Autoreferat. wraz z opisem osiągnięcia i wykazem prac stanowiących jednotematyczny cykl publikacji. Załącznik 2

Transkrypt

1 Autoreferat wraz z opisem osiągnięcia i wykazem prac stanowiących jednotematyczny cykl publikacji Załącznik 2 do wniosku o przeprowadzenie postępowania habilitacyjnego z obszaru dziedziny nauk technicznych w dyscyplinie naukowej inżynieria chemiczna dr inż. Jakub M. Gac Politechnika Warszawska Wydział Inżynierii Chemicznej i Procesowej ul. Waryńskiego Warszawa tel.: j.gac@ichip.pw.edu.pl 25 listopada 2016

2 1. Imię i Nazwisko: Jakub Maksymilian Gac 2. Posiadane dyplomy, stopnie naukowe magister inżynier fizyki, 2005 r., Politechnika Warszawska, Wydział Fizyki magister inżynier inżynierii chemicznej i procesowej, 2006 r., Politechnika Warszawska, Wydział Inżynