The hydrophobicity of a surface is an important property in many areas of science and engineering. This is especially the case in mineral processing, where differences in surface hydrophobicity lie at the heart of the separation process of flotation. Chemicals are used to increase and decrease the natural hydrophobicity of minerals to attain a better separation between valuable and worthless material. Polymers are often used to reduce mineral surface hydrophobicity. Decades of empirically based decision making have produced a list of effective depressants. However the detailed study of how these polymer depressants affect surface hydrophobicity and mineral recovery lags behind applied investigations. The aim of this thesis was to study the adsorption of commonly used depressants on model surfaces and to interrogate the action of these polymers in reducing surface hydrophobicity. We have modelled the degree of hydrophobicity of common minerals in order to study polymer depressants with methods not commonly used in studies of surface characterisation in flotation. The model surfaces (self-assembled monolayers, SAMs) allowed us to use the quartz crystal microbalance with dissipation monitoring (QCM-D) to study the adsorption of polymers. The QCM-D can be used to obtain adsorption isotherms, adsorption kinetics, water content of adsorbed layers, and information on the conformation of the adsorbed polymer. The results from the QCM-D were correlated with the contact angle data from the captive bubble measurements, with which we assessed the hydrophobicity of the surface before and after polymer adsorption. Three of the polymers layers were probed with dynamic dewetting studies, in order to test other modes of depressant action. Three types of polymers were studied - a polyacrylamide (Polymer-H), a polyelectrolyte CMC (carboxymethyl cellulose) and a group of dextrins (Dextrin-TY, a phenyl succinate substituted dextrin (PS Dextrin) and a styrene oxide substituted dextrin (SO Dextrin)). These polymers are commonly used or have potential to be used in the depression of talc and graphite. Polymer-H was used to investigate the hydrophobic bonding between a non-ionic polymer depressant and chemically inert and non charged surfaces by probing the influence of substrate hydrophobicity on polymer adsorption and reduction of contact angle. Three different model surfaces were used (mixed self-assembled 0.5 SAM, 0.7 SAM or single self-assembled 1.0 SAM monolayers) with advancing contact angles between 75?? and 119??. The study of Polymer-H found that the substrate hydrophobicity is an important factor in adsorption of this polymer and the change in contact angle upon adsorption depends on adsorbed amount. The effectiveness of Polymer-H to reduce surface hydrophobicity was established to correlate with its conformation and morphology. CMC was investigated to find out how a stimulus responsive polymer depressant can be used in flotation. It was established that the adsorbed amount and rate of adsorption of CMC increase with decreasing of pH or increasing of ionic strength. It was shown that the surface hydrophobicity of a CMC pre-adsorbed layer changes with the environment and these alterations are fully reversible. A switch of ionic strength (from 10-2 M KCl to 10-1 M KCl) caused partial dehydration of the adsorbed layer and a decrease of the receding contact angle by 20??. A pH switch (pH = 9 to pH = 3) resulted in a 40?? change in receding contact angle. The CMC investigation showed that the use of a stimulus responsive polymer presents opportunities for exploiting solution conditions as a means to effect a better mineral separation in flotation The adsorption of three dextrin-based polymers on a model hydrophobic surface has been characterized using the quartz crystal microbalance with dissipation monitoring (QCM-D). The three polymers (one standard dextrin and two dextrins with different aromatic group substitutions) exhibited varying affinities and capacity for adsorption on the hydrophobic substrate. The effect of the three polymers on the static contact angle of the surface was studied using captive bubble contact angle measurements. The three polymers were seen to reduce the receding contact angle by similar amounts (approximately 14 degrees) in spite of having varying adsorbed amounts and differences in adsorbed layer water content. Although no differences were observed in the ability of the polymers to reduce the static contact angle, measurements of the dewetting dynamics between a rising air bubble and the polymer covered substrate yielded stark differences between the polymers, with one polymer slowing the dewetting dynamics by an order of magnitude more than the other two polymers. The differences in dewetting behaviour correlate with the adsorbed layer characteristics determined by QCM-D. / Thesis (PhD)--University of South Australia, 2010

In dieser Arbeit wird eine neue Methode und ein neuartiges FET -Sensorelement zum Nachweis von Flüssigkeitsbewegungen vorgestellt, das zudem bei Bedarf auch als Chemo- oder Biosensor fungieren kann. Das Einsatzspektrum von FET-basierten Sensoren in Lab on a Chip-Systemen wird dadurch entscheidend erweitert. Bei dem entwickelten FET-Sensor Bauelement handelt es sich um einen normally-on n-leitenden Dünnschichtfeldeffekttransistor mit Ti-Au-Kontakten, basierend auf Silicon-on-Insulator- Substraten, wobei das natürliche Oxid des Siliziumfilms als Schnittstelle zum Elektrolyten bzw. zur Flüssigkeit verwendet wird. Der mit 10exp16 Bor Atomen pro cm³ p-dotierte Siliziumdünnfilm hat eine Dicke von nur 55 nm und ist durch eine 95 nm dicke Siliziumdioxidschicht vom darunterliegenden Siliziumsubstrat von 600 µm Dicke elektrisch isoliert. Aufgrund der geringen Schichtdicke durchdringt die feldempfindliche Raumladungs- bzw. Verarmungszone die gesamte Dünnschicht, so dass durch Anlegen einer Backgatespannung am Substrat der spezifische Widerstand und die Empfindlichkeit des Bauelements eingestellt werden können. Grundlegende ISFET-Funktionalitäten wie die Empfindlichkeit auf Änderungen der Ionenstärke und des pH-Wertes werden nachgewiesen und ein ENFET-Glukosesensor realisiert. Zudem wird im Hinblick auf die Separation von Emulsionen der Nachweis erbracht, dass die Benetzung mit Hexan und Toluol eine Änderung der spezifischen Leitfähigkeit bewirkt, und die Empfindlichkeit des Bauelements nach Beschichtung mit einem hydrophoben Methacrylatcopolymerfilm erhalten bleibt. Hinsichtlich der Verwendung des FET-Sensor Bauelements zum Nachweis von Flüssigkeitsbewegungen wird zunächst ein theoretisches Modell entwickelt, dessen Kernaussage ist, dass sich in einem rechteckigen Kanal der relative Bedeckungsgrad mit Flüssigkeit direkt proportional zum Drainstrom des FET-Sensors verhält. Basierend auf diesem theoretischen Modell, welches experimentell belegt wird, können mittels eines einzelnen FET-Sensors Füllstand und Füllgeschwindigkeit bzw. bei bekannter Füllgeschwindigkeit Kapillarvolumen und Kapillargeometrie bestimmt werden. Abweichungen von der direkten Proportionalität erlauben zudem, Rückschlüsse auf die Benetzungseigenschaften der Kapillaren und die Dynamik an der Halbleitergrenzfläche zu ziehen. Ist ein Sensorelement vollständig mit Flüssigkeit bedeckt, wird mittels Lösungsmitteltropfen als Markerobjekten die Strömungsgeschwindigkeit bestimmt. Ändert sich die Ionenkonzentration im Elektrolyten als Funktion der Strömungsgeschwindigkeit, so kann die Strömungsgeschwindigkeit durch Messung der Ionenkonzentration mittels FET-Sensor ebenfalls ermittelt werden. Als wichtigster Demonstrator für die Verwendung des FET-Sensors wird ein komplexes Lab on a Chip-System zur Separation von Emulsionen auf chemisch strukturierten Oberflächen entwickelt, bei dem der Separationsvorgang mittels FET-Sensorarray verfolgt werden kann. Zur einfachen Herstellung chemisch modifizierter Oberflächen für die Separationsexperimente werden die Abscheidung von nanoskaligen hydrophoben Methacrylatcopolymerfilmen und die selektive Fluorsilanisierung von Oberflächen sowie deren Lösungsmittelbeständigkeit in Wasser, Toluol und Aceton untersucht. Dabei zeigt sich, dass die Hydrophobie nach Lösungsmittelbehandlung weitestgehend erhalten bleibt, Wasserrückstände im Methacrylatfilm aber zu einer reversiblen Schichtdegradation führen können. Als Modellsystem werden Hexan-Wasser- bzw. Toluol-Wasser-Emulsionen verwendet, die auf