtain insights about the dynamics of flake growth. Under appropriate conditions, graphene flakes undergo a self-assembly process on LMCat. Additionally, we transfer LMCat graphene from copper to other substrates and employ ex situ characterization methods, to assess the quality of LMCat-grown graphene. The graphene is mono- layer, has a low defect-density, and is under compressive stress, as highlighted by Raman spectros- copy on SiO2/Si-supported graphene. Tapping-mode atomic force microscopy (AFM) reveals the pres- ence of contaminants on the graphene film, which result in a relatively high electrical sheet resistance (~3.6 kΩ/sq), as probed via van der Pauw measurements. Finally, LMCat graphene can withstand high strain, as highlighted by a uniaxial tensile test combined with Raman spectroscopy performed on PMMA-supported graphene.
Embargo
Modelling of hot melt extrusion for the enhancement of pharmaceutical oral solid soage performance
(2023-03-08) Movsesian, Fiona; Μοβσεσιάν, Φιόνα
Τμήμα Χημικών Μηχανικών (ΔΕ)
This research deals with the modelling of a twin-screw extruder that will be used for the enhance-ment of pharmaceutical oral solid dosage performance. Hot melt extrusion (HME) has been widely used as a forming technique for industrial products since the 19th century. It is a thermomechanical manufacturing process where solid materials are transformed into a uniform product making use of the rotation of screws. HME was first used in the plastic and food industries, however it has recently been embraced as a production method in the pharmaceutical industry. This thesis consists of three parts corresponding to the following three chapters. In Chapter 1, the principles of HME and the two types of extruders, the single-screw and the twin-screw extruders, are introduced. Moreover, the choice of TSE in the pharmaceutical industry instead of SSE becomes clear and the advantages and disadvantages of HME as a drug delivery technology are analyzed. Chapter 1 ends with a review of two HME modelling approaches, a classical PDE model commonly used in the polymers industry, which primarily focuses on the description of transfer phenomena within a zone called the melt zone, and the Residence Time Distribution (RTD) model, where the extrusion process is simulated by ideal reactors such as CSTR, PFR and LFR. In Chapter 2, another modelling approach is presented, where the process focuses on both the sol-id and the liquid state of the material. After the twin-screw extruder is divided into two zones, the equations using basic material and energy balances are derived. When using this approach, there is a time-varying interface between the two zones, complicating the PDEs solution, rendering the use of a transformation necessary. Finally, the problem is discretized, using the finite difference method (FDM) and the modelling approach is implemented in MATLAB. The equations describing the model in Chapter 2 were derived without considering the dispersion, thus, in Chapter 3, using the same approach, with the addition of the dispersion factor to the material balance, new results are obtained. There is an important subchapter about the Peclet number, which appears in the material balance after putting this equation into dimensionless form. The Peclet num-ber is an important parameter that measures the extent of axial dispersion; when low, there is large dispersion while when the Peclet number tends to infinity the dispersion is negligible. Finally, the last chapter, Chapter 4, summarizes the main conclusions of this thesis and suggestions for future research are presented.
Embargo
Modelling of hot-melt extrusion using the discrete element method (DEM)
(2023) Βασιλάκη, Μιχαέλα; Vasilaki, Michaela
Τμήμα Χημικών Μηχανικών (ΔΕ)
Hot melt extrusion (HME) involves the melting of materials and/or mixing and pushing of various solids under elevated temperature and pressure. It is a mature technology that has been extensively and successfully used for a broad spectrum of applications in the polymers, food and pharmaceutical industry [Crowley et al., 2007]. HME is a promising downstream processing method due to its high efficiency and economic value, however mathematical modelling of HME processes has always been challenging due to the limited understanding of the material behavior and the demanding experimental techniques. The process usually consists of two co-rotating screws enclosed in a barrel. The powder is fed through a hopper and the product is formed by melting and forcing the raw powder through a die. Two zones are observed: the solids conveying and the melt zone. The first transports the material within the barrel and the latter is fully filled creating pressure built-up. There has been extensive research in developing efficient mathematical models which can be used for process synthesis. The objective of this study is to evaluate such classical mathematical models which have been extensively used to model extrusion processes and to use DEM simulations to extract the flow characteristics of the extruder that can be used in low order models to perform steady and dynamic state simulations. In Chapter 2 a review of mathematical models for modelling extrusion processes is presented. The first model proposed by (Kulshreshtha and Zaror, 1992) and (Fernando and Garnica, 2017) describes the dynamics of a twin-screw extruder within each zone separately, while deriving the equation which best describes the movement of their interface boundary. The second one is based on the work of (Kulshreshtha et al., 1991) and it describes the extrusion process in steady sate flow for non-Newtonian fluids which requires an additional analysis on the local shear rate. The third model discussed is the residence time distribution model where extruder regions and complex geometrical configurations can be modelled as ideal reactors, such as CSTR, PFR and LFR. A combination of reactor types is also examined to determine the optimum assumption. The fourth model is an efficient approach where the extrusion process is analyzed in both dynamic and steady state as a linear complementarity problem (LCP). Even though classical models have been employed for years, there has been a recent turn for the use of discrete element method (DEM) which is a numerical technique appropriate for designing manufacturing processes through particle-scale simulations resulting in in-depth analyses of a system’s flow dynamics. In chapter 3 the DEM theoretical background is addressed, while an analysis on base contact and rolling friction models is presented. Key definitions for particle-scale simulations are explained. In chapter 4 Altair’s EDEM software is employed to monitor the dynamic response of a system containing a hopper and a conveying zone and simulations are performed to establish the key parameters which affect the system’s dynamic state. Contrary to their promising applications, DEM simulations require significant computational cost and considerable time [Morrissey, Hanley and Ooi, 2021]. Hence, an essential prerequisite of this study is to produce particle-scale analyses while minimizing such limitations. At last, this research aims in developing models that can be efficiently applied for designing full-scale industrial processes producing high-quality pharmaceutical products.
Open Access
Modelling of sonochemical reactors
(2023-07-13) Κόλλιας, Λουκάς; Kollias, Loukas
Τμήμα Χημικών Μηχανικών (ΔΕ)
Ultrasound is a powerful tool that can initiate and intensify chemical reactions. Acoustic waves are being intensely researched as an alternative to the traditional heat for economic and fast materials processing. To measure process performance and reliably perform systems engineering tasks, it is equally important to accurately predict the onset of the underlying acoustic cavitation phenomenon and its effect on chemical reactivity. A multiresolution modelling effort is presented that quantitatively relates physicochemical phenomena at the microscale with macroscale variables to be later employed for systems tasks. Acoustic cavitation is responsible for the chemical effects of ultrasound. Briefly, the rarefaction phase of an ultrasound wave either induces fractures in the liquid forming localized voids or enlarges existing microbubbles whereas the compression phase induces a violent collapse [1]. The pressure amplitude required for a liquid to cavitate is called Blake threshold and we can assume based on experiments that for a non-preprocessed water [2] the Blake threshold is 1 atm [3]. Theoretical values for water to rupture is several thousand atm. This suggests that the preferred mechanism in acoustic cavitation is to collapse existing bubbles rather than cause ruptures. The cavitational collapse is accompanied by the creation of a hot spot in the liquid enhancing reaction efficiency through the formation of radicals and heat diffusion [4,5]. Even though the mechanism of acoustic cavitation remains to be fully elucidated, sono reactors are already seeing industrial use and full parameter optimization is needed, which can be achieved through modelling and pilot reactor testing. The purpose of optimizing sonochemical reactors is to fully valorize their potential. Motivated by this, we constructed a numerical simulation approach of a Fenton phenol degradation through radical formation in an ultrasound batch reactor that encapsules the spatiotemporal complexities associated with the periodic forcing of the liquid. In brief our model consists of several parts including mostly energy conservation equations, like Rayleigh-Plesset equation that describes the temporal evolution of an acoustic bubble, continuity equations, that describe the wave propagation [6], acoustic streaming [7], and species spatial profile. The bubble dynamics equation describes a microstate, that of a single bubble. In our model it serves as a framework to evaluate the adiabatic assumption and final bubble temperature. In addition, in the same spatial location we examine the heat diffusion of the hotspot to the surrounding environment. Wave propagation equation as described by Wijngaarden and later formulated by several other authors [6,8,9] describes, using Hermann von Helmholtz inhomogeneous wave equation, the pressure wave propagation in an incompressible liquid containing a small fraction of gaseous bubbles, collectively called void fraction. A major contribution of this equation is that it offers a spatial profile of pressure amplitude. High pressure amplitude, above the Blake threshold, is what induces acoustic cavitation. The cavitation dependency on the pressure amplitude has as prerequisite the knowledge of bubble density in a liquid. Regarding bubble’s density many researchers have contributed different models. The two most notable ones are the linear approximation [10] and the predefined bubble density distributions. Another notable approach is the non-linear approach [11] which considers the individual bubble heat and power loss. An important note is that waves in a liquid have the velocity of the sound. Due to this, these waves remain unaffected by liquid movement [6]. On the other hand, acoustic waves create volume forces that significantly impact the flow velocity profile causing turbulence, vortices, and acoustic jets [12]. The flow in combination to a mass species balance can be used to predict the yield of a reaction in flow reactor. In our model we simulated the ultrasound assisted Fenton degradation of phenols. In species balance diffusion and convection terms were evaluated. Finally, in our performed simulations are the liquid in which the acoustic wave propagates is water (and so are the physical properties), the transducer has a power output of 200 W, the frequency is 20kHz for most experiments, equilibrium radius was considered 5μm and Blake threshold was 1 atm. In bubble dynamics the radial collapse velocity was approximately 3 Mach (≈4500 m/s) and collapse temperature was 7500K. The heat diffusion suggests that temperature has a major increase in a region up to 2μm outside the bubble wall and for a short period of time ≈2 periods (T). From these results we estimate the spatiotemporal effective reaction rate constant enhancement due to heat diffusion. In both batch and flow reactors, peak pressure amplitude is noted adjacent to the transducer. Peak pressure amplitude for the batch reactor is 10 atm and for flow reactor 25 atm. Mean void fractions for both reactors were of the order of 〈β〉≈10^(-4). An Effective reaction rate was considered for the void fraction and into the mass species equation. Batch reactor simulation results are in good agreement with published literature. For the flow reactor we modelled the yield and velocity profile for various inlet velocities in an effort to predict the most fitted reactor settings. An interesting result is that variation of Re between 10 and 1000 leaves conversion unaltered. This may be justified by the fact that increasing velocity reduces the jet deflection but increases mixing. The Fenton process simulated in our model reactor is a by itself a fast and widely used oxidation method. Coupling Fenton process with sonication as our model indicates results in reaction rate enhancement. This may be explained by considering the bubble collapse events. Sonication generates millions of such bubbles in a fluid volume, specifically 100 million collapsing bubbles in our reactor per wave cycle. Hence we suggest that the cumulative micro level activity is a mechanism explaining the augmented reaction rate. Finally, pressure wave attenuation is the major restrictive factor. An ultrasound pressure wave is propagated for small distances (a few cm) and that is a decisive factor for the scale up of the reactor as well as the number of transducers that may be necessary for a desired yield.
Open Access
Non noble transition metal elements for the modification of Ni based electrodes in solid oxide fuel and electrolysis cells applications
(2023-01-23) Σουβαλιώτη, Αθηνά; Souvalioti, Athina
Τμήμα Χημικών Μηχανικών (ΔΕ)
Water electrolysis via fuel cell technology is an efficient technique, which through the electro-chemical reaction produces H2 and O2. Alkaline water electrolysis takes place in low temperatures (<100oC), the electrodes are made of metal, the electrolyte is liquid usually KOH and the two electro-lyser chambers are divided by a diaphragm. This technology produces low purity hydrogen, is expen-sive and has low efficiency due to high operating voltage [8]. Proton Exchange Membrane (PEM) electrolysis cells/stacks operate at low temperature (e.g. 70 oC), have a proton conductive polymer membrane as electrolyte and comprise noble metal-containing electrodes (Pt/C-based and IrOx-based). They generally, succeed higher current densities, compared to the alkaline electrolyzer, but they are more expensive and inadequate for long term operation [9]. Another pathway is the high-temperature electrolysis of steam, using solid oxide electrolysis cell (SOEC). The latter technological proposal is more efficient due to more favorable thermodynamic and electrochemical kinetic condi-tions for the water splitting and exhibits the highest tolerance to CO contamination among all fuel cell technologies. In the present, alkaline and proton electrolysers are commercial but confront many issues. In order to be used as interconnectors for power balancing and energy storage, these systems need two separate features, one operating in the fuel cell mode and the other in the electrolysis mode. These configurations are complex and difficult to manage. On the other hand, solid oxide cells (SOCs) can operate as electrolysers and/or fuel cells, depending on the production needs [10]. Re-versible solid oxide cells have lower activation losses at lower current densities (in comparison to alkaline and PEM electrolytes) which indicates higher power generation during the fuel cell mode and decreased energy demands during electrolysis [8]. In general, RSOCs have many advantages in comparison with the other cell technologies. Poten-tially, such reversible SOCs can be combined with already existing energy technologies. RSOCs is the only system that can operate bi-directionally [10]. In the SOE mode, hydrogen is produced via Power-to-Gas process (P2G) and, the same module is able to operate in the reverse mode as SOFC and produce power, via Gas-to-Power process (G2P). It has been demonstrated that a SOFC system can achieve low electrode overvoltages even for high current densities. Furthermore, at SOEC operation an electrical-to-hydrogen conversion efficiency above 100% is feasible [8]. The RSOC is a very prom-ising technology, that has reduced capital expenses and energy requirements as there is no need for hydrogen’s transportation and delivery. RSOCs, can store energy for micro- grid or large context, as unique standalone solution or hybridised with other storage systems. RSOC system has a variety of applications. Great interest presents the possibility of direct electro-lyzing CO2, or even co-electrolyzing of CO2 and H2O simultaneously. The product of this process is syngas (CO and H2) which is a widely used fuel. Syngas is traditionally derived from fossil fuels, con-tributing to the greenhouse effect. Syngas from co-electrolysis in a SOEC system can be feedstock to produce every hydrocarbon that can be used in the chemical industry, refineries via Fischer-Tropsch synthesis or for the production of synthetic natural gas (SNG) via Sabatier process with zero environ-mental impact [11]. SOFC operation can distribute power as CHP unit (Combined Heat and Power), can generate power using natural gas or LPG (remote system), and backup power [12]. Fuel cell mode, with methane as fuel, generates high purity hydrogen through steam-reforming process and dry re-forming process. Additionally, surplus heat from coupling processes can be used or exported from the RSOC system, achieving surplus energy. SOCs due to the innovative functions, have been acknowl-edged appropriate for earthy and space applications. Hydrogen produced in RSOC system can be potential useful in the chemical, metallurgical and glass industry, directly as fuel for cars, and public transport generally, in refineries to replace fossil-based feedstocks, or for electricity and heat pro-duction [12]. So far SOCs technology is an innovative proposal, operating still at the lab-scale due to stability problems that prevent the widespread use and commercialization. Limited long-term durability and high capital costs are the key challenges to implement large scale power production. For large scale applications, the good scalability allows construction of stacks by assembling individual SOCs cells. By increasing the size of the cell and the stack, the cost per unit of product (power, fuel) minimizes, but the internal stack temperature increases causing degradation to the cells. Furthermore, an issue that has been noticed is the deactivation of the Ni/GDC (or Ni/YSZ) hydrogen/steam electrode, which is usually ascribed to nickel’s re-oxidation, coarsening, evaporation and agglomeration during H2O elec-trolysis, or/and carbon deposition during H2O/CO2 co-electrolysis. Oxidization of nickel by the for-mation of volatile compounds, such as nickel hydroxides results to decreased electronic conductivity and causes mechanical stress to the electrode [13]. Another disadvantage is the delamination of the oxygen electrode. In conclusion, it is believed that material’s failure accelerates cell’s degradation in long term operation [14], [15]. Fuel cells are an alternative to heat engines for electricity generation. The coefficient of perfor-mance of heat engines, where the produced heat by the combustion of a fuel is converted into me-chanical energy, it is not possible to exceed the Carnot coefficient of efficiency. Fuel cells are not subjected to this limitation and therefore their efficiency is usually greater than a thermal engine’s. Nevertheless, the overall disadvantage of RSOCs is the low Technology Readiness Level. More re-search and development must be carried out before rSOCs technology is ready for the general power and fuel market. Constantly efforts are conducting to optimize materials to give high performance and durability, with low-cost and long-term stable cells. Investigations are conducting of new and more tolerant fuel and oxygen electrodes and of optimization of operating conditions and adequate utilization of external heat sources [15]. This diploma thesis is an introduction to the key features and characteristics of RSOCs’ working principles and optimization of the fuel electrode, by means of chemical modification with transition metal elements, for water electrolysis and power production. Specifically, the presented assignment is part of a wider research study, which aims to elucidate the modifying effect from different loadings of Mo and Au in Ni/GDC, with the objective to find their optimum content, especially limiting Au, for stable and enhanced operation under RSOC mode.
