Advanced

Nuclear magnetic resonance studies of water self-diffusion in porous systems

Topgaard, Daniel LU (2003)
Abstract (Swedish)
Popular Abstract in Swedish

Ett poröst material är ett material med hålrum fyllda av gas eller vätska. Transport av molekyler genom ett poröst material beror på materialets struktur och har betydelse för områden som oljeutvinning, katalytisk avgasrening och blöjors uppsugningsförmåga.



Porösa material vars struktur förändras beroende på vattenhalt är svåra att studera eftersom många av de traditionella metoderna endast går att använda på torra prover. Kärnmagnetisk resonans är en teknik som är väl lämpad för att studera material som är fyllda med vatten och andra vätskor. Metoden bygger på att vissa atomkärnor uppför sig som små magneter vars riktning kan manipuleras med hjälp av stora yttre magneter och... (More)
Popular Abstract in Swedish

Ett poröst material är ett material med hålrum fyllda av gas eller vätska. Transport av molekyler genom ett poröst material beror på materialets struktur och har betydelse för områden som oljeutvinning, katalytisk avgasrening och blöjors uppsugningsförmåga.



Porösa material vars struktur förändras beroende på vattenhalt är svåra att studera eftersom många av de traditionella metoderna endast går att använda på torra prover. Kärnmagnetisk resonans är en teknik som är väl lämpad för att studera material som är fyllda med vatten och andra vätskor. Metoden bygger på att vissa atomkärnor uppför sig som små magneter vars riktning kan manipuleras med hjälp av stora yttre magneter och radiovågor. Dessa verktyg kan användas för att undersöka molekylers struktur, samt även för att magnetiskt märka molekyler och mäta deras position eller förflyttning.



Molekyler i gaser och vätskor är i ständig slumpmässig rörelse, en process som kallas diffusion efter latinets diffundo - sprida. Om molekylerna rör sig utan att stöta på några hinder kan deras utbredning beskrivas med en diffusionskoefficient vars värde beror på hur långt molekylerna sprider sig under en viss tid. Vattenmolekyler i flytande vatten förflyttar sig i genomsnitt cirka 0,1 mm under 1 s vid rumstemperatur. Genom att mäta hur långt molekyler som befinner sig i ett poröst material kan röra sig under en given tid får man information om materialets struktur. Diffusion genom ett poröst nätverk kan också beskrivas med en diffusionskoefficent, men denna är mindre än värdet för fritt vatten. Minskningen beror på materialets genomsläpplighet för vatten. Denna parameter är värdefull för att kunna förutsäga hur lätt eller svårt vatten och andra små molekyler kan ta sig genom materialet.



Mitt arbete har gått ut på att vidareutveckla kärnmagnetisk resonans för undersökning av porösa material och utveckla metoder för att analysera experimenten. Speciell vikt har lagts på vattendiffusion i cellulosafibrer. Denna har betydelse för torkning av papper under papperstillverkning, papprets barriäregenskaper och upptagning av färg vid tryckning.



En cellulosafiber i ett pappersark ser ut som en tilltryckt slang med en tjocklek på ungefär 0,05 mm. Fiberväggen består av en sammanflätad massa av stavformade mikrofibriller som har en tjocklek på cirka 10 nanometer (miljarddels meter). Mikrofibrillerna är i huvudsak riktade längs med fibern. Vatten fyller ut mellanrummen mellan mikrofibrillerna. Blekt papper består så gott som uteslutande av cellulosa.



Ett antal olika tekniker föreslås för att kunna mäta fiberns fukthalt, om vattnet är inuti eller utanför fibern samt vattnets diffusion genom fiberväggen. Dessa tekniker är användbara även för andra system bestående av vatten i ett fast material av t ex stärkelse eller protein.



Experimenten visar att vatten kan röra sig genom fiberväggen med en hastighet som beror starkt på fukthalten – ju högre vattenhalt, desto lättare har vattnet att förflytta sig eftersom porerna blir större och ”flaskhalsar” mellan mikrofibrillerna öppnas upp. Vattnet rör sig lättare längs med fibern beroende på mikrofibrillernas orientering.



Om man lägger en bit blött papper i frysen blir vattnet till is. Sedan länge är det känt att en ansenlig mängd vatten som finns inuti de små hålrummen i fiberväggen inte fryser utan fortfarande existerar som vätska. Mina experiment utförda vid temperaturer under fryspunkten visar att det ”ofrusna” vattnet fortfarande kan förflytta sig genom fiberväggen. Utifrån denna observation är det troligt att detta vatten existerar som en tunn film mellan mikofibriller och is som bildats inuti fibern. Genom detta tunna skikt kan vattnet förflytta sig genom hela fiberväggen. Förståelse för hur vatten uppför sig vid låga temperaturer har praktisk betydelse för bevarande av mat genom djupfrysning och hur köldskador uppstår i byggnadsmaterial och vägar. Det uppmätta värdet på diffusionskoefficienten ger information om materialets struktur. (Less)
Abstract
Proton nuclear magnetic resonance (NMR) was used to study the self-diffusion of water in porous systems that respond to a change in water content in order to elucidate the porous structure and the properties of the confined water.