Oberflächen getrennt werden, deren eine Seite hydrophil, und deren andere Seite hydrophob ist (Stufengradient). Der Separationsprozess beruht auf der großen Affinität des Wassers hin zu polaren Oberflächen, wobei das wenig selektive Lösungsmittel zur unpolaren Seite gedrängt wird. Zur Erlangung eines tieferen Verständnisses des Prozesses werden die Tropfenkoaleszenz und der Einfluss geometrischer Beschränkungen untersucht. Die Versuche werden sowohl auf offenen Oberflächen als auch im Spalt, unter Verwendung von hydrophilen und hydrophoben Oberflächen, durchgeführt. Es zeigt sich, dass sich die Dynamik der Tropfenkoaleszenz im Spalt umgekehrt zur Dynamik auf offenen Oberflächen verhält. Dies wird mittels eines hierzu entwickelten theoretischen Modells erklärt, welches die Minimierung der Oberflächenenergie und Hystereseeffekte einbezieht. Das Lab on a Chip-System schließlich besteht aus einem mit Siliziumnitrid beschichteten FET-Sensorchip, auf den eine Separationszelle aufgeklebt ist. Neben dem Einlass für die Emulsion ist ein weiterer Einlass vorhanden, durch den Salzsäure für eine pH-Reaktion zugegeben werden kann. Der gesamte Separationsprozess sowie die anschließende pH-Reaktion, lassen sich bequem am PC anhand der Änderung der Stromstärke der einzelnen Sensoren verfolgen und analysieren. Wichtige Ergebnisse hier sind: 1) Mittels eines quasi 1-dimensionalen Sensorarrays kann der Verlauf einer Flüssigkeitsfront in einem 2-dimensionalen Areal überwacht bzw. dargestellt werden. 2) Anhand der Signatur des Signalverlaufs bei pH-Änderung und Flüssigkeitsbewegung, können beide Prozesse unterschieden werden. Der Sensor kann also zum Nachweis von Flüssigkeitsbewegungen und zugleich als Chemosensor eingesetzt werden. Es wurde also nicht nur ein neuartiges, äußerst robustes, chemikalienbeständiges und biokompatibles Multifunktionssensorelement mit Abmessungen im Mikrometer- bis Millimeterbereich entwickelt, sondern auch eine neue Methode entwickelt, mit der es möglich ist, sowohl (bio-)chemische Reaktionen als auch die Bewegung von Flüssigkeiten in Lab on a Chip-Systemen nachzuweisen.

The hydrophobicity of a surface is an important property in many areas of science and engineering. This is especially the case in mineral processing, where differences in surface hydrophobicity lie at the heart of the separation process of flotation. Chemicals are used to increase and decrease the natural hydrophobicity of minerals to attain a better separation between valuable and worthless material. Polymers are often used to reduce mineral surface hydrophobicity. Decades of empirically based decision making have produced a list of effective depressants. However the detailed study of how these polymer depressants affect surface hydrophobicity and mineral recovery lags behind applied investigations. The aim of this thesis was to study the adsorption of commonly used depressants on model surfaces and to interrogate the action of these polymers in reducing surface hydrophobicity. We have modelled the degree of hydrophobicity of common minerals in order to study polymer depressants with methods not commonly used in studies of surface characterisation in flotation. The model surfaces (self-assembled monolayers, SAMs) allowed us to use the quartz crystal microbalance with dissipation monitoring (QCM-D) to study the adsorption of polymers. The QCM-D can be used to obtain adsorption isotherms, adsorption kinetics, water content of adsorbed layers, and information on the conformation of the adsorbed polymer. The results from the QCM-D were correlated with the contact angle data from the captive bubble measurements, with which we assessed the hydrophobicity of the surface before and after polymer adsorption. Three of the polymers layers were probed with dynamic dewetting studies, in order to test other modes of depressant action. Three types of polymers were studied - a polyacrylamide (Polymer-H), a polyelectrolyte CMC (carboxymethyl cellulose) and a group of dextrins (Dextrin-TY, a phenyl succinate substituted dextrin (PS Dextrin) and a styrene oxide substituted dextrin (SO Dextrin)). These polymers are commonly used or have potential to be used in the depression of talc and graphite. Polymer-H