Modeling of the Effective Permittivity of Open-Cell Ceramic Foams Inspired by Platonic Solids

Open-cell solid foams are rigid skeletons that are permeable to fluids, and they are used as direct heaters or thermal dissipaters in many industrial applications. Using susceptors, such as dielectric materials, for the skeleton and exposing them to microwaves is an efficient way of heating them. The heating performance depends on the permittivity of the skeleton. However, generating a rigorous description of the effective permittivity is challenging and requires an appropriate consideration of the complex skeletal foam morphology. In this study, we propose that Platonic solids act as building elements of the open-cell skeletal structures, which explains their effective permittivity. The new, simplistic geometrical relation thus derived is used along with electromagnetic wave propagation calculations of models that represent real foams to obtain a geometrical, parameter-free relation, which is based only on foam porosity and the material’s permittivity. The derived relation facilitates an efficient and reliable estimation of the effective permittivity of open-cell foams over a large range of porosity.

Modelling mixed matrix membranes and ceramic foams with application to separation processes

Τα ετερογενή πορώδη υλικά είναι παρόντα σε πολλές πρακτικές και σύγχρονες εφαρμογές, όπως στη διήθηση αιωρημάτων και αεροκολλοειδών, τις διεργασίες βιομετατροπής άνθρακα, τη γεωλογική αποθήκευση CO2 και τις βιοϊατρικές διεργασίες, Οι εφαρμογές αυτές βασίζονται σε συγκεκριμένους φυσικούς, χημικούς ή βιοχημικούς μηχανισμούς για τη λειτουργία τους, όπως είναι η μεταφορά μάζας, ορμής ή ενέργειας, η ρόφηση καθώς και οι χημικές/βιοχημικές αντιδράσεις. Οι μηχανισμοί αυτοί στο εσωτερικό των πορωδών μέσων συναρτώνται σε μεγάλο βαθμό με τη δομή και τη μορφολογία του πορώδους μέσου. Ως εκ τούτου, απαιτείται λεπτομερής μελέτη της εσωτερικής δομής αυτών των πορωδών μέσων για την κατανόηση και τη βελτίωση των διεργασιών στις οποίες χρησιμοποιούνται. Μια λεπτομερής περιγραφή της μικροδομής μπορεί να χρησιμοποιηθεί για την εξακρίβωση των φυσικών ιδιοτήτων και την εκτίμηση και βελτίωση της απόδοσής τους. Η παρούσα διατριβή χρησιμοποιεί στατιστικές ιδιότητες που εξάγονται από εικόνες ηλεκτρονικής μικροσκοπίας σάρωσης (SEM) για τη διερεύνηση και την ψηφιακή αναδημιουργία δομών πορωδών μέσων. Αρχικά, επιλέγεται μια στοχαστική προσέγγιση για την ανακατασκευή πορωδών μέσων επειδή αποτυπώνει τη στοχαστική φύση τους σε λογικά εύρη υπολογιστικού κόστους και χρόνου. Στη συνέχεια, δημιουργείται ένα ψηφιακό μοντέλο ανακατασκευής και ένα πρόγραμμα υπολογιστή για την αναδημιουργία δομών πορωδών μέσων αξιοποιώντας τις διάφορες στατιστικές ιδιότητές τους. Μια ειδική εφαρμογή που μελετάται στην παρούσα διατριβή είναι ο ψηφιακός χαρακτηρισμός των μεμβρανών PES/ PVP που χρησιμοποιούνται σε διαδικασίες αιμοκάθαρσης και η ανάπτυξη ενός μοντέλου που μπορεί να προβλέψει την απόδοσή τους στον καθαρισμό του αίματος. Οι εν λόγω μεμβράνες αποτελούνται από πολλαπλά στρώματα και, συνήθως, μια δομή που μοιάζει με αφρό σχηματίζεται στο εσωτερικό τους, επηρεάζοντας την απόδοση διαχωρισμού και βελτιώνοντας τις μηχανικές ιδιότητες της μεμβράνης.Σε αυτό το πλαίσιο, αναπτύχθηκε μια νέα μέθοδος για την ψηφιακή ανακατασκευή αφρών χρησιμοποιώντας την προσέγγιση Laguerre Tessellation, η οποία παρουσιάζει αξιοσημείωτη ικανότητα να περιγράφει αφρώδη υλικά που αποτελούνται από μακροκοιλότητες με πολυεδρική μορφή. [1]. Επιπλέον, για να περιγραφούν αφρώδη υλικά με μακροκοιλότητες σφαιρικού σχήματος και αυξημένη συνδεσιμότητα, αναπτύχθηκε μια εναλλακτική μέθοδος που βασίζεται στη δημιουργία συσσωρεύσεων κοίλων σφαιρών. [2]. Τέλος, αναπτύχθηκε ένα μοντέλο για την περιγραφή της απομάκρυνσης των δεσμευμένων σε πρωτεΐνες τοξινών κατά τη διάρκεια της διαδικασίας αιμοκάθαρσης με τη χρήση μεμβρανών μικτής μήτρας και επικυρώθηκε με πειραματικά δεδομένα. [3]. Αυτό το μοντέλο επεκτάθηκε περαιτέρω και χρησιμοποιήθηκε για την πρόβλεψη της απόδοσης μιας πολυστρωματικής μεμβράνης μικτής μήτρας κατά την απομάκρυνση της τοξίνης κρεατινίνη. [4]. Επιπλέον, η ενσωμάτωση των διαδικασιών ανακατασκευής που αναπτύχθηκαν στο μοντέλο μείωσε περαιτέρω τα απαιτούμενα πειραματικά δεδομένα.Η χρήση αυτών των μεθόδων ανακατασκευής στο νέο μοντέλο που αναπτύχθηκε παρείχε πληροφορίες για τα χαρακτηριστικά της μεμβράνης και τις συνθήκες της διεργασίας. Έτσι, θα μπορούσε να βοηθήσει στη βελτιστοποίηση της μεταφοράς μάζας μέσω της μεμβράνης αιμοκάθαρσης. Επιπλέον, η διαδικασία αυτή μπορεί να επεκταθεί σε διαφορετικές τεχνολογίες διαχωρισμού ανοίγοντας το δρόμο προς το σχεδιασμό προσαρμοσμένων δομών πορωδών μέσων με επιθυμητές ιδιότητες μεταφοράς αποφεύγοντας χρονοβόρα και συχνά ακριβά φυσικά πειράματα. 1. Stiapis, C.S.; Skouras, E.D.; Burganos, V.N. Advanced Laguerre Tessellation for the Reconstruction of Ceramic Foams and Prediction of Transport Properties. Materials 2019, 12, 1137.2. Stiapis, C.S.; Skouras, E.D.; Burganos, V.N. Three-Dimensional Digital Reconstruction of Ti2AlC Ceramic Foams Produced by the Gelcast Method. Materials 2019, 12, 4085.3. Stiapis, C.; Skouras, E.; Pavlenko, D.; Stamatialis, D.; Burganos, V. Evaluation of the Toxin-to-Protein Binding Rates during Hemodialysis Using Sorbent-Loaded Mixed-Matrix Membranes. Applied Sciences 2018, 8, 536.4. Stiapis, C.S.; Skouras, E.D.; Burganos, V.N. Prediction of Toxin Removal Efficiency of Novel Hemodialysis Multilayered Mixed-Matrix Membranes. Separation and Purification Technology 2020, 250, 117272.

