Self-cleaning of Glass and Polycarbonate Surfaces Using Texturing and Dynamic Rotation. Masters thesis, King Fahd University of Petroleum and Minerals.

Preview

PDF MS_Thesis_-_Aditia_Rifai_-_g201305230.pdf Download (5MB) | Preview

Arabic Abstract

يتم بناء الأسطح ذاتية التنظيف بإستخدام وسائل و مواد مختلفة بهدف الحفاظ عليها نظيفة من الغبار، و بالرغم من ذلك فإن هذه الأسطح تصبح قاتمة للضوء و ذلك بسبب البنية المايكرووِية-النانوية لهذه الاسطح و الذي يجعلها غير ملائمة للتطبيقات الكهروضوئية، هذه الدراسة تقدم وسيلة جديدة باستخدام التحميل بالزيت لسطح زجاجي مكسو بطبقة من حبيبات السيليكون ذو أحجام نانوية (30، 70، 220 نانومتر) باستخدام الطلي بالغمس، تم تهيئة هذه الحبيبات باستخدام محلول سايليني (ترايمثايل كلوروسايلين أو ترايلكلوروبيرفلوروأكتيل) و ترسيبها على سطح الزجاج قبل التحميل بالزيت، و من بعد تم قياس زاوية الملامسة والذي أنتج زاوية ملامسة ساكنة و زاوية انزلاق و معدل نفاذية للضوء بمقدار 113 درجة و 3 درجات و 83% على التوالي، و تم اعتماد اختبار تنظيف للأسطح باستعمال قطرات ماء على سطح مغبر و بزاوية ميلان ب 10 درجات والذي أخرج نتائج ممتازة، و تم إستخدام مجهر المسح الإلكتروني و مجهر القوة الذرية لتوصيف البنية السطحية لعينات الأسطح، و أظهرت النتائج أن الأسطح لديها بنية ذات وديان متغيرة العمق بين حبيبات السيليكا واللتي تعمل كجيوب هواء لتخزين الزيت على السطح، وقد أظهرالتوصيف المجهري بنية طبقية (نانوية- مايكرووية) نتيجة ترسيب حبيبات السيليكا مختلفة الأحجام حيث الحبيبات الأصغر تكون فوق الحبيبات الأكبر منها، و وجد أن تحميل الزيت يحسًن من قياس نفاذية الضوء. بالإضافة إلى ما سبق تم إستخدام السكب المزدوج لمادة البي دي إم إس لنسخ أوراق نبتة اللوتس ونبتة الأرز الطاردة للماء لهدف إنتاج أسطح نفاذة للضوء و طاردة للماء، النسخة الإيجابية (المماثلة) لورقتي اللوتس و الأرز كان لهما زاوية ملامسة للماء مقاسة ب 129 درجة و 131 درجة على التوالي بينما كان لورقتي اللوتس و الأرز زاوية الملامسة إلى 147 درجة و 149 درجة على التوالي، و بينت الصور المجهرية للماسح الإلكتروني لنسخ ورقتي اللوتس و الأرز وجود البنية المايكرووية مع فقدان البنية النانوية، و كان النفاذ الضوئي لنسخة ورقة اللوتس أقل من نفاذية نسخة ورقة الأرز و ذلك بسبب النية العشوائية و المطوية لورقة اللوتس. تم إستخدام إضافة لما سبق ترسيب حبيبات الإيروجل-النانوية على سطح الزجاج بإستخدام الطلي بالتغميس لمادة السائل-الهلامي، فأظهر السطح المنتج بهذه الطريقة خاصية واعدة لطرد الماء تقدر بزاوة ملامسة للماء من 143 درجة و طاقة حرة للسطح ب 10ملي جول/ متر2، وقد حسَن التحميل بالزيت حركية قطرة الماء بزاوية ميلان 4 درجات وقلل زاوية ملامسة الماء إلى 110 درجات، و كذلك زاد من نفاذية الضوء إلى 79%. أستخدمت القوة الديناميكية لتنظيف سطح زجاج و سطح بوليكاربونيت مغبرين، و تم حساب القوة المتأتية من الدوران الديناميكي و المستخدم لإزالة الغبار بإستعمال برنامج الحاسوب المسمى باتلاب، حيث كانت الحسابات محكومة بالقوة الطاردة و قوة الإحتكاك و قوة الرفع و قوة الجاذبية و قوة اللصق، وتم الأخذ بالخشونة بين السطح و الغبار بعين الإعتبار، وتم فحص الفعالية الدينامكية لتنظيف الغبار عن طريق تغيير السرعة الدورانية و المسافة النصف قطرية، و تم عمل التجارب لإظهار أن الغبار المتراكم نظِف بمقدار 3.2 و 25.9 و 61.4 و 78.2% عند إستخدام سرعات دوران من 100 و 175 و 175 و 250 و 375 دورة بالدقيقة على التوالي، و الجدير بالذكر أن الغبار المستخدم في هذه الدراسة تم جمعه من الغبار المتراكم من فوق أسطح اللوح الكهروضوئية و المجودة في جامعة الملك فهد للبترول و المعادن في منطقة الظهران.

