Formation et propriétés des cristaux colloïdaux issus de l’auto-assemblage de microsphères de polymère

Le besoin pour des biocapteurs à haute sensibilité mais simples à préparer et à utiliser est en constante augmentation, notamment dans le domaine biomédical. Les cristaux colloïdaux formés par des microsphères de polymère ont déjà prouvé leur fort potentiel en tant que biocapteurs grâce à l’association des propriétés des polymères et à la diffraction de la lumière visible de la structure périodique. Toutefois, une meilleure compréhension du comportement de ces structures est primordiale avant de pouvoir développer des capteurs efficaces et polyvalents. Ce travail propose d’étudier la formation et les propriétés des cristaux colloïdaux résultant de l’auto-assemblage de microsphères de polymère en milieu aqueux. Dans ce but, des particules avec différentes caractéristiques ont été synthétisées et caractérisées afin de corréler les propriétés des particules et le comportement de la structure cristalline. Dans un premier temps, des microsphères réticulées de polystyrène anioniques et cationiques ont été préparées par polymérisation en émulsion sans tensioactif. En variant la quantité de comonomère chargé, le chlorure de vinylbenzyltriméthylammonium ou le sulfonate styrène de sodium, des particules de différentes tailles, formes, polydispersités et charges surfaciques ont été obtenues. En effet, une augmentation de la quantité du comonomère ionique permet de stabiliser de façon électrostatique une plus grande surface et de diminuer ainsi la taille des particules. Cependant, au-dessus d’une certaine concentration, la polymérisation du comonomère en solution devient non négligeable, provoquant un élargissement de la distribution de taille. Quand la polydispersité est faible, ces microsphères chargées, même celles non parfaitement sphériques, peuvent s’auto-assembler et former des cristaux colloïdaux diffractant la lumière visible. Il semble que les répulsions électrostatiques créées par les charges surfaciques favorisent la formation de la structure périodique sur un grand domaine de concentrations et améliorent leur stabilité en présence de sel. Dans un deuxième temps, le besoin d’un constituant stimulable nous a orientés vers les structures cœur-écorce. Ces microsphères, synthétisées en deux étapes par polymérisation en émulsion sans tensioactif, sont formées d’un cœur de polystyrène et d’une écorce d’hydrogel. Différents hydrogels ont été utilisés afin d’obtenir des propriétés différentes : le poly(acide acrylique) pour sa sensibilité au pH, le poly(N-isopropylacrylamide) pour sa thermosensibilité, et, enfin, le copolymère poly(N-isopropylacrylamide-co-acide acrylique) donnant une double sensibilité. Ces microsphères forment des cristaux colloïdaux diffractant la lumière visible à partir d’une certaine concentration critique et pour un large domaine de concentrations. D’après les changements observés dans les spectres de diffraction, les stimuli ont un impact sur la structure cristalline mais l’amplitude de cet effet varie avec la concentration. Ce comportement semble être le résultat des changements induits par la transition de phase volumique sur les interactions entre particules plutôt qu’une conséquence du changement de taille. Les interactions attractives de van der Waals et les répulsions stériques sont clairement affectées par la transition de phase volumique de l’écorce de poly(N-isopropylacrylamide). Dans le cas des microsphères sensibles au pH, les interactions électrostatiques sont aussi à considérer. L’effet de la concentration peut alors être mis en relation avec la portée de ces interactions. Finalement, dans l’objectif futur de développer des biocapteurs de glucose, les microsphères cœur-écorce ont été fonctionnalisées avec l’acide 3-aminophénylboronique afin de les rendre sensibles au glucose. Les effets de la fonctionnalisation et de la complexation avec le glucose sur les particules et leur empilement périodique ont été examinés. La structure cristalline est visiblement affectée par la présence de glucose, même si le mécanisme impliqué reste à élucider.