was used to investigate the hydrophobic bonding between a non-ionic polymer depressant and chemically inert and non charged surfaces by probing the influence of substrate hydrophobicity on polymer adsorption and reduction of contact angle. Three different model surfaces were used (mixed self-assembled 0.5 SAM, 0.7 SAM or single self-assembled 1.0 SAM monolayers) with advancing contact angles between 75?? and 119??. The study of Polymer-H found that the substrate hydrophobicity is an important factor in adsorption of this polymer and the change in contact angle upon adsorption depends on adsorbed amount. The effectiveness of Polymer-H to reduce surface hydrophobicity was established to correlate with its conformation and morphology. CMC was investigated to find out how a stimulus responsive polymer depressant can be used in flotation. It was established that the adsorbed amount and rate of adsorption of CMC increase with decreasing of pH or increasing of ionic strength. It was shown that the surface hydrophobicity of a CMC pre-adsorbed layer changes with the environment and these alterations are fully reversible. A switch of ionic strength (from 10-2 M KCl to 10-1 M KCl) caused partial dehydration of the adsorbed layer and a decrease of the receding contact angle by 20??. A pH switch (pH = 9 to pH = 3) resulted in a 40?? change in receding contact angle. The CMC investigation showed that the use of a stimulus responsive polymer presents opportunities for exploiting solution conditions as a means to effect a better mineral separation in flotation The adsorption of three dextrin-based polymers on a model hydrophobic surface has been characterized using the quartz crystal microbalance with dissipation monitoring (QCM-D). The three polymers (one standard dextrin and two dextrins with different aromatic group substitutions) exhibited varying affinities and capacity for adsorption on the hydrophobic substrate. The effect of the three polymers on the static contact angle of the surface was studied using captive bubble contact angle measurements. The three polymers were seen to reduce the receding contact angle by similar amounts (approximately 14 degrees) in spite of having varying adsorbed amounts and differences in adsorbed layer water content. Although no differences were observed in the ability of the polymers to reduce the static contact angle, measurements of the dewetting dynamics between a rising air bubble and the polymer covered substrate yielded stark differences between the polymers, with one polymer slowing the dewetting dynamics by an order of magnitude more than the other two polymers. The differences in dewetting behaviour correlate with the adsorbed layer characteristics determined by QCM-D. / Thesis (PhD)--University of South Australia, 2010

In dieser Arbeit wird eine neue Methode und ein neuartiges FET -Sensorelement zum Nachweis von Flüssigkeitsbewegungen vorgestellt, das zudem bei Bedarf auch als Chemo- oder Biosensor fungieren kann. Das Einsatzspektrum von FET-basierten Sensoren in Lab on a Chip-Systemen wird dadurch entscheidend erweitert. Bei dem entwickelten FET-Sensor Bauelement handelt es sich um einen normally-on n-leitenden Dünnschichtfeldeffekttransistor mit Ti-Au-Kontakten, basierend auf Silicon-on-Insulator- Substraten, wobei das natürliche Oxid des Siliziumfilms als Schnittstelle zum Elektrolyten bzw. zur Flüssigkeit verwendet wird. Der mit 10exp16 Bor Atomen pro cm³ p-dotierte Siliziumdünnfilm hat eine Dicke von nur 55 nm und ist durch eine 95 nm dicke Siliziumdioxidschicht vom darunterliegenden Siliziumsubstrat von 600 µm Dicke elektrisch isoliert. Aufgrund der geringen Schichtdicke durchdringt die feldempfindliche Raumladungs- bzw. Verarmungszone die gesamte Dünnschicht, so dass durch Anlegen einer Backgatespannung am Substrat der spezifische Widerstand und die Empfindlichkeit des Bauelements eingestellt werden können. Grundlegende ISFET-Funktionalitäten wie die Empfindlichkeit auf Änderungen der Ionenstärke und des pH-Wertes werden nachgewiesen und ein ENFET-Glukosesensor realisiert. Zudem wird im Hinblick auf die Separation von Emulsionen der Nachweis erbracht, dass die Benetzung mit Hexan und Toluol eine Änderung