Open Access
PH-αποκρινόμενα, θερμο-σταθερά, αυτο-ιάσιμα υδροπηκτώματα εμβολιασμένου συμπολυμερούς πολυ(ακρυλικού οξέος) με πολυλυσίνη
(2023-03-10) Καργάκη, Μαρία-Ελένη; Kargaki, Maria-Eleni
Τμήμα Χημικών Μηχανικών (ΔΕ)
Οι υδρογέλες (Hydrogels) αποτελούν τρισδιάστατα πολυμερικά δίκτυα, τα οποία είναι ικανά να απορροφούν μεγάλες ποσότητες νερού με αποτέλεσμα να διογκώνονται. Το υψηλό περιεχόμενο τους σε νερό αποτελεί σπουδαίο χαρακτηριστικό καθώς λόγω αυτού μοιάζουν αρκετά με τους βιολογικούς ιστούς και κατ’επέκταση χαρακτηρίζονται για την καταλληλόλητα τους ως βιοϋλικά. Ανάλογα τις μηχανικές ιδιότητες του(βιο-συγκόλληση, ρεολέπτυνση) μπορούν να χρησιμοποιηθούν σε διάφορες μορφές και σε διαφορετικές εφαρμογές της βιοϊατρικής. Για παράδειγμα, οι υδρογέλες που αποκρίνονται στην διάτμηση με σημαντική μείωση στην τιμή του ιξώδους τους θεωρούνται κατάλληλες για ενέσιμες εφαρμογές και 3D-βιοεκτύπωσης. Αντίστοιχα, συναντώνται στην μηχανική των ιστών ως ικριώματα για μεταφορά κυττάρων, στην αναπλαστική ιατρική ως επιθέματα σε ανοιχτές πληγές και στην γενικότερη περίπτωση ως συστήματα στοχευμένης μεταφοράς και έκλουσης φαρμάκου. Τα πολυμερή που χρησιμοποιούνται για την σύνθεση αυτών των συστημάτων μπορεί να είναι συνθετικά, φυσικά ή συνδυασμός τους μέσω της σύνθεσης συμπολυμερών. Όλο και περισσότερο στην σημερινή επιστημονική πραγματικότητα επιλέγονται φυσικά υλικά ως πρώτη ύλη, όπως πολυσακχαρίτες, πολυπεπτίδια-πρωτεΐνες ακόμη και λιπίδια. Αυτό συμβαίνει καθώς προσδίδουν στο υλικό σημαντικά χαρακτηριστικά όπως η βιοσυμβατότητα, η απουσία κυτταροτοξικότητας και η βιοαποικοδόμηση. Επιπλέον, μια σημαντική κατηγορία υδροπηκτωμάτων που συναντάται σε αυτού του είδους τις εφαρμογές είναι τα αποκρινόμενα σε εξωτερικό ερέθισμα φυσικά διασυνδεμένα, τα οποία αποτελούν δυναμικά συστήματα. Για παράδειγμα, τα pH-αποκρινόμενα μπορούν να μεταβαίνουν από την υγρή κατάσταση σε gel ( sol to gel ή και αντίστροφα) μέσω της ρύθμισης της τιμής του pH. Τέλος, τις περισσότερες φορές χρησιμοποιείται συνδυασμός φυσικού και συνθετικού πολυμερούς, για παράδειγμα εμβολιάζεται μια συνθετική πολυμερική αλυσίδα πάνω σε έναν πολυσακχαρίτη για να του προσδώσει απόκριση σε εξωτερικό ερέθισμα. Η παρούσα διπλωματική εργασία είχε ως στόχο την ανάπτυξη και την μελέτη pH-αποκρινόμενων υδροπηκτωμάτων εμβολιασμένου συμπολυμερούς πολύ(ακρυλικού οξέος) με το συνθετικό πολυπεπτίδιο την πολύ(L-λυσίνη). Το υπό μελέτη συμπολυμερές προήλθε από ένα πρόδρομο συμπολυμερές το οποίο είχε συντεθεί και χαρακτηριστεί σε προηγούμενες μελέτες του Εργαστηρίου Πολυμερών του Τμήματος Χημικών Μηχανικών Πανεπιστημίου Πατρών. Πρόκειται για το εμβολιασμένο συμπολυμερές πολύ(ακρυλικού οξέος) με υδρόφοβη πολύ(L-λυσίνη) η οποία είχε προστατευμένες τις ε-αμινομάδες της από ομάδες tert-βουτοξυκαρβολυνίων (boc) (PAA-g-PLL-BOC), το οποίο σχηματίζει pH- αποκρινόμενα υδροπηκτώματα από υδρόφοβες αλληλεπιδράσεις. Η pH- απόκριση του συστήματος αυτού οφειλόταν αποκλειστικά στην παρουσία του ανιοντικού πολυηλεκτρολύτη, τo πολύ(ακρυλικό οξύ). Η βασική ιδέα της παρούσας έρευνας βασίζεται στην απομάκρυνση των υδρόφοβων ομάδων (boc) με σκοπό την δυνατότητα ιοντισμού των ομάδων NH2 του μονομερούς της λυσίνης σε δεδομένες τιμές pH ώστε να εξεταστεί εάν το νέο συμπολυμερές θα μπορούσε να σχηματίσει ένα φυσικό διασυνδεδεμένο πολυμερικό δίκτυο σε υδατικό περιβάλλον (υδροπήκτωμα) μέσω ηλεκτροστατικών αλληλεπιδράσεων ανάμεσα σε φορτισμένες ομάδες αμίνης και καρβοξυλίου που συναντώνται στα δύο επιμέρους πολυμερή. Για αυτό το σκοπό, αρχικά πραγματοποιήθηκε η αντίδραση υδρόλυσης των ομάδων boc στο συμπολυμερές PAA-g-PLL-BOC κάτω από ισχυρά όξινες συνθήκες. Το προϊόν της αντίδρασης χαρακτηρίστηκε με την πειραματική τεχνική φασματοσκοπίας πυρηνικού μαγνητικού συντονισμού πρωτονίου(H-NMR) ώστε να ελεγχθεί η απομάκρυνση των υδρόφοβων τμημάτων, η οποία επιβεβαιώθηκε. Η πυκνότητα εμβολιασμού παρέμεινε ανεπηρέαστη και ίση με 8 % mol/mol δηλαδή 11 αλυσίδες πολύ(L-λυσίνης) ανά 1 αλυσίδα πολύ(ακρυλικού οξέος). Στην συνέχεια πραγματοποιήθηκε ο φυσικοχημικός χαρακτηρισμός του συστήματος με διεξαγωγή πειραμάτων κυκλικού διχρωισμού, μέτρησης ζήτα δυναμικού καθώς και σκέδασης φωτός (δυναμική και στατική). Ειδικότερα για αυτόν τον χαρακτηρισμό παρασκευάστηκαν υδατικά διαλύματα χαμηλής συγκέντρωσης σε διάφορες τιμές pH και ιοντικής ισχύος που εκτείνονταν από όξινο σε ισχυρά βασικό περιβάλλον. Από τα πειράματα αυτά υποδεικνύεται πως το σύστημα είναι ικανό να αυτό-οργανώνεται και να αναπτύσσει συσσωματώματα σε κάθε τιμή pH. Αναλυτικότερα, σε όξινο περιβάλλον το σύστημα αυτό-οργανώνεται μέσω ηλεκτροστατικών αλληλεπιδράσεων και τα δύο πολυμερή αποκτούν διαμόρφωση τυχαίου σπειρώματος. Σε ουδέτερο και βασικό περιβάλλον (pH= 7.4 και 9.0) η PLL αποκτά διαμόρφωση α-έλικας λόγω της εξουδετέρωσης των φορτίων της από τα αρνητικά φορτία του PAA, το οποίο περιτυλίγεται γύρω από εκείνην λόγω της εύκαμπτης αλυσίδας του δημιουργώντας μία υβριδική διπλή έλικα. Επιπλέον, πραγματοποιήθηκαν πειράματα ιξωδομετρίας για τον έλεγχο παρουσίας ή μη αλληλοεμπλοκών μεταξύ των αλυσίδων του PAA. Τα σχηματιζόμενα υδροπηκτώματα μελετήθηκαν για την επίδρασης της συγκέντρωσης, του pH, της ιοντικής ισχύος και τέλος την θερμοκρασία. Σε χαμηλές συγκεντρώσεις δεν σχηματίζεται υδροπήκτωμα αλλά εντοπίζεται ένα ιξωδοελαστικό υγρό με αυξημένη ελαστική απόκριση λόγω της παρουσίας ασθενούς δικτύου . Με αύξηση της συγκέντρωσης πάνω από την κρίσιμη συγκέντρωση σχηματισμού δικτύου (Cgel), η οποία προσδιορίστηκε με βάση τα ρεολογικά δεδομένα ίση με 2.26 % w/w , αναπτύσσονται ισχυρά ελαστικά υδροπηκτώματα με κινητική << παγωμένου>> δικτύου. Η συγκέντρωση επιδρά σημαντικά στις ιξωδοελαστικές παραμέτρους, για παράδειγμα το μέτρο αποθήκευσης G’ αυξάνει με αύξηση της. Επιπλέον, το σύστημα εμφανίζει χαρακτηριστικά ενός «έξυπνου» υδροπηκτώματος παρουσιάζοντας απόκριση στο pH και τη διάτμηση. Εμφανίζει μία ιδιαίτερη pH-απόκριση καθώς ανάλογα την τιμή του pH αλλάζει ο μηχανισμός σχηματισμού 3D δικτύου. Σε ασθενές όξινο περιβάλλον το δίκτυο σχηματίζεται μέσω ιοντικών αλληλεπιδράσεων μεταξύ δύο αντίθετα φορτισμένων αλυσίδων διαμόρφωσης τυχαίου σπειρώματος, σε ουδέτερο και βασικό συναντώνται οι ίδιες αλληλεπιδράσεις που συγκροτούν μία διπλή έλικα ενώ σε πολύ βασικό περιβάλλον που η PLL πλέον δεν φέρει φορτία αναπτύσσονται αλληλεπιδράσεις α-ελίκων που βασίζονται στα υδρόφοβα τμήματα της πλευρικής ομάδας της λυσίνης, τα 4 μεθύλια (CH2). Όσον αφορά την απόκριση στην διάτμηση, το σύστημα χαρακτηρίζεται από αντιστρεψιμότητα και σημαντική μείωση στην τιμή ιξώδους του λόγω του φαινομένου της ρεολέπτυνσης. Όσον αφορά την δυνατότητα χρήσης του σε ενέσιμη εφαρμογή προτείνεται σε σχετικά χαμηλή συγκέντρωση (3 % w/w) σε τιμή φυσιολογικού pH ενώ για τις υπόλοιπες συγκεντρώσεις προτείνεται η χρήση του σε εφαρμογές τρισδιάστατης βιο-εκτύπωσης (3D-bioprinting). Η επίδραση της ιοντικής ισχύος σχετίζεται με το φαινόμενο της προάσπισης των φορτίων που συναντάται σε διαλύματα και υδροπηκτώματα πολυαμφολυτών. Συγκεκριμένα, σε μικρές συγκεντρώσεις άλατος NaCl το δίκτυο συνεχώς ενισχύεται και εμφανίζει μια κρίσιμη τιμή μετά την οποία πλέον το σύστημα αποδυναμώνεται και σημειώνεται πτώση στις μηχανικές ιδιότητες του. Αξιοσημείωτο αποτελεί πως σε σχετικά υψηλή τιμή ιοντικής ισχύος (0.45 Μ) ο σχηματισμός υδροπηκτώματος παραμένει και δεν εμφανίζεται μακροσκοπική ροή. Επιπλέον, σε υψηλές τιμές συγκέντρωσης άλατος, σε pH που συναντάται ο σχηματισμός α-έλικας λόγω εξουδετέρωσης φορτίων, δεν ευνοείται αυτή η δομή και η PLL αποκτά διαμόρφωση τυχαίου σπειρώματος. Τέλος, το σύστημα χαρακτηρίζεται από θερμο-σταθερότητα στο πεδίο τιμών ενδιαφέροντος για βιοϊατρικές εφαρμογές καθώς δεν σημειώνεται μεταβολή στα μέτρα αποθήκευσης και απωλειών. Τέλος, διεξήχθησαν πειράματα ηλεκτρονικής μικροσκοπίας σάρωσης (SEM) με σκοπό την εύρεση της τιμής της μέσης διαμέτρου πόρων για δύο τιμές pΗ (5.5 και 7.4), που στην μικρότερη τιμή εμφανίζονται μεγαλύτερες τιμές με μεγαλύτερη διασπορά. Συμπερασματικά, η αλλαγή στην δευτεροταγή δομή του πολυπεπτιδίου μέσω της αλλαγής του pH και της ιοντικής ισχύος επηρεάζει σημαντικά τις ρεολογικές ιδιότητες του υπό μελέτη συστήματος καθώς αλλάζει το είδος των φυσικών σταυροδεσμών του δικτύου.