Préparations de docosanol nanoformulées pour usage topique

La réduction de la taille des particules jusqu’à l’obtention de nanocristaux est l’une des approches utilisées afin d’améliorer la pénétration cutanée des médicaments à usage topique. Nous proposons que la fabrication d’une formulation semi solide (hydrogel) à base de nanosuspension de docosanol, aboutira à une diffusion du principe actif supérieure à celle du produit commercial Abreva®, à travers des membranes synthétiques de polycarbonates. Le broyage humide est la technique proposée pour la production des nanoparticules de docosanol. Nous proposons aussi la préparation d’une formulation semi-solide (hydrogel) à usage topique à partir de la nanosuspension de docosanol. La nanosuspension de docosanol est obtenue par dispersion du docosanol en solution aqueuse en présence du polymère stabilisant hydroxypropylcellulose (HPC) et du surfactant laurylsulfate de sodium (SDS) suivi d’un broyage humide à faible ou à haute énergie. L’hydrogel de docosanol nanoformulé est préparé à l’aide de la nanosuspension de docosanol qui subit une gélification par le carbopol Ultrez 21 sous agitation mécanique suivie d’une neutralisation au triéthanolamine TEA. La taille des particules de la nanosuspension et de l’hydrogel a été déterminée par diffusion dynamique de la lumière (DLS). Une méthode analytique de chromatographie liquide à haute performance (HPLC) munie d’un détecteur évaporatif (ELSD) a été développée et validée pour évaluer la teneur de docosanol dans les préparations liquides, dans les différentes nanosuspensions et dans les hydrogels de docosanol. L’état de cristallinité des nanocristaux dans la nanosuspension et dans l’hydrogel a été étudié par calorimétrie différentielle à balayage. La morphologie de la nanosuspension et de l’hydrogel de docosanol a été examinée par microscopie électronique à balayage (MEB). Les propriétés rhéologiques et de stabilité physique à différentes températures ont été aussi étudiées pour la formulation semi-solide (hydrogel). De même, la libération in vitro du docosanol contenu dans l’hydrogel et dans le produit commercial Abreva® a été étudiée à travers deux membranes de polycarbonates de taille de pores 400 et 800 nm. Dans le cas de nanosuspensions, des cristaux de docosanol de taille nanométrique ont été produits avec succès par broyage humide. Les nanoparticules de tailles variant de 197 nm à 312 nm ont été produites pour des pourcentages différents en docosanol, en polymère HPC et en surfactant SDS. Après lyophilisation, une augmentation de la taille dépendant de la composition de la formulation a été observée tout en restant dans la gamme nanométrique pour la totalité presque des formulations étudiées. Dans le cas des hydrogels examinés, la taille moyenne des particules de docosanol est maintenue dans la gamme nanométrique avant et après lyophilisation. L’analyse thermique des mélanges physiques, des nanosuspensions et des hydrogels de docosanol a révélé la conservation de l’état de cristallinité des nanocristaux de docosanol après broyage et aussi après gélification. L’examen par microscopie électronique à balayage (MEB) a montré que la nanosuspension et l’hydrogel ont tous deux une morphologie régulière et les nanoparticules ont une forme sphérique. De plus les nanoparticules de la nanosuspension ont presque la même taille inférieure à 300 nm en accord avec le résultat obtenu par diffusion dynamique de la lumière (DLS). Les nanoparticules de l’hydrogel ont une légère augmentation de taille par rapport à celle de la nanosuspension, ce qui est en accord avec les mesures de DLS. D’après les mesures rhéologiques, l’hydrogel de docosanol a un comportement pseudoplastique et un faible degré de thixotropie. L’étude de stabilité physique a montré que les formulations d’hydrogel sont stables à basse température (5°C) et à température ambiante (21°C) pendant une période d’incubation de 13 semaines et instable au-delà de 30°C après deux semaines. La méthode HPLC-ELSD a révélé des teneurs en docosanol comprises entre 90% et 110% dans le cas des nanosuspensions et aux alentours de 100% dans le cas de l’hydrogel. L’essai de diffusion in vitro a montré qu’il y a diffusion de docosanol de l’hydrogel à travers les membranes de polycarbonates, qui est plus marquée pour celle de pore 800 nm, tandis que celui du produit commercial Abreva® ne diffuse pas. Le broyage humide est une technique bien adaptée pour la préparation des nanosuspensions docosanol. Ces nanosuspensions peuvent être utilisée comme base pour la préparation de l’hydrogel de docosanol nanoformulé.