der spezifischen Leitfähigkeit bewirkt, und die Empfindlichkeit des Bauelements nach Beschichtung mit einem hydrophoben Methacrylatcopolymerfilm erhalten bleibt. Hinsichtlich der Verwendung des FET-Sensor Bauelements zum Nachweis von Flüssigkeitsbewegungen wird zunächst ein theoretisches Modell entwickelt, dessen Kernaussage ist, dass sich in einem rechteckigen Kanal der relative Bedeckungsgrad mit Flüssigkeit direkt proportional zum Drainstrom des FET-Sensors verhält. Basierend auf diesem theoretischen Modell, welches experimentell belegt wird, können mittels eines einzelnen FET-Sensors Füllstand und Füllgeschwindigkeit bzw. bei bekannter Füllgeschwindigkeit Kapillarvolumen und Kapillargeometrie bestimmt werden. Abweichungen von der direkten Proportionalität erlauben zudem, Rückschlüsse auf die Benetzungseigenschaften der Kapillaren und die Dynamik an der Halbleitergrenzfläche zu ziehen. Ist ein Sensorelement vollständig mit Flüssigkeit bedeckt, wird mittels Lösungsmitteltropfen als Markerobjekten die Strömungsgeschwindigkeit bestimmt. Ändert sich die Ionenkonzentration im Elektrolyten als Funktion der Strömungsgeschwindigkeit, so kann die Strömungsgeschwindigkeit durch Messung der Ionenkonzentration mittels FET-Sensor ebenfalls ermittelt werden. Als wichtigster Demonstrator für die Verwendung des FET-Sensors wird ein komplexes Lab on a Chip-System zur Separation von Emulsionen auf chemisch strukturierten Oberflächen entwickelt, bei dem der Separationsvorgang mittels FET-Sensorarray verfolgt werden kann. Zur einfachen Herstellung chemisch modifizierter Oberflächen für die Separationsexperimente werden die Abscheidung von nanoskaligen hydrophoben Methacrylatcopolymerfilmen und die selektive Fluorsilanisierung von Oberflächen sowie deren Lösungsmittelbeständigkeit in Wasser, Toluol und Aceton untersucht. Dabei zeigt sich, dass die Hydrophobie nach Lösungsmittelbehandlung weitestgehend erhalten bleibt, Wasserrückstände im Methacrylatfilm aber zu einer reversiblen Schichtdegradation führen können. Als Modellsystem werden Hexan-Wasser- bzw. Toluol-Wasser-Emulsionen verwendet, die auf Oberflächen getrennt werden, deren eine Seite hydrophil, und deren andere Seite hydrophob ist (Stufengradient). Der Separationsprozess beruht auf der großen Affinität des Wassers hin zu polaren Oberflächen, wobei das wenig selektive Lösungsmittel zur unpolaren Seite gedrängt wird. Zur Erlangung eines tieferen Verständnisses des Prozesses werden die Tropfenkoaleszenz und der Einfluss geometrischer Beschränkungen untersucht. Die Versuche werden sowohl auf offenen Oberflächen als auch im Spalt, unter Verwendung von hydrophilen und hydrophoben Oberflächen, durchgeführt. Es zeigt sich, dass sich die Dynamik der Tropfenkoaleszenz im Spalt umgekehrt zur Dynamik auf offenen Oberflächen verhält. Dies wird mittels eines hierzu entwickelten theoretischen Modells erklärt, welches die Minimierung der Oberflächenenergie und Hystereseeffekte einbezieht. Das Lab on a Chip-System schließlich besteht aus einem mit Siliziumnitrid beschichteten FET-Sensorchip, auf den eine Separationszelle aufgeklebt ist. Neben dem Einlass für die Emulsion ist ein weiterer Einlass vorhanden, durch den Salzsäure für eine pH-Reaktion zugegeben werden kann. Der gesamte Separationsprozess sowie die anschließende pH-Reaktion, lassen sich bequem am PC anhand der Änderung der Stromstärke der einzelnen Sensoren verfolgen und analysieren. Wichtige Ergebnisse hier sind: 1) Mittels eines quasi 1-dimensionalen Sensorarrays kann der Verlauf einer Flüssigkeitsfront in einem 2-dimensionalen Areal überwacht bzw. dargestellt werden. 2) Anhand der Signatur des Signalverlaufs bei pH-Änderung und Flüssigkeitsbewegung, können beide Prozesse unterschieden werden. Der Sensor kann also zum Nachweis von Flüssigkeitsbewegungen und zugleich als Chemosensor eingesetzt werden. Es wurde also nicht nur ein neuartiges, äußerst robustes, chemikalienbeständiges und biokompatibles Multifunktionssensorelement mit Abmessungen im Mikrometer- bis Millimeterbereich entwickelt, sondern auch eine neue Methode entwickelt, mit der es möglich ist, sowohl (bio-)chemische Reaktionen als auch die Bewegung von Flüssigkeiten in Lab on a Chip-Systemen nachzuweisen.

