Self-assembly and adsorption of cetyltrimethylammonium bromide and didodecyldimethylammonium bromide surfactants at the mica-water interface

The self-assembly and adsorption of the surfactants cetyltrimethylammonium bromide (CTAB) and didodecyldimethylammonium bromide (DDAB) at the muscovite mica-water interface are studied using molecular-dynamics simulations. Adsorption takes place by an ion-exchange mechanism, in which K+ ions are replaced by the organic alkylammonium cations from the solution. Simulations are performed with and without the surface K+ ions, with pure water, and with the surfactants in aqueous solution. CTAB and DDAB form micellar structures in bulk solution, and in the absence of the surface K+ ions, they quickly adsorb and form bilayer structures. The bilayer ordering of CTAB is not perfect, and there is a competition with the formation of cylindrical micelles. DDAB, on the other hand, forms a well-ordered bilayer structure, with the innermost layer showing strong orientational ordering, and the outermost layer being more disordered. The simulations with pure water highlight the molecular ordering and strong electrostatic interactions with the mica-surface atoms. Using simulated scattering length density profiles, the results are compared directly and critically with existing neutron reflectivity measurements. The simulation results are generally consistent with experiments, and yield new insights on the molecular-scale ordering at the mica-water interface.G. T. was supported by a PhD studentship from BP Castrol [Research Agreement GPTL/92534(2)]. Access to the BP High Performance Computing Facility in Houston, Texas is gratefully acknowledged. F. J. A. was supported by EPSRC and BP plc (RG8620)

Short-Cut Models Based On Molecular Structure for Life Cycle Impact Assessment of Biorefinery Products

76 σ.Η βιομάζα αποτελεί μία από τις πιο διαδεδομένες μορφές ανανεώσιμης ενέργειας σήμερα σε παγκόσμιο επίπεδο. Χάρη στην τεχνολογική πρόοδο των τελευταίων ετών, διαθέτει εξαιρετικές προοπτικές ώστε να καλύψει μελλοντικά ένα σημαντικό κομμάτι της ενεργειακής παραγωγής. Ο περιβαλλοντικός αντίκτυπος των προιόντων από βιομάζα είναι δυνατόν να ποσοτικοποιηθεί και να εκτιμηθεί μέσω της Ανάλυσης Κύκλου Ζωής (ΑΚΖ), η οποία είναι μια μεθοδολογία που υπολογίζει μεγέθη όπως η κατανάλωση ενέργειας και η εκπομπή διοξειδίου του άνθρακα. Η εφαρμογή της στην βιομηχανία γίνεται ολοένα και ευρύτερη καθώς προσφέρει πολύτιμες πληροφορίες σχετικά με τις επιπτώσεις ενός συστήματος στο περιβάλλον. Στα βιοδιυλιστήρια, ο μεγάλος αριθμός διεργασιών και η έλλειψη πληροφοριών δεν επιτρέπει την αναλυτική μελέτη κάθε διεργασίας ξεχωριστά, με αποτέλεσμα να δημιουργείται ανάγκη εκτίμησης των περιβαλλοντικών επιπτώσεων σε ένα ευρύ φάσμα διεργασιών για την αποτελεσματικότερη διαχείρισή τους. Στην παρούσα διπλωματική εργασία αναπτύσσεται ένα μαθηματικό μοντέλο, στο οποίο γίνεται εκτίμηση περιβαλλοντικών μεγεθών (Αθροιστική Απαίτηση Ενέργειας (Cumulative Energy Demand (CED), Δυναμικό Παγκόσμιας Υπερθέρμανσης (Global Warming Potential (GWP), Δείκτης Eco-Indicator99), που σχετίζονται άμεσα με την Ανάλυση Κύκλου Ζωής. Σκοπός είναι να συσχετιστούν τα μεγέθη αυτά με χαρακτηριστικά της μοριακής δομής των προιόντων, π.χ μοριακό βάρος, αριθμός ατόμων κλπ., ώστε γνωρίζοντας το προιόν και κάποια βασικά στοιχεία της διεργασίας, να είναι δυνατό να γίνει σε πρώιμο στάδιο μία γρήγορη εκτίμηση των επιπτώσεών της στο περιβάλλον. Τα αποτελέσματα που παράγονται από το μοντέλο συγκρίνονται με αντίστοιχα από βάσεις δεδομένων (π.χ EcoInvent), οι οποίες διαθέτουν τιμές για τα περιβαλλοντικά μεγέθη που εκτιμώνται από το μοντέλο. Ακολουθούν αξιολόγηση και συμπεράσματα σχετικά με τα αποτελέσματα και της αξιοπιστία τους, αλλά και την σημασία της συσχέτισης μεταξύ μοριακής δομής και περιβαλλοντικών επιπτώσεων. Τα αποτελέσματα που προέκυψαν αποδεικνύουν την ύπαρξη συσχέτισης ανάμεσα στις δομικές και τις σχετικές με την διεργασία πληροφορίες και τα εξεταζόμενα μεγέθη ΑΚΖ, κάτι που ανοίγει τον δρόμο για μια γρήγορη και αξιόλογη εκτίμηση των περιβαλλοντικών επιπτώσεων σε ένα σύστημα. Το μοντέλο που κατασκευάστηκε προσφέρει την δυνατότητα πρόβλεψης των μεγεθών ΑΚΖ για ένα μεγάλο εύρος διεργασιών από βιομάζα, συμβάλλοντας στην εξοικονόμηση χρόνου και στην έυστοχη λήψη αποφάσεων στον σχεδιασμό.Biomass is one of the most widespread forms of renewable energy in the world today. Thanks to the latest technological advancements, it has an excellent potential to cover a substantial percentage of the total energy production. The environmental footprint of the biomass-based products can be quantified and estimated via the Life Cycle Analysis, which is a methodology that calculates impacts such as the cumulative energy demand and the environmental releases. The use of the methodology in industry is becoming more popular, as it provides valuable information about the effect of a system on the environment. In biorefineries, the large amount of processes and lack of information don’t allow the systematic analysis of each process separately, which leads to the need of prediction of the environmental impacts of a wide range of processes for a more efficient approach. In the present thesis a mathematical model is developed , which estimates environmental impacts such as the Cumulative Energy Demand (CED), the Global Warming Potential (GWP) and the EcoIndicator99, which are directly related to the Life Cycle Analysis. The ultimate purpose is to correlate those impacts with characteristics of the molecular structure of the bioproducts, e.g. the molecular weight, the number of atoms etc, so that by knowing the product and some basic elements of the process, it will be possible to generate in an early stage, a quick prediction of the product’s environmental effect. The results that are produced by the model, are compared to corresponding values from relevant databases (e.g. EcoInvent). The model is evaluated and conclusions are reached about the results and their credibility, as well as the significance of the connection between the molecular structure and the LCA impacts. The outcome proves the existence of a linear correlation between the molecular structure and the process elements with the LCA impacts, which creates an opportunity for a quick and reliable prediction of the environmental impacts in a system. The generated model offers the ability to predict the LCA impacts for a wide range of biomass-oriented processes, thus contributing to quicker and more accurate decisions in the process design.Γεωργία Κ.Τσαγκαροπούλο