Influence de la taille de départ, de l’état d’agglomération et de la dose de nanoparticules de dioxyde de titane (TiO2) inhalées sur la réponse pulmonaire chez le rat

En raison de leur petite taille, les nanoparticules (NP) (< 100 nm) peuvent coaguler très rapidement ce qui favorise leur pénétration dans l’organisme sous forme d’agglomérats. L’objectif de cette recherche est d’étudier l’influence de l’état d’agglomération de NP de dioxyde de titane (TiO2) de trois tailles de départ différentes, 5, 10-30 ou 50 nm sur la toxicité pulmonaire chez le rat mâle (F344) exposé à des aérosols de 2, 7 ou 20 mg/m3 pendant 6 heures. Dans une chambre d’inhalation, six groupes de rats (n = 6 par groupe) ont été exposés par inhalation aiguë nez-seulement à des aérosols ayant une taille primaire de 5 nm, mais produits sous forme faiblement (< 100 nm) ou fortement (> 100 nm) agglomérée à 2, 7 et 20 mg/m3. De façon similaire, quatre autres groupes de rats ont été exposés à 20 mg/m3 à des aérosols ayant une taille primaire de 10-30 et 50 nm. Les différents aérosols ont été générés par nébulisation à partir de suspensions ou par dispersion à sec. Pour chaque concentration massique, un groupe de rats témoins (n = 6 par groupe) a été exposé à de l’air comprimé dans les mêmes conditions. Les animaux ont été sacrifiés 16 heures après la fin de l’exposition et les lavages broncho-alvéolaires ont permis de doser des marqueurs d’effets inflammatoires, cytotoxiques et de stress oxydant. Des coupes histologiques de poumons ont également été analysées. L’influence de l’état d’agglomération des NP de TiO2 n’a pu être discriminée à 2 mg/m3. Aux concentrations massiques de 7 et 20 mg/m3, nos résultats montrent qu’une réponse inflammatoire aiguë est induite suite à l'exposition aux aérosols fortement agglomérés. En plus de cette réponse, l’exposition aux aérosols faiblement agglomérés à 20 mg/m3 s’est traduite par une augmentation significative de la 8-isoprostane et de la lactate déshydrogénase. À 20 mg/m3, les effets cytotoxiques étaient plus importants suite à l’exposition aux NP de 5 nm faiblement agglomérées. Ces travaux ont montré dans l'ensemble que différents mécanismes de toxicité pulmonaire peuvent être empruntés par les NP de TiO2 en fonction de la taille de départ et de l’état d’agglomération.

Nanoformulations de nystatine pour une efficacité antifongique améliorée

Hypothèse : Le nanobroyage d'une suspension de nystatine augmentera son efficacité antifongique in vitro et in vivo. Méthode : Une nanosupension de nystatine a été obtenue en utilisant le broyage humide. Elle a été caractérisée pour sa distribution de taille des particules et pour sa teneur en principe actif. L'activité in vitro a été évaluée contre les souches de C. albicans SC5314 et LAM-1 aux concentrations 12.5 μg/mL jusqu'à 5000 μg/mL. L'efficacité in vivo a été évaluée en utilisant un modèle murin de candidose oropharyngée. Résultats : La taille médiane des particules de la nanosuspension de nystatine a été réduite de 6577 nm à 137 nm. L'analyse CLHP a demontré une teneur de 98.7 ± 0.8%. L'activité in vitro de la nanosuspension était supérieure à la suspension aux concentrations 100 μg/mL à 5000 μg/mL. La charge fongique orale était inférieure dans le groupe traité par la nanosuspension comparativement aux autres groupes. La survie des souris était aussi supérieure.

La texture et la granulométrie de la moulée influencent les concentrations d’acide propionique et butyrique de même que la prévalence d’Escherichia coli dans le tractus gastro-intestinal du porc d’engraissement

Certaines stratégies alimentaires sont actuellement considérées pour remplacer l’usage des antimicrobiens dans les fermes porcines. Les objectifs de cette étude étaient d'évaluer l'effet de la granulométrie et de la texture des aliments sur les concentrations d'acides gras volatils intestinaux, la composition des populations pathogènes et commensales d’E. coli et sur les performances de croissance des porcs. Des porcs d'engraissement (n= 840) ont reçu l'une des six diètes suivantes: moulée texturée 500, 750 et 1250 µm et moulée cubée 500, 750 et 1250 µm. Le gain de poids a été mesuré à chaque changement de formulation de moulée. À l'abattoir, les contenus du caecum et du côlon de 165 porcs ont été échantillonnés pour le dénombrement des E. coli par PCR quantitatif (qPCR) et pour la quantification des AGV. Le gène yccT a été utilisé pour dénombrer les E. coli totaux. Une diminution du taux de conversion alimentaire a été associée avec la moulée cubée et/ou la moulée de 500 µm. Les concentrations d’acide propionique et butyrique, et ce tant au niveau du caecum que du côlon, étaient plus élevées chez les porcs recevant de la moulée texturée que chez ceux recevant de la moulée cubée. Du point de vue de la granulométrie, les concentrations caecales et du côlon d’acide butyrique étaient plus élevées chez les porcs alimentés avec de la moulée de 1250 µm que chez ceux recevant de la moulée de 500 µm. D'autre part, les niveaux intestinaux d’E. coli totaux étaient plus élevés pour les porcs nourris avec de la moulée cubée que pour ceux ayant reçu de la moulée texturée. Les résultats ont montré que la moulée texturée est associée à des performances de croissance plus faibles mais à des changements intestinaux favorables.

Radiopaque materials from natural polymers: Special emphasis on chitosan and natural rubber

The present work is to impart radiopacity in various natural polymers like chitosan, natural rubber and derivatives of chitosan and to characterize it. This thesis collated the radiopaque properties of these radiopaque polymers and various technological applications in the medical field. The applications of radiopaque polymers leads to an exploitation of radiopaque properties like X-ray visibility, optical density, effective atomic number, attenuation coefficient of biopolymers like chitosan, chitosan formate, chitosan acetate, carboxy methyl chitosan and natural rubber. The radiopaqe properties of these materials highly depend upon the size, shape, amount of radiopacifier and crystallinity of the radiopaque material. Radiopaque chitosan microspheres were prepared by cross linking with glutaraldehyde followed by the encapsulation of barium sulpahte. The effect of different emulsion systems on the morphology of chitosan microspheres were studied. The study concentrates radiopaque natural rubber for shielding applications. It reveals that to improve the particle size, morphology and crystalline phase of the zinc oxide particles, a novel method for the preparation of zinc oxide is adopted. A detailed radiopacity study was done in natural rubber containing 100phr precipitated zinc oxide prepared from different zinc salts. One of the significant findings of this investigation is that NR vulcanizates containing precipitated zinc oxide (from zinc acetate) shows higher attenuation coefficient. These interesting findings reveal the applications of these natural radiopaque systems in various fields like surgical tools, medical tubings, catheters, radiation shielding,etc.

Synthesis of ZnO nanoparticles by hydrothermal method

Stable, OH free zinc oxide (ZnO) nanoparticles were synthesized by hydrothermal method by varying the growth temperature and concentration of the precursors. The formation of ZnO nanoparticles were confirmed by x-ray diffraction (XRD), transmission electron microscopy (TEM) and selected area electron diffraction (SAED) studies. The average particle size have been found to be about 7-24 nm and the compositional analysis is done with inductively coupled plasma atomic emission spectroscopy (ICP-AES). Diffuse reflectance spectroscopy (DRS) results shows that the band gap of ZnO nanoparticles is blue shifted with decrease in particle size. Photoluminescence properties of ZnO nanoparticles at room temperature were studied and the green photoluminescent emission from ZnO nanoparticles can originate from the oxygen vacancy or ZnO interstitial related defects.

Studies on Magnetic Iron Oxide Loaded Activated Carbon

The current water treatment technology is oriented towards the removal of contaminants, mostly organic compounds, by activated carbon. Activated carbons are classified as Granular Activated Carbons (GAC) and Powdered Activated Carbons (PAC) on the basis of the particle size of the carbon granules. Powdered carbons are generally less expensive than granular carbon, operating costs with powdered carbon could be lower. Though powdered activated carbon has many advantages over granular carbon, its application in large-scale separation process is limited by difficulty in recovery and regeneration. Deposition of magnetic iron oxide on carbon particles provides a convenient way of recovering the spent carbon from process water. The study deals with the preparation and physico-chemical characterization of magnetic iron oxide loaded activated carbons. The evaluation of absorption properties of magnetic iron oxide loaded activated carbon composites. The target molecules studied were phenol, p-nitro phenol and methylene blue. The feasibility of magnetic separation of iron oxide loaded activated carbons were studied and described in this thesis.