Open Access
Preparation, characterization and drug release from sodium carboxymethul cellulose hydrogels with β-cyclodextrin
Χαλκιά, Αντωνία-Ναυσικά; Chalkia, Antonia-Nafsika
Τμήμα Χημικών Μηχανικών (ΔΕ)
The main idea of the present thesis is the examination of hydrogels for their use as drug carriers in drug delivery systems. Hydrogels are three-dimensional structures, composed of organic resources that have a very high swelling ability in aqueous solutions. Due to their special physical and chemical properties, such as flexibility, swell-ability, softness, and biocompatibility there is growing research interest in their synthesis, swelling and drug release mechanisms, all three of which are discussed in this thesis. The synthesis of hydrogels involves physical, chemical and hybrid bonding and can be comprised of natural or synthetic polymers. Cross-linking agents are also used for a better stability and structure of the hydrogel network, while several mechanisms can be employed to enhance the gel’s properties and expand the variety of the drugs that can be possibly carried. In this work, salt carboxymethylcellu-lose (NaCMC) is chosen as the polymer for the hydrogel synthesis, citric acid is used as a cross-linking agent, while samples of unenhanced and enhanced hydrogels with β-cyclodextrin were prepared and contrasted. The ability to display a measurable change in volume by swelling, in response to external stimuli is a fundamental property of hydrogels. Their swelling behavior may be described using many different models. Understanding these models, and the situations in which they may apply, is important with regard to the use of these materials. Most dynamic gel swelling models are based on Fick’s law of dif-fusion, while others exhibit non-Fickian behavior. The time-dependent concentration profile of the diffusing hydrogels was measured and modeled by comparing two different swelling kinetic equations: the Peppas equation and the second kinetic equation of diffusion. Hydrogels can also be used in drug delivery. Hydrogel delivery systems can leverage therapeutically beneficial outcomes of drug delivery and have found clinical use. Hydrogels can provide spatial and temporal control over the release of various therapeutic agents, including small-molecule drugs, mac-romolecular drugs and cells. Their effectiveness may be extended via several mechanisms such as drug-hydrogel interactions and gel-network engineering, while remote or endogenous triggers can control the drug delivery and release. The drug release kinetics and mechanisms of samples with dif-ferent concentrations were studied and contrasted. The experiments were conducted using two dif-ferent bioactive compounds with different hydrophobicity: ketoconazole and fluconazole, obtaining different results depending on the hydrophobicity of each drug
Open Access
Study of dry reforming of methane on Ni and Ru catalysts supported on mixed lanthanide oxides
(2023-07-15) Λουκανάρης, Κωνσταντίνος; Loukanaris, Konstantinos
Τμήμα Χημικών Μηχανικών (ΔΕ)
Industrialization and rapid population growth, that characterize the modern era, have led to an increase in energy needs. However, the dependence on fossil fuels to satisfy these needs, has contributed significantly, among others, to the intensification of the greenhouse effect. A promising reaction that can be applied to limit greenhouse gas emissions is dry reforming of methane, which exploits the two main greenhouse gases (CH4 and CO2) to produce syngas (a mixture of H2 and CO). This thesis studies Ni and Ru catalysts supported on CeO2, promoted with lanthanide oxides for the dry reforming of methane reaction. The mixed oxide carriers were prepared by the co-precipitation method using nitrate precursors, in such a way that the final composition of the carrier (mixed oxide), in each case, was 80% mol Ce and 20% mol Y, where Y: La, Pr, Nd, Eu, Gd, Tb, Dy, Er. Then, the 1 wt.% Ru/Ce0.8Y0.2Ox and 5 wt.% Νi/Ce0.8Y0.2Ox catalysts were prepared employing the liquid impregnation method. The structure of the synthesized catalysts was studied with the X-ray diffraction (XRD) method and the reducibility of the materials was investigated using the Temperature-Programmed Reduction with hydrogen (H2-TPD). The effects of the mature of the mixed oxide support on the bacisity of the catalysts was studied with Temperature-Programmed Desorption of CO2 (CO2-TPD). Results obtained showed that in the case of ruthenium catalysts, the modification of the CeO2 carrier with lanthanide oxides, resulted in higher conversions of reactants and higher H2/CO ratios in the products compared to the unmodified Ru/CeO2 catalyst. Regarding the nickel catalysts, higher conversions were observed only in the case of the CePr-supported catalyst and higher H2/CO ratios only for the CeDy-supported sample. Results of long-term stability tests showed that Ru catalysts dispersed on mixed oxide supports were very stable under reaction conditions for 40 hours-on-stream. The conversions obtained over the latter catalysts were significantly higher than those of the unmodified Ru/CeO2 sample. In addition, the H2/CO ratio in the reaction products remained constant and reached fairly high value (0.95), except for the Ru/CePr catalyst which showed a very small gradual decrease from 0.85 to 0.8. On the other hand, the nickel catalysts were not stable under reaction conditions, as there was accumulation of a large amount of carbon on their surface, forcing in termination of the experiments. The work presented in this thesis is divided into five chapters. In the 1st chapter, an introduction is made regarding the increased energy demands of the modern world and the need to find alternative sources of energy. Some ways of producing and using biogas and hydrogen are mentioned and methane reforming reactions that can contribute to syngas production are discussed. Chapter 2 deals with the thermodynamics of the dry reforming reaction of methane, the conditions under which it takes place, as well as the catalysts commonly used for this reaction. The 3rd chapter covers all the experimental procedures employed, including the preparation method and the techniques used for catalyst characterization, as well as the procedure followed in the catalytic activity and stability experiments. Finally, in the 4th chapter, the experimental results are analyzed and in the 5th chapter, the conclusions of the work are summarized and some suggestions for future work are presented.
Open Access
Study of the motion of a thixotropic elastovisco-plastic fluid through a cylindrical pipe
Γάλλιος, Αριστοτέλης; Gallios, Aristotelis
Τμήμα Χημικών Μηχανικών (ΔΕ)
In the present thesis, we examine the pressure-driven flow of a thixotropic elastoviscoplastic fluid (TEVP) through a cylindrical pipe. Although this flow has been studied extensively in fluid mechanics with yield stress materials and Newtonian fluids, recent studies have stressed the importance of thixotropy and elasticity to accurately describe it. The objective of this work is to examine the behavior of a TEVP fluid through a pipe, by solving the transient problem, until steady state is reached. This is quintessential, as it will give us an insight into how the flow evolves over time to appreciate the thixotropic, viscoelastic and viscoplastic effects that take place. In the first and introductory chapter, emphasis is given on the omnipresence of yield stress materials in everyday life and nature and applications ranging from industrial processes to biological tissues and cosmetic products. What distinguishes these materials is their characteristic transition from a solid to a liquid state, when subjected to stress, once they surpass a critical threshold, the so-called yield stress. Furthermore, in Chapter 2 a wide class of yield stress materials is presented and the debate of the existence of “real” yield stress is discussed. Recent studies though have underlined the importance of including elastic and thixotropic effects when modeling them. This necessity led to more research regarding the flow of EVP materials, materials that exhibit characteristics of viscoelastic solids before yielding, and viscoplastic liquids upon yielding. Moreover, the concept of thixotropy, regarding the time-dependent evolution of the fluid’s viscosity is introduced and briefly discussed. In the last sections of this chapter, we define the constitutive models that will be used extensively throughout this work. In particular, we present a recently proposed thixotropic elastoviscoplastic model (TEVP), that combines the Saramito with the linear Phan-Thien-Tanner model (LPTT) while introducing thixotropy via a structure parameter. We use this model to derive simpler models, that describe the behavior of EVP, elastoviscoplastic, viscoelastic and Newtonian fluids. Specifically, the derived models are the modified Saramito (SRM-LPTT), the linear Phan-Thien-Tanner (LPTT), the Oldroyd-B, the Bingham, and the Newtonian. In Chapter 3 the Poiseuille flow of a TEVP fluid through a cylindrical pipe is considered. The governing equations and the boundary conditions are stated and the necessity of the transient approach to the problem is stressed. In Chapter 4 the Galerkin Finite Element Method is employed to discretize the velocity and the stress fields into a nodal grid. It is asserted that the computed solution converges for different numbers of finite elements. Moreover, for the time integration, the Newton-Raphson method was used and it is deduced that there is time convergence of the solution for various timesteps. An extensive parametric analysis is performed in Chapter 5. Each constitutive model was used to examine the parameters that affect the flow behavior. In particular, for the Newtonian model the impact of Reynolds on the flow profile was examined. For the Oldroyd-B model the effect of the Weissenberg number on the flow characteristics was assessed. Subsequently, for the LPTT model we analyzed the effect of the LPTT parameter on the flow development, and we also examined the role of yield stress, via the Bingham number, in the time evolution of the flow considering the Bingham and the SRM-LPTT model. Another case involved the effect of thixotropic parameters on the flow, using the TEVP model to study a fumed silica suspension using material data from a recent study [1]. This work is concluded with useful remarks regarding the results of the parametric analysis and suggestions for future investigations.
Embargo
Techno-economic analysis of CO2 hydrogenation to high-value products
(2023-07-19) Οικονόμου, Χρήστος; Oikonomou, Christos
Τμήμα Χημικών Μηχανικών (ΔΕ)
Carbon dioxide emissions have skyrocketed over the last few years, making global climate change one of the major concerns of today’s world. Carbon capture and storage (CCS) is presently one of the most promising technologies to abate anthropogenic carbon dioxide emissions. Nowadays, captured CO2 is usually converted to gasoline alternative liquid fuels, most common of which is methanol. In this study, a low-temperature Proton Exchange Membrane (PEM) Electrolyzer as a source of green hydrogen is integrated with the CO2 hydrogenation process to produce methanol. At first, the capture technology of CO2 has been reviewed, while the operational characteristics of the PEM Electrolyzer have been analyzed. Subsequently, the process design for methanol production has been assessed. Additionally, a techno-economic analysis for the whole production plant has been conducted, through which we estimated that the economic feasibility of this process is not promising enough and steps towards reducing the total production cost of methanol have to be implemented. Finally, there is a serious problem regarding the scarcity of critical materials used in the electrolyzers, platinum, and iridium specifically, hence it is urgent to find a solution to reduce the dependence on these critical materials.