English Abstract

Self-cleaning surfaces are being fabricated by various methods and materials in order to keep the surface clean form dust. However, most of those surfaces are opaque mainly due to its micro-nano structure of its surface, which is not applicable for photovoltaics. In this study, a novel fabrication method using oil impregnation is introduced on a glass surface with a layer of mixed-size (30, 75 and 220 nm) silica nanoparticles which is formed by dip-coating method. Silica colloidal particles are functionalized by using silane solution (trimethylchlorosilane or trichloro (1H, 1H, 2H, 2H-perfluorooctyl) silane) are deposited on to glass prior to oil impregnation at the surface for improving adherence of the oil. Contact angle measurements are carried out and the static water contact angle, sliding angle and average transmittivity of these resulting surfaces are found to be 113°, 3° and 83% respectively. A cleaning test is relied by incorporating small water droplets on a dusted surface and using a tilted surface at 10° with excellent results. Scanning electron microscope, SEM, and atomic force microscope, AFM, are used to characterize the morphology of the surface. The findings reveal that there are several valleys with varying depth in between the silica particles that function as air pocket to serve for storing oil on the surface. Characterization revealed a hierarchical (nano-micro) structures that are created due to the deposition of different sizes of silica particles where smaller particles lie on top of bigger particles. The transmissivity of the engineered surfaces is measured and it is found that oil impregnation improves transmittance of the coated glass. PDMS double casting is also used to replicate hydrophobic of lotus and rice leaves morphology towards producing transparent hydrophobic surface. The positive PDMS replica of lotus and rice leaves result in water contact angles of 129° and 131° respectively whereas the lotus and rice leaf contact angles are 147° and 149° respectively. SEM micrographs of these surfaces demonstrate that the micro details of lotus and rice leaves structures were replicated without nano details. The transmittivity of lotus leaf replica is lower than that of the rice leaf details due to randomly oriented and folded structure of the lotus leaf. Silica aerogel-nanoparticle is also deposited on glass using sol-gel dip-coating method. The surface developed by this method shows very promising hydrophobicity of 143° static WCA and 10 mJ/m2 surface free energy. Oil impregnation process improves water droplet mobility with 4° sliding angle and decreasing WCA to 110°. It also increases the transmittance to 79%. Dynamic forces are also used to clean dusted surface of glass and polycarbonate. The force generated from dynamic rotation to remove dust particles is calculated using Matlab software. The calculations are governed by centrifugal, drag, lift, gravitational and adhesion forces. Surface roughness effect is also considered in calculation of the adhesion force between dust particles and the substrate. The rotational speed and dust radial distance are varied to examine dynamic efficiency of dust removal. The experimental tests are also performed to show that dust accumulations are cleaned by amount of 3.2, 25.9, 61.4 and 78.2 % at rotational speed of 100, 175, 250 and 375 rpm respectively. In all of the above studies, dust samples are collected from precipitation atop of PV-panels that are located in KFUPM, Dhahran.

Item Type:	Thesis (Masters)
Subjects:	Mechanical
Department:	College of Engineering and Physics > Mechanical Engineering
Committee Advisor:	Abu-Dheir, Numan
Committee Members:	Yilbas, Sami Bekir and Khaled, Mazen Mohammad
Depositing User:	ADITIA RIFAI (g201305230)
Date Deposited:	03 May 2016 08:40
Last Modified:	01 Nov 2019 16:33
URI:	http://eprints.kfupm.edu.sa/id/eprint/139925