<div>Thermal desalination of high salinity water resources is crucial for increasing freshwater supply, but efficiency enhancements are badly needed. Nanomaterial enhancements and novel condensation regimes offer enormous potential for improving promising technologies like membrane distillation (MD). In this work, we first examined nanofluids for MD, including the role of nanoscale physics, and model system-level energy efficiency enhancements. Our model included the dominant micro-mixing from Brownian motion in fine particle nanofluids (copper oxide) and the unusually high axial conduction from phonon resonance through Van der Waals interaction in carbon nanotube nanofluids. Carbon nanotubes resulted in a consistent, wide range of improvements; while copper oxide particles showcased diminishing returns after a concentration of 0.7%, where Brownian motion effects reduced. However, the enhancements at higher concentrations from liquid layering around nanoparticles were impractical in MD, since the related high surfactant levels compromised the membrane hydrophobicity and promoted fouling. Dilute solutions of metallic nanofluids can be actively integrated to enhance the performance of MD, whereas stronger nanofluid solutions should be limited to heat exchangers that supply thermal energy to MD systems. We then investigated slippery liquid infused porous surfaces (SLIPS) for enhanced condensation rates in MD. Dropwise condensation heat transfer was modelled considering the effects of the departing, minimum droplet radii and the interfacial thermal resistances. Effective droplet shedding from these surfaces led to an experimental thermal efficiency of 95%. Alternatively, porous condensers with superior wicking properties and conductive heat transfer offered a robust solution to high salinity desalination. We modelled the onset of flooding in porous condensers using Darcy’s law for porous media, including the effects of the condenser permeability and determined the optimal condenser thickness at varying system length scales. The increased active area of condensation resulted in a significant enhancement (96.5%) in permeate production and 31.7% improvement in experimental thermal efficiency. However, porous condensers were only compatible with flat plate module designs limiting their practicality.</div>

The use of hydrophobic porous polymer membranes to vent unwanted gas bubbles from liquid streams is becoming increasingly more common in portable applications such as direct methanol fuel cells (DMFCs) and micro-fluidic cooling of electronic circuits. In order for these portable systems to keep up with the ever increasing demand of the mobile user, it is essential that auxiliary components, like gas-liquid separators (GLS), continue to decrease in weight and size. While there has been significant progress made in the field of membrane-based gas-liquid separation, the ability to miniaturize such devices has not been thoroughly addressed in the available literature. Thus, it was the purpose of this work to shed light on the scope of GLS miniaturization by examining how the amount porous membrane required to completely separate gas bubbles from a liquid stream varies with operating pressure. Two membrane characterization experiments were also employed to determine the permeability, k, and liquid entry pressure (LEP) of the membrane, which provided satisfying results. These parameters were then implemented into a mathematical model for predicting the theoretical membrane area required for a specified two-phase flow, and the results were compared to experimental values. It was shown that the drastically different surface properties of the wetted materials within the GLS device, namely polytetrafluoroethylene (PTFE) and acrylic, caused the actual membrane area requirement to be higher than the theoretical predictions by a constant amount. By analyzing the individual effects of gas and liquid flow, it was also shown that the membrane area requirement increased significantly when the liquid velocity exceeded an amount necessary to cause the flow regime to transition from wedging/slug flow to wavy/semi-annular flow.

The Master´s thesis is dealing with water-cooled condensers and is splitted into three main parts. The first section provides general knowledge about condensers and heat exchangers, including the basic information of hydrophobic surfaces. These surfaces were used during verifying the impact of hydrophobicity on the heat exchange in water steam. The second section describes an experimental testing. It shows the difference between hydrophobic and nonhydrophobic surfaces and their impact on the heat exchange. The third and the last part of this thesis is design and calculation of water-cooled condenser. The design of the condenser is supported by drawings placed in attachement.