Open Access
The effect of brain geometry on magnetoencephalographic measurements
Γιάνναρη, Δάφνη; Giannari, Dafni
Τμήμα Χημικών Μηχανικών (ΔΕ)
The human brain is an extremely complex organ for which the knowledge we have so far is minimal. This complexity is due to the vast number of nerve cells it contains. The brain neurons compose an enormous electric circuit in which ionic currents of biochemical origin flow. The presence of primary and induced electric currents in stimulated areas within the brain, leads to the generation of an electromagnetic field that can be detected externally. In particular, the weak external magnetic field is measured by the Magnetoencephalography method. In the present work, the brain, together with the scull which surrounds it, is considered as a single, homogeneous and isotropic conductor, while the source of the externally measured electromagnetic field is modeled as a single dipole located at a specific point inside the conductor. At this point it is noted that the size of the human brain and the values of the physical parameters describing the propagation of the electromagnetic wave within the brain, allow the use of the quasi – static theory of Maxwell’ s equations to describe the propagation of the electromagnetic field, that is generated by the brain’s function. The geometric model used for the conductor, in this work, is the spherical and the ellipsoidal one. The spherical geometry is based on spherical symmetry and although it is not a realistic description of the brain, it is widely used for the interpretation of encephalographs. On the other hand, the ellipsoidal geometry embodies the anisotropy of the three – dimensional space and better fits to the brain anatomy, but leads to significantly more complicated equations. Taking into account the above assumptions and using certain vector analysis techniques, the forward Magnetoencephalography problem is solved. Namely, the magnetic field generated outside the brain, is calculated. In the case of the spherical conductor, the magnetic field can be calculated analytically as an expansion of spherical harmonic functions, but also in a closed form, whereas in the case of the ellipsoidal conductor, the magnetic field is calculated as an expansion of ellipsoidal harmonic functions. The result for the ellipsoidal conductor can produce, with the help of certain techniques, the result obtained for the spherical conductor, indicating that the ellipsoid is a superset of the sphere. In addition, the results reveal the effect that each geometry has on the exterior magnetic field and provide information for it, which can contribute to the solution of the inverse Magnetoencephalography problem.
Open Access
Thermodynamics of baryogenesis using the rotating lepton model
Συμινής, Νικόλαος; Syminis, Nick
Τμήμα Χημικών Μηχανικών (ΔΕ)
The purpose of this work is to study the process of baryogenesis under the scope of the Rotating Lepton Model (RLM). RLM is Bohr-type model in which leptons are trapped in a rotational bound state under their own gravitational attraction. First, we will see how baryons and the process of baryogenesis are viewed according to the standard model of particle physics. The standard model is right now the generally accepted model that describes the behavior of particles in the microscopic scale. It describes how particles interact, how they are formed and what they are made of [13]. Then we will take the 2 simplest baryons, the proton and the neutron and discuss how they are described according to the RLM. As mentioned before according to RLM baryons are comprised from 3 leptons trapped in a rotational bound state, and in the case of baryons we have 3 neutrinos in the circular orbit [12], [7]. Furthermore, in the center of the bound state we can also have trapped particles which in the case of the proton is a positron while in the case of the neutron can be a neutrino [6]. After that we will take the simplest of the two, that being the neutron, and starting from the forces describing the bound state we will derive the basic thermodynamic properties for the formation of the bound state as seen in [12]. According to the RLM the process of baryogenesis can be viewed as reaction of 3 𝜈𝑒 (neutrinos) to form a neutron. Based on that the properties that interest us are the bound energy, the Gibbs free energy, the enthalpy change, the entropy change and the transition temperature of the reaction. The transition temperature is the temperature where the change in the Gibbs free energy for the formation of the particle is 0. Then we will describe the thermodynamic equilibrium of the reaction and produce the equilibrium diagram in which the conversion of the neutrinos when the reaction reaches equilibrium is plotted against temperature. This will give us an insight about the nature of that reaction and especially about the temperatures at which we expect that reaction to take place. Next, we will look at the kinetics of this reaction and we will try to find an expression for the rate of that reaction. Here we will also show the very important role of electrons and or positrons as a catalyst for this reaction. Last, we will implement the thermodynamics and the kinetics to model how the system behaves in a hypothetical adiabatic batch reactor where we will calculate the conversion of the neutrinos, the temperature change, and the time it takes for the reaction to happen. This will give us a clearer perspective about the reaction as a hole and under which conditions, we can expect it to occur. During the thermodynamic and kinetic analysis, it will become clear that many similarities can be drawn between the baryogenesis process and regular chemical reactions. Thus, to expand upon those similarities we will compare the thermodynamics and the kinetics of the hadronization reaction with one of the most important and known chemical reaction. This is the synthesis of Ammonia from Hydrogen and Nitrogen.
Open Access
Waxy crude oil flow in porous media
(2022-07-11) Λουκάς, Μιχαήλ; Loukas, Michail
Τμήμα Χημικών Μηχανικών (ΔΕ)
In this study, we investigate the rheology of waxy crude oil in a porous media tube. We simplify the oil rheology, neglecting thixotropic effects, and we use Carbopol gels as prototype material since they display similar rheological behavior. The Saramito-Herschel-Bulkley (SHB) constitutive equation is used to predict the elasto-visco-plastic effects. Τhe rheology of the Carbopol solutions recent is based on recent studies of Lopez and Pourzahedi. The problem is considered in cartesian coordinates assuming axial symmetry. The governing equations are solved numerically using the open-source toolbox based on OpenFOAM, namely RheoTool is used to simulate the flows, and it’s based on finite-volume element solvers. The purpose of this study is to examine the pressure drop, that needs to set the material in motion (one phase problem) and its displacement from gas-CO2 in an undulating tube (two-phase problem). Firsty, we examine the one-phase problem by setting a steady inlet U_x velocity and we analyze the rheology of Carbopol. We implement three different fixed inlet velocities and we investigate the elasto-viscoplastic phenomena. Then, in the two phase problem we use a two-phase simulation, using pressurized carbon dioxide (CO2) to set in motion the initially static carbopol in the tube. We implement a steady pressure in the CO2, at the inlet of the tube. We start with 300 Pa and we escalate to 450 Pa and 600 Pa in an attempt to investigate the total time that needs the air phase to displace the Carbopol solutions out of the pipe and it’s remaining percentage in the pipe. Also the rheology of the fluids and the normal and shear stresses are analyzed in the tube and around the gas/fluid interface. In all cases, we decrease the Rmin/R¬max from 0.7 to 0.5 and finally to 0.3. Also, we plot the normal and shear stresses to investigate the visco-elastic effects and the yielded/unyielded regions to display the visco-plasticity. With increasing velocity fields, we observe more intense visco-elastic phenomena since, the resulting pressure gradient and normal stresses are increased, while a slight deviation between the velocity streamlines takes place. Also, the decreasing Rmin/R¬max ratio leads to more intense viscoelastic effects since the actual channel geometry determines the ratio of shearing and extensional contribution. As regards the materials, the 0.1% Carbopol solution from Pourzahedi study, is defined with higher consistency index k than the respective carbopol with 0.1% Carbopol solution from Lopez study. A higher consistency index leads to higher visco-elastic stresses and a higher pressure drop to sustain the steady inlet flow. In the gas-displaced experiment, Pourzahedi’s Carbopol is deformed much more difficult since it needs the longest time to be displaced from the CO2 gas phase.
Open Access
Αλληλεπίδραση κυκλικών μορίων DNA (DNA minicircles) με ασθενείς πολύ-ηλεκτρολύτες (με εφαρμογές στη βιοϊατρική) : μοριακή μοντελοποίηση και προσομοίωση.