Spectral and nonlinear optical characterization of ZnO nanocomposites

The spectral and nonlinear optical characteristics of nano ZnO and its composites are investigated. The fluorescence behaviour of nano colloids of ZnO has been studied as a function of the excitation wavelength and there is a red shift in emission peak with excitation wavelength. Apart from the observation of the reported ultra violet and green emissions, our results reveal that additional blue emissions at 420 nm and 490 nm are developed with increasing particle size. Systematic studies on nano ZnO have indicated the presence of luminescence due to excitonic emissions when excited with 255 nm as well as significant contribution from surface defect states when excited with 325 nm. In the weak confinement regime, the third-order optical susceptibility χ(3) increases with increasing particle size (R) and annealing temperature (T) and a R2 and T2.5 dependence of χ(3) is obtained for nano ZnO. ZnO nanocolloids exhibit induced absorption whereas the self assembled films of ZnO exhibit saturable absorption due to saturation of linear absorption of ZnO defect states and electronic effects. ZnO nanocomposites exhibit negative nonlinear index of refraction which can be attributed to two photon absorption followed by weak free carrier absorption. The increase of the third-order nonlinearity in the composites can be attributed to the enhancement of exciton oscillator strength. The nonlinear response of ZnO nanocomposites is wavelength dependent and switching from induced absorption to saturable absorption has been observed at resonant wavelengths. Such a change-over is related to the interplay of plasmon/exciton band bleach and optical limiting mechanisms. This study is important in identifying the spectral range and the composition over which the nonlinear material acts as an optical limiter. ZnO based nanocomposites are potential materials for enhanced and tunable light emission and for the development of nonlinear optical devices with a relatively small optical limiting threshold.

Development of Elastomeric Hybrid Composite Based on Synthesised Manosilica and Short Nylon Fiber

Nanoscale silica was synthesized by precipitation method using sodium silicate and dilute hydrochloric acid under controlled conditions. The synthesized silica was characterized by Scanning Electron Microscopy (SEM), Transmission Electron Microscopy (TEM), BET adsorption and X-Ray Diffraction (XRD). The particle size of silica was calculated to be 13 nm from the XRD results and the surface area was found to be 295 m2/g by BET method. The performance of this synthesized nanosilica as a reinforcing filler in natural rubber (NR) compound was investigated. The commercial silica was used as the reference material. Nanosilica was found to be effective reinforcing filler in natural rubber compound. Filler-matrix interaction was better for nanosilica than the commercial silica. The synthesized nanosilica was used in place of conventional silica in HRH (hexamethylene tetramine, resorcinol and silica) bonding system for natural rubber and styrene butadiene rubber / Nylon 6 short fiber composites. The efficiency of HRH bonding system based on nanosilica was better. Nanosilica was also used as reinforcing filler in rubber / Nylon 6 short fiber hybrid composite. The cure, mechanical, ageing, thermal and dynamic mechanical properties of nanosilica / Nylon 6 short fiber / elastomeric hybrid composites were studied in detail. The matrices used were natural rubber (NR), nitrile rubber (NBR), styrene butadiene rubber (SBR) and chloroprene rubber (CR). Fiber loading was varied from 0 to 30 parts per hundred rubber (phr) and silica loading was varied from 0 to 9 phr. Hexa:Resorcinol:Silica (HRH) ratio was maintained as 2:2:1. HRH loading was adjusted to 16% of the fiber loading. Minimum torque, maximum torque and cure time increased with silica loading. Cure rate increased with fiber loading and decreased with silica content. The hybrid composites showed improved mechanical properties in the presence of nanosilica. Tensile strength showed a dip at 10 phr fiber loading in the case of NR and CR while it continuously increased with fiber loading in the case of NBR and SBR. The nanosilica improved the tensile strength, modulus and tear strength better than the conventional silica. Abrasion resistance and hardness were also better for the nanosilica composites. Resilience and compression set were adversely affected. Hybrid composites showed anisotropy in mechanical properties. Retention in ageing improved with fiber loading and was better for nanosilica-filled hybrid composites. The nanosilica also improved the thermal stability of the hybrid composite better than the commercial silica. All the composites underwent two-step thermal degradation. Kinetic studies showed that the degradation of all the elastomeric composites followed a first-order reaction. Dynamic mechanical analysis revealed that storage modulus (E’) and loss modulus (E”) increased with nanosiica content, fiber loading and frequency for all the composites, independent of the matrix. The highest rate of increase was registered for NBR rubber.