An Alternative Method for the Obtention of Ceramic Foams from Gold and Silver Tailings with High Pyrite Content

Mining extraction operations generate a large number of tailings that contain different mineral phases such as quartz (principally), complex silicates, metallic elements, etc. Tailings impose a serious concern as it is possible to have acid mine drainage potential, leaching, and percolation events of heavy metals into the environment under certain conditions. The objective of this work was to evaluate the technical feasibility of producing ceramic foams from gold and silver tailings with high sulfide gangue through a previous flotation process to eliminate impurities associated to this gangue, as it can produce SO2 in the foaming process, and to analyze the effect of the sintering time and the temperature on the characteristics of foams obtained with this type of waste. The results showed that the inverse flotation reduced the presence of impurities associated to sulfides. In addition, it was possible to observe that in the absence of a foaming agent, it was possible to obtain ceramic foams with an apparent density and a mechanical strength near to 1.0 g/cm3 and 0.5 MPa, respectively, when a higher sintering temperature and time were used. On the other hand, the presence of the foaming agent reduced the apparent density to 0.5 g/cm3 without decreasing to a great extent the mechanical strength of ceramic foams at lower sintering temperatures.

Effect of the Processing Parameters on the Fabrication of MgAl2O4 Foams

Stable MgAl2O4 foams (7–21 vol.%) were manufactured using a natural extract from the pericarp of the soap-nut fruit, saponin being the main component, as the foaming agent. The soap-nut extract is soluble in water, biodegradable, non-toxic, and has similar properties to commercial tensoactives. The stability and characteristics of the porous structure of the ceramic foams were evaluated in terms of the amount of foaming agent, content of MgAl2O4 particles, time and speed of stirring of the slurry, type of agitator, and drying temperature. It was found that the foaming capacity decreased with the percent of foaming agent and ceramic, whereas the time and speed of stirring enhanced the foamability. Foaming trials showed that stirring aqueous slurries with 3 wt.% of soap-nut extract for 2 min at 1070 or 2120 rpm, depending on the type of agitator, produced stable MgAl2O4 foams when drying at 60 °C. The mechanism of foaming is discussed. The foams were sintered at 1400 °C for 1 h under an Ar atmosphere. Observation of the sintered foam structures in the scanning electron microscope revealed nearly spherical cells with very good interconnectivity and strength to be manipulated, making them suitable as preforms for manufacturing Al-based composites by pressureless infiltration.