Μαυραγάνη, Αναστασία; Mavragani, Anastasia
Τμήμα Χημικών Μηχανικών (ΔΕ)
Τα τελευταία χρόνια, έχει παρατηρηθεί έντονη ερευνητική δραστηριότητα σε τομείς που αφορούν στη βιοτεχνολογία και πιο συγκεκριμένα στις εφαρμογές της στη βιοϊατρική. Θεραπευτικές προσεγγίσεις μέσω γονιδιακής θεραπείας έχουν απασχολήσει σημαντικά την κοινότητα, με απώτερο στόχο τη βελτιστοποίηση της διεργασίας μεταφοράς και έκφρασης επιθυμητών γονιδίων (υπομονάδων DNA) σε οργανισμούς. Μέχρι σήμερα, για το σκοπό αυτό έχει γίνει εκτεταμένη χρήση διαφόρων ιών ως φορέων DNA, αλλά λόγω της κυτταροτοξικότητας και της χαμηλής βιοσυμβατότητας που εμφανίζουν, οι ερευνητές έχουν οδηγηθεί στην αναζήτηση νέων αποτελεσματικότερων φορέων. Το ενδιαφέρον έχει στραφεί στα κατιονικά πολυμερή, καθώς λόγω των ιδιοτήτων τους αποτελούν εξαιρετικούς υποψήφιους φορείς για την αντικατάσταση των μη προτιμώμενων ιϊκών φορέων στην γονιδιακή θεραπεία. Στην παρούσα διπλωματική εργασία διερευνάται η αλληλεπίδραση ενός ανερχόμενου υποψήφιου πολυκατιόντος, του PDMAEMA, με 2 διαφορετικής αλληλουχίας μικρά κυκλικά μόρια DNΑ (DNA minicircles) σταθερού μοριακού μήκους (ίσου με 30 ζεύγη βάσεων) και εξετάζεται η επίδραση δυο ειδικών περιπτώσεων αλληλουχίας βάσεων στη διεργασία συμπλοκοποίησης μεταξύ DNA-πολυκατιόντος. Θεωρούμε σταθερό βαθμό πολυμερισμού ίσο με 24 για το πολυκατιόν PDMAEMA, και βαθμό ιοντισμού ίσο με 100%. Η μελέτη συνίσταται στη μοριακή μοντελοποίηση μέσω προσομοιώσεων Μοριακής Δυναμικής των δυο μορίων, και στην εξαγωγή αποτελεσμάτων που αφορούν στις τοπικές ιδιότητες διαμόρφωσης και δυναμικής για την κατανόηση του μηχανισμού συμπλοκοποίησης του DNA με το πολυκατιόν, σε ατομιστικό επίπεδο. Οι προσομοιώσεις πραγματοποιήθηκαν μέσω εφαρμογής του πεδίου δυνάμεων PARMBSC1 της οικογένειας δυναμικών AMBER, ειδικά τροποποιημένο για την προσομοίωση μορίων DNA, και τα αποτελέσματα προέκυψαν από ποσοτική και ποιοτική ανάλυση των δεδομένων της τροχιάς κάθε συστήματος. Παρατηρήθηκε ότι τα 2 μόρια έρχονται σε επαφή αρκετά γρήγορα, σε χρόνο 7ns, με κύριο μηχανισμό αλληλεπίδρασης την ισχυρή ηλεκτροστατική έλξη των θετικά φορτισμένων αμινομάδων του πολυμερούς με τις αρνητικά φορτισμένες φωσφορικές ομάδες του νουκλεϊκού οξέος. Δευτερεύοντες μηχανισμοί αλληλεπίδρασης όπως οι δεσμοί υδρογόνου που δημιουργούνται μεταξύ DNA και πολυκατιόντος συνεισφέρουν σε μικρότερο βαθμό στη συμπλοκοποίηση, ενώ παρατηρήθηκε ότι ο βαθμός ενυδάτωσης του DNA δεν μεταβλήθηκε καθ’ όλη τη διάρκεια της προσομοίωσης. Κατά τη διάρκεια της προσομοίωσης το σύμπλοκο παραμένει σταθερό, με εξαίρεση ορισμένα στιγμιαία συμβάντα αποσυμπλοκοποίησης. Δεν φαίνεται να υπάρχει κάποια αξιοσημείωτη επίδραση της αλληλουχίας βάσεων στο πλήθος των σημείων επαφής, ωστόσο φαίνεται να υπάρχει επιρροή στη διατήρηση της διαμόρφωσης τύπου-Β του DNA, λόγω αποκλίσεων που παρατηρήθηκαν εκτός των επιτρεπτών ορίων γωνιών στρέψης για το σύστημα επαναλαμβανόμενης αλληλουχίας ΑΤ. Παρ’ όλα αυτά, για την επιβεβαίωση της αξιοπιστίας των συμπερασμάτων σχετικά με το βαθμό επιρροής της αλληλουχίας των βάσεων κυκλικών μορίων DNA στη συμπλοκοποίηση με το PDMAEMA, απαιτείται η διεξαγωγή περισσότερων αλλά και μεγαλύτερης διάρκειας υπολογιστικών προσομοιώσεων.
Open Access
Ανάπτυξη βιοσυμβατών υδροπηκτωμάτων από εμβολιασμένο συμπολυμερές πολύ(ακρυλικού οξέος) με υδρόφοβη πολύ(L-λυσίνη)
Κάργα, Μαρία Ελένη; Karga, Maria Eleni
Τμήμα Χημικών Μηχανικών (ΔΕ)
Τα υδροπηκτώματα ή υδρογέλες αποτελούν τρισδιάστατες υδρόφιλες πολυμερικές δομές, οι οποίες μπορούν να παγιδεύουν μεγάλες ποσότητες νερού και να διογκώνονται. Η ιδιότητά τους αυτή συντελεί στη ομοιότητά τους με ζωντανούς ιστούς, με αποτέλεσμα τη στροφή του ενδιαφέροντος της επιστημονικής κοινότητας προς αυτά για να εκμεταλλευτούν σε διάφορες βιοεφαρμογές. Τα τελευταία χρόνια μεγάλο ενδιαφέρον έχει δοθεί στο σχεδιασμό υδρογελών από βιοσυμβατά πολυμερή, όπως αυτά των φυσικών πολυπεπτιδίων. Τα μακρομόρια αυτά έχουν το πλεονέκτημα της βιοαποικοδομησιμότητας, μη τοξικότητας και κατά συνέπεια εύκολα αποδέχονται από τον οργανισμό κατά την χρήση τους. Επιπλέον, τα υδροπηκτώματα που εμφανίζουν φυσικό τρόπο διασύνδεσης, όπως μέσω υδρόφοβων αλληλεπιδράσεων, θεωρούνται πολλά υποσχόμενα υλικά για βιοεφαρμογές, όπως η μη-χανική ιστών, η μεταφορά φαρμάκων και κυττάρων κ.α., καθώς αποτελούν δυναμικά συστήματα με αναστρέψιμες ιδιότητες. Τα διασυνδέσιμα υδατοδιαλυτά πολυμερή, ανήκουν στη κατηγορία πολυμερών που σχηματίζουν υδροπηκτώματα με πληθώρα αλληλεπιδράσεων, όπως οι υδρόφοβες αλληλεπιδράσεις. Βασίζονται σε συμπολυμερή που αποτελούνται από υδρόφιλες πολυμερικές αλυσίδες συνδεδεμένες με υδρόφοβες ομάδες στα άκρα τους ή εμβολιασμένες πάνω τους. Έχουν βρει εφαρμογές σε βαφές, τρόφιμα, στην εξόρυξη καυσίμων, στα καλλυντικά και τη βιοτεχνολογία εξαιτίας των πολλά υποσχόμενων ιξωδοελαστικών τους ιδιοτήτων. Τα «έξυπνα» ή αποκρινόμενα στα ερεθίσματα φυσικά υδροπηκτώματα εμφανίζουν ευαισθησία σε περιβαλλοντικές αλλαγές, παρουσιάζουν έντονο ενδιαφέρον για βιοϊατρικές εφαρμογές καθώς μπορούν να ενισχυθούν οι ιδιότητές τους με τη μεταβολή διάφορων συνθηκών. Στην κατηγορία αυτή ανήκουν τα υδροπηκτώματα που