Emulsies van op olie gebaseerde pesticiden worden veel gebruikt in de landbouw, hoewel ze een groot gevaar voor het milieu en de gezondheid vormen omdat ze door hun hydrofobe aard tegen het oppervlak van planten stuiteren, wat leidt tot vervuiling van water en bodem. In een nieuw rapport beschreven Maher Damak en een team van wetenschappers in werktuigbouwkunde aan het MIT een onverwachte overgang van stuiteren naar plakken naar stuiteren, met een versnelde impactsnelheid van de druppel. Het team benadrukte de onderliggende fysica van het fenomeen en demonstreerde het proces door een zorgvuldige balans van drie tijdschalen te regelen:de tijd van contact met de druppeltjes, de tijd van olie-impregnatie en de vorming van de oliekam. Vervolgens bouwden ze een ontwerpkaart om het stuiteren van druppeltjes en oliedekking nauwkeurig te regelen. Het onderzoek is nu gepubliceerd in Science Advances .

Materiaalwetenschap gebruiken voor milieuvriendelijke landbouwpraktijken

Emulsiesprays zijn cruciaal in industrieën en landbouwsprays bevatten gewoonlijk olie-in-water-emulsies die emulgeerbare concentraten bevatten met een actief pesticidebestanddeel in de oliefase gemengd met water. In dit geval bevinden de oliedruppels zich meestal in het micronschaalbereik, daarom kunnen emulsies worden verneveld en op planten worden gesproeid. Het gebrek aan retentie van landbouwsprays op hydrofobe planten is echter een belangrijke beperking die grootschalige vervuiling kan veroorzaken. Materiaalwetenschappers hebben de druppelinvloed van zuivere vloeistoffen op superhydrofobe oppervlakken uitgebreid bestudeerd. Onderzoekers hebben oppervlakteactieve stoffen gebruikt om de oppervlaktespanning te verminderen en daardoor het stuiteren van druppeltjes te verminderen, maar ze zijn minder effectief. In dit werk bestudeerde het onderzoeksteam de impact van emulsiedruppels op superhydrofobe oppervlakken.

Hoofdauteur en postdoctoraal fellow Maher Damak, verbonden aan de MIT Varanasi Group van professor Kripa Varanasi, en ook de CEO en mede-oprichter van Infinite Cooling, beschreef de motivatie achter hun studie en zei:"Het onderzoek werd gemotiveerd door de feit dat er veel pesticidenafval is als gevolg van druppeltjes die van plantoppervlakken weerkaatsen terwijl ze worden besproeid. ... de methode die we in dit onderzoek hebben ontwikkeld, gebruikt olie-emulsies om het probleem te verminderen, door druppeltjes op hydrofobe plantoppervlakken te laten kleven."

Het team liet zien hoe metastabiele emulsies die alleen een pesticide-dragerolie en water bevatten, effectief kunnen zijn bij gebruik met de juiste emulsie- en sproeiparameters. De introductie van sprays zonder oppervlakteactieve stoffen in de landbouw kan de verspreiding van grootschalige giftige chemicaliën in het milieu voorkomen en de kosten in de landbouw verlagen.

De wetenschappers bestudeerden het gedrag van de inslagen van emulsiedruppels door het model olie-hexadecaan te mengen met water, en gebruikten een sonde-sonicator om een ​​olie-in-water-emulsie voor landbouwsprays te produceren. Ze gebruikten hexadecaan als model en omvatten geen oppervlakteactieve stoffen, om te bewijzen dat formuleringen zonder oppervlakteactieve stoffen effectief kunnen zorgen voor druppelretentie. De emulsies zonder oppervlakteactieve stoffen waren meer dan drie uur metastabiel - langer dan de typische duur van landbouwsprays. Damak benadrukte het belang van deze methode:"Veel pesticiden worden al als olie-emulsies gespoten en door dit werk kunnen telers de parameters van deze emulsies afstemmen om ze veel effectiever te maken, zonder andere chemicaliën toe te voegen." Emulsies kunnen dus op de boerderij gemaakt worden en gespoten worden terwijl ze nog stabiel zijn. In de experimentele opstelling gebruikte het team een ​​naald om druppels op een superhydrofoob oppervlak af te geven en varieerde de olieconcentratie in de emulsie met als doel de dragerwaterdruppels vast te houden, terwijl de pesticidemoleculen het plantoppervlak bereikten. Het team verklaarde het fenomeen via een driefasenmechanisme.

Experimentele stappen:olie-impregnatie, nokvorming, stuiter-plak-stuitovergang

Damak et al. beeldde het oppervlak af na de impact van een olie-in-water-emulsiedruppel, met behulp van een optische microscoop. Tijdens de tweede fase merkten ze de vorming van een olierug rond de emulsiedruppel op. Toen de emulsiedruppel zich terugtrok, merkte het team een ​​oppervlak op dat gedeeltelijk gevuld was met olie. Aan het einde van deze fase observeerden ze een zuigkracht die door de druppel werd uitgeoefend om te voorkomen dat deze terugkaatste. Toen de oppervlakte-energie weer werd omgezet in kinetische energie, begon de emulsiedruppel verticaal te versnellen met een typische "stuitversnelling-equivalente kracht". De onderzoekers begrepen de oorsprong van de stuiter-plakken-stuiterende overgang ten opzichte van Weber-nummers; een parameter die de verhouding weergeeft van verstorende hydrodynamische krachten tot de stabiliserende oppervlaktespanningskracht. "We ontdekten dat de geëmulgeerde olie zich op het oppervlak kan afzetten tijdens de tijdschaal van de impact en een zuigkracht op de druppel kan uitoefenen, waardoor deze niet van het oppervlak kan weerkaatsen", zei Damak.

Vooruitzichten

Het team onderzocht daarbij de effecten van olieviscositeit en vormde een ontwerpkaart voor effectieve emulsiesprays met een optimaal bereik aan viscositeiten en een optimaal Weber-nummerbereik. Ze hebben de sprays ontworpen om te voldoen aan het Weber-nummer en de viscositeitsregimes. Ze voerden aanvullende macroscopische experimenten uit met de sprays en verkregen hogesnelheidsvideo's van water- en emulsiesprays die een superhydrofoob oppervlak beïnvloeden. Op deze manier onthulden Damak en collega's een tot nu toe onbekend mechanisme om emulsiedruppels op superhydrofobe oppervlakken te plakken. Het team verkende de onderliggende mechanismen van de natuurkunde om de efficiëntie van de methode tijdens sprayretentie aan te tonen met het model zonder oppervlakteactieve stof.

Toekomstig werk kan veelbelovend zijn, aangezien toepassingen in de landbouw al aan de gang zijn, zoals Damak uitlegt:"Het onderzoek wordt naar de markt vertaald via een startup die we hebben opgericht, AgZen. We ontwikkelen sproeiers en procedures om de efficiëntie van het spuiten aanzienlijk te verbeteren en afval te verminderen in de landbouw en gaan binnenkort veldproeven doen met telers." De wetenschappers voorzien een verbeterde retentie van spuitnevel met minimale milieuvervuiling met pesticiden voor efficiënte toepassingen. + Verder verkennen

Universele stabilisatie

© 2022 Science X Network