In the carbohydrate systems cellulose fibers and starch granules, water is free to move throughout the porous objects, albeit with a rate reduced from the value of the bulk liquid, The reduction is related to the tortuosity of the pore space filled by water. A decrease of water content leads to a contraction of the porous network and an increased tortuosity. The anisotropic arrangement of the structural elements leads to an anisotropic water diffusion which can be quantified using high-quality... (More)
Proton nuclear magnetic resonance (NMR) was used to study the self-diffusion of water in porous systems that respond to a change in water content in order to elucidate the porous structure and the properties of the confined water.



In the carbohydrate systems cellulose fibers and starch granules, water is free to move throughout the porous objects, albeit with a rate reduced from the value of the bulk liquid, The reduction is related to the tortuosity of the pore space filled by water. A decrease of water content leads to a contraction of the porous network and an increased tortuosity. The anisotropic arrangement of the structural elements leads to an anisotropic water diffusion which can be quantified using high-quality NMR self-diffusion data and an adequate model for data analysis. Experiments performed at temperatures below the bulk freezing point showed that nonfreezing water exists as object-spanning films with a thickness of at least a few molecular diameters. Cross relaxation between protons in liquid and solid domains was found to be crucial for the interpretation of the diffusion data.



A technique to extend the range of experimental time scales for diffusion was demonstrated on a concentrated water-in-oil emulsion. A numerical method to compare experimental frequency-domain and theoretical time-domain apparent diffusion coefficients was proposed.



The Fourier relation between the signal obtained with the NMR self-diffusion experiment and the structure of the pore occupied by water was utilized for a model system consisting of a single water film. Methods analogous to the interpretation of X-ray diffraction data was used for the retrieval of the pore shape from the experimental data. (Less)
Please use this url to cite or link to this publication:
author
opponent
  • Prof Kimmich, Rainer, Sektion Kernresonanzspektroskopie, Ulm University, Germany
organization
publishing date
type
Thesis
publication status
published
subject
keywords
diffusion diffraction, nonfreezing, anisotropy, tortuosity, cross relaxation, emulsion, starch, cellulose, porous material, water, NMR, self-diffusion, Physical chemistry, Fysikalisk kemi
pages
132 pages
publisher
Daniel Topgaard, Center for Chemistry and Chemical Engineering, Physical Chemistry 1, Lund University
defense location
Lecture Hall A, Center for Chemistry and Chemical Engineering, Lund
defense date
2003-02-28 10:15
ISBN
91-628-5525-5
language
English
LU publication?
yes
id
31a3d5fe-09e1-4d52-9ce8-d18a24c0bc84 (old id 465460)
date added to LUP
2007-10-14 14:39:18
date last changed
2016-09-19 08:45:13
@phdthesis{31a3d5fe-09e1-4d52-9ce8-d18a24c0bc84,
  abstract     = {Proton nuclear magnetic resonance (NMR) was used to study the self-diffusion of water in porous systems that respond to a change in water content in order to elucidate the porous structure and the properties of the confined water.<br/><br>
<br/><br>
In the carbohydrate systems cellulose fibers and starch granules, water is free to move throughout the porous objects, albeit with a rate reduced from the value of the bulk liquid, The reduction is related to the tortuosity of the pore space filled by water. A decrease of water content leads to a contraction of the porous network and an increased tortuosity. The anisotropic arrangement of the structural elements leads to an anisotropic water diffusion which can be quantified using high-quality NMR self-diffusion data and an adequate model for data analysis. Experiments performed at temperatures below the bulk freezing point showed that nonfreezing water exists as object-spanning films with a thickness of at least a few molecular diameters. Cross relaxation between protons in liquid and solid domains was found to be crucial for the interpretation of the diffusion data.<br/><br>
<br/><br>
A technique to extend the range of experimental time scales for diffusion was demonstrated on a concentrated water-in-oil emulsion. A numerical method to compare experimental frequency-domain and theoretical time-domain apparent diffusion coefficients was proposed.<br/><br>
<br/><br>
The Fourier relation between the signal obtained with the NMR self-diffusion experiment and the structure of the pore occupied by water was utilized for a model system consisting of a single water film. Methods analogous to the interpretation of X-ray diffraction data was used for the retrieval of the pore shape from the experimental data.},
  author       = {Topgaard, Daniel},
  isbn         = {91-628-5525-5},
  keyword      = {diffusion diffraction,nonfreezing,anisotropy,tortuosity,cross relaxation,emulsion,starch,cellulose,porous material,water,NMR,self-diffusion,Physical chemistry,Fysikalisk kemi},
  language     = {eng},
  pages        = {132},
  publisher    = {Daniel Topgaard, Center for Chemistry and Chemical Engineering, Physical Chemistry 1, Lund University},
  school       = {Lund University},
  title        = {Nuclear magnetic resonance studies of water self-diffusion in porous systems},
  year         = {2003},
}