εμφανίζουν ευαισθησία στο pH. Σε τέτοια συστήματα μπορούν εύκολα να ρυθμιστούν οι ιδιότητές τους προσαρμόζοντας κατάλληλα τις συνθήκες pH. Επιπλέον, υδροπηκτώματα που εμφανίζουν απόκριση στη διάτμηση και ψευδοπλαστική συ-μπεριφορά είναι πολύ χρήσιμα για εφαρμογές που απαιτείται η μείωση ή αύξηση του ιξώδους (ρεολέπτυνση ή ρεοσκλήρυνση) κατά την επιβολή διατμητικής τάσης, όπως αυτής των ενέσιμων συστημάτων. Τα ενέσιμα υδροπηκτώματα έχουν την δυνατότητα να ρέουν κατά τη διάρκεια της ενέσιμης χορήγησής του και στη συνέχεια να διαμορφώνονται σε σταθερά τρισδιάστατα δίκτυα, δηλαδή ισχυρά πηκτώματα κατά την είσοδό τους στον οργανισμό. Έχουν αναπτυχθεί πληθώρα τέτοιων συστημάτων με εφαρμογές όπως στη μη επεμβατική μηχανική ιστών, στην αναγέννηση ιστών και στην ελεγχόμενη χορήγηση φαρμακευτικών ουσιών με μη επεμβατικές διαδικασίες. Η παρούσα διπλωματική εργασία είχε ως στόχο την ανάπτυξη, το χαρακτηρισμό και τη ρεολογική μελέτη βιοσυμβατών υδροπηκτωμάτων εμβολιασμένου συμπολυμερούς πολύ(ακρυλικού οξέος) με υδρόφοβη πολύ(L-λυσίνη). Η παρασκευή του συμπολυμερούς πραγματοποιήθηκε με εμβολιασμό του υδρόφοβου πολυπεπτιδίου στο σκελετό του πολύ(ακρυλικού οξέος) μέσω αντίδρασης σχηματισμού αμιδικού δεσμού. Ο χαρακτηρισμός της σύνθεσης, μέσω φασματοσκοπίας πυρηνικού μαγνητικού συντονισμού πρωτονίου, έδειξε επιτυχή ανάπτυξη του συμπολυμερούς με τον εμβολιασμό κατά μέσο όρο 6.6 αλυσίδων υδρόφοβης πολύ(L-λυσίνης) ανά μία αλυ-σίδα πολύ(ακρυλικού οξέος). Το συμπολυμερές ανήκει στη κατηγορία των διασυνδέσιμων υδατοδιαλυτών πολυμερών αναπτύσσοντας σε υδατικό περιβάλλον φυσικά υδροπηκτώματα ως α-ποτέλεσμα των υδρόφοβων αλληλεπιδράσεων που αναπτύσσονται και τα οποία μελετήθηκαν ως προς τα ρεολογικά τους χαρακτηριστικά. Ειδικότερα, για τη μελέτη της ρεολογικής τους συμπεριφοράς πραγματοποιήθηκαν πειράματα ρεολογίας σε ρεόμετρο τάσης σε δείγματα πέντε δια-φορετικών συγκεντρώσεων συμπολυμερούς, 0.25%, 0.5%, 0.74%, 1% και 1.2% wt, τεσσάρων διαφορετικών συνθηκών pH, 5, 6, 7.4, 8.8, και με προσθήκη ποσότητας άλατος NaCl 0.15M. Η ρεολογική μελέτη απέδειξε ότι το συμπολυμερές εμφανίζει ισχυρά υδροπηκτώματα σε υδατικό περιβάλλον, παρουσιάζοντας ελαστική συμπεριφορά και ιδιότητες ενός «παγωμένου» δικτύου. Αξιοσημείωτο αποτελεί το γεγονός ότι τα χαρακτηριστικά αυτά παρατηρούνται σε μικρές συγκεντρώσεις συμπολυμερούς (<1.2% wt) σε σύγκριση με άλλα φυσικά υδροπηκτώματα που έχουν μελετηθεί ως τώρα. Η συγκέντρωση επιδρά σημαντικά στις ρεολογικές ιδιότητες με αύξηση των μέτρων ελαστικότητας της υδρογέλης κατά την αύξηση της συγκέντρωσης, ακολουθώντας την εκθετική σχέση G’~C1.93 . Την ίδια στιγμή, το σύστημα εμφανίζει χαρακτηριστικά ενός «έξυπνου» υδροπηκτώματος παρουσιάζοντας ευαισθησία στο pH και τη διάτμηση, ενώ εμφανίζει σταθερότητα στις θερμοκρασιακές μεταβολές. Η απόκριση στο pH συμβάλει ευεργετικά στην ανάπτυξη ενός πιο ισχυρού τρισδιάστατου δικτύου που μπορεί να παρομοιαστεί με ένα μαλακό στερεό, εξαιτίας της εξάρτησης του βαθμού ιονισμού των καρβοξυλομάδων του πολυηλεκτρο-λύτη-σκελετού PAA από αυτό. Με την αύξηση του βαθμού ιονισμού (αύξηση του pH) παρατηρείται έκταση των αλυσίδων, λόγω απωστικών ηλεκτροστατικών δυνάμεων, και υπερίσχυση των διαμοριακών υδρόφοβων αλληλεπιδράσεων έναντι των ενδομοριακών. Έτσι, η ισχύς και διό-γκωση του υδροπηκτώματος μπορεί να ρυθμιστεί αποτελεσματικά αλλάζοντας τις συνθήκες pH. Παρουσιάζει, επιπλέον, εξαιρετική απόκρισή στη διατμητική παραμόρφωση (shear response) και ιδιότητες ρεολέπτυνσης με την πτώση του ιξώδους κατά την επιβολή διατμητικής τάσης και την άμεση επαναφορά του συστήματος στις αρχικές του συνθήκες όταν αυτή σταματήσει. Η αντιστρέψιμότητα της απόκρισης του υδροπηκτώματος στη διάτμηση αποτελεί σημαντικό χαρακτηριστικό που συνδέεται με την ιδιότητα της ενεσιμότητας, έχοντας δηλαδή τη δυνατότητα να χορηγείται ενέσιμα και να διαμορφώνει σταθερά τρισδιάστατα δίκτυα όταν εισέρχεται στο σώμα. Η ρεολογική συμπεριφορά του σε προσομοίωση πειραμάτων ενεσιμότητας, έδειξε ότι μπορεί να αναπτύσσει ισχυρό δίκτυο μόλις εισέλθει στο σώμα, ενώ η διαδικασία της ένεσης μπορεί να ρυθμιστεί σε τιμές ανεκτές για τον άνθρωπο. Επιπροσθέτως, μελετώντας τα υδροπηκτώματα με προσθήκη άλατος NaCl, συμπεραίνεται ότι παρατηρείται το φαινόμενο της προάσπισης φορτίων με αποδυνάμωση του δικτύου παρουσία των ιόντων του άλατος και την επικράτηση ιξώδους συμπεριφοράς. Συμπερασματικά, τα υδροπηκτώματα εμβολιασμένου συμπολυμερούς πολύ(ακρυλικού οξέ-ος) με υδρόφοβη πολύ(L-λυσίνη) εμφανίζουν ενδιαφέρουσες προοπτικές ως «έξυπνα» ενέσιμα συστήματα για βιοεφαρμογές, έχοντας τη δυνατότητα να καθοριστούν συγκεκριμένα ρεολογικά χαρακτηριστικά ρυθμίζοντας κατάλληλα παραμέτρους όπως το pH και τη συγκέντρωση. Η χρήση τους θα μπορούσε να προταθεί σε εφαρμογές ελεγχόμενης χορήγησης φαρμακευτικών ουσιών για αντιμετώπιση διάφορων διαταραχών, στη μηχανική και αναγέννηση ιστών κτλ. Τέλος, καθο-ριστικό ρόλο διαδραματίζει και το γεγονός ότι το συγκεκριμένο σύστημα αποτελεί μία πρωτότυπη σύνθεση εμβολιασμένου συμπολυμερούς που εμφανίζει το πλεονέκτημα της βιοσυμβατότητας, εμπεριέχοντας το βιοαποικοδομήσιμο πολυπεπτίδιο της πολύ(L-λυσίνης).