Visible luminescence mechanism in nano ZnO under weak confinement regime

We describe the structure of luminescence spectrum in the visible region in nano-ZnO in colloidal and thin film forms under weak confinement regime by modeling the transition from excited state energy levels of excitons to their ground state. Measurements on nanocrystallites indicate the presence of luminescence due to excitonic emissions when excited with 255 nm. The relevant energy levels showing the transitions corresponding to the observed peaks in the emission spectrum of ZnO of particle size 18 nm are identified.

Mathematical Modelling of the Dynamics of Granular Materials in a Rotating Cylinder

The current study is aimed at the development of a theoretical simulation tool based on Discrete Element Method (DEM) to 'interpret granular dynamics of solid bed in the cross section of the horizontal rotating cylinder at the microscopic level and subsequently apply this model to establish the transition behaviour, mixing and segregation.The simulation of the granular motion developed in this work is based on solving Newton's equation of motion for each particle in the granular bed subjected to the collisional forces, external forces and boundary forces. At every instant of time, the forces are tracked and the positions velocities and accelarations of each partcle is The software code for this simulation is written in VISUAL FORTRAN 90 After checking the validity of the code with special tests, it is used to investigate the transition behaviour of granular solids motion in the cross section of a rotating cylinder for various rotational speeds and fill fraction.This work is hence directed towards a theoretical investigation based on Discrete Element Method (DEM) of the motion of granular solids in the radial direction of the horizontal cylinder to elucidate the relationship between the operating parameters of the rotating cylinder geometry and physical properties ofthe granular solid.The operating parameters of the rotating cylinder include the various rotational velocities of the cylinder and volumetric fill. The physical properties of the granular solids include particle sizes, densities, stiffness coefficients, and coefficient of friction Further the work highlights the fundamental basis for the important phenomena of the system namely; (i) the different modes of solids motion observed in a transverse crosssection of the rotating cylinder for various rotational speeds, (ii) the radial mixing of the granular solid in terms of active layer depth (iii) rate coefficient of mixing as well as the transition behaviour in terms of the bed turnover time and rotational speed and (iv) the segregation mechanisms resulting from differences in the size and density of particles.The transition behaviour involving its six different modes of motion of the granular solid bed is quantified in terms of Froude number and the results obtained are validated with experimental and theoretical results reported in the literature The transition from slumping to rolling mode is quantified using the bed turnover time and a linear relationship is established between the bed turn over time and the inverse of the rotational speed of the cylinder as predicted by Davidson et al. [2000]. The effect of the rotational speed, fill fraction and coefficient of friction on the dynamic angle of repose are presented and discussed. The variation of active layer depth with respect to fill fraction and rotational speed have been investigated. The results obtained through simulation are compared with the experimental results reported by Van Puyvelde et. at. [2000] and Ding et at. [2002].The theoretical model has been further extended, to study the rmxmg and segregation in the transverse direction for different particle sizes and their size ratios. The effect of fill fraction and rotational speed on the transverse mixing behaviour is presented in the form of a mixing index and mixing kinetics curve. The segregation pattern obtained by the simulation of the granular solid bed with respect to the rotational speed of the cylinder is presented both in graphical and numerical forms. The segregation behaviour of the granular solid bed with respect to particle size, density and volume fraction of particle size has been investigated. Several important macro parameters characterising segregation such as mixing index, percolation index and segregation index have been derived from the simulation tool based on first principles developed in this work.

Back scattering from nano-sized ZnO colloids

We report enhanced back scattering in nanometer-sized ZnO colloids prepared in two different media, by different methods. The FWHM of the back scattered cone and hence the mean free path varied with concentration of ZnO as well as particle size. The Lorentzian profile of backscattered cone indicates the presence of coherence.

Influence of Angle of Air Injection and Particles in Bed Hydrodynamics of Swirling Fluidized Bed

The thesis presented here unveils an experimental study of the hydrodynamic characteristics of swirling fluidized bed viz. pressure drop across the distributor and the bed, minimum fluidizing velocity, bed behaviour and angle of air injection. In swirling fluidized bed the air is admitted to the bed at an angle 'Ѳ' to the horizontal. The vertical component of the velocity v sin Ѳ causes fluidization and the horizontal component v cos Ѳ contributes to swirl motion of the bed material.The study was conducted using spherical particles having sizes 3.2 mm, 5.5 mm & 7.4 mm as the bed materials. Each of these particles was made from high density polyethylene, nylon and acetal having relative densities of 0.93, 1.05 and 1.47 respectively.The experiments were conducted using conidour type distributors having four rows of slits. Altogether four distributors having angles of air injection (Φ)- 0°, 5°, 10° & 15° were designed and fabricated for the study. The total number of slits in each distributor was 144. The area of opening was 6220 mm2 making the percentage area of opening to 9.17. But the percentage useful area of opening of the distributor was 96.The experiments on the variation of distributor pressure drop with superficial velocity revealed that the distributor pressure drop decreases with angle of air injection. Investigations related to bed hydrodynamics were conducted using 2.5 kg of bed material. The bed pressure drop measurements were made along the radial direction of the distributor at distances of 60 mm, 90 mm, 120 mm & 150 mm from the centre of the distributor. It was noticed that after attaining minimum fluidizing velocity, the bed pressure drop increases along the radial direction of the distributor. But at a radial distance of 90 mm from the distributor centre, after attaining minimum fluidizing velocity the bed pressure drop remains almost constant. It was also observed that the bed pressure drop varies inversely with particle size as well as particle density.An attempt was made to determine the effect of various parameters on minimum fluidizing velocity. It was noticed that the minimum fluidizing velocity varies directly with angle of air injection (Φ), particle size and particle density.The study on the bed behaviour showed that the superficial velocity required for initiating various bed phenomena (such as swirl motion and separation of particles from the cone at the centre) increase with increase in particle size as well as particle density. It was also observed that the particle size and particle density directly influence the superficial velocity required for various regimes of bed behaviour such as linear variation of bed pressure drop, constant bed pressure drop and sudden increase or decrease in bed pressure drop.Experiments were also performed to study the effect of angle of air injection (Φ). It was noticed that the bed pressure drop decreases with angle of air injection. It was also noticed that the angle of air injection directly influence the superficial velocity required for initiating various bed phenomena as well as the various regimes of bed behaviour.

Aqueous Sol-gel Process for Nanocrystalline Photocatalytic Titania, Transparent Functional Coatings and Ceramic Membrane

The present thesis develops from the point of view of titania sol-gel chemistry and an attempt is made to address the modification of the process for better photoactive titania by selective doping and also demonstration of utilization of the process for the preparation of supported membranes and self cleaning films.A general introduction to nanomaterials, nanocrystalline titania and sol-gel chemistry are presented in the first chapter. A brief and updated literature review on sol-gel titania, with special emphasis on catalytic and photocatalytic properties and anatase to rutile transformation are covered. Based on critical assessment of the reported information the present research problem has been defined.The second chapter describes a new aqueous sol-gel method for the preparation of nanocrystalline titania using titanyl sulphate as precursor. This approach is novel since no earlier work has been reported in the same lines proposed here. The sol-gel process has been followed at each step using particle size, zeta potential measurements on the sol and thermal analysis of the resultant gel. The prepared powders were then characterized using X-ray diffraction, FTIR, BET surface area analysis and transmission electron microscopy.The third chapter presents a detailed discussion on the physico-chemical characterization of the aqueous sol-gel derived doped titania. The effect of dopants such as tantalum, gadolinium and ytterbium on the anatase to rutile phase transformation, surface area as well as their influence on photoactivity is also included. The fourth chapter demonstrates application of the aqueous sol-gel method in developing titania coatings on porous alumina substrates for controlling the poresize for use as membrane elements in ultrafiltration. Thin coatings having ~50 nm thickness and transparency of ~90% developed on glass surface were tested successfully for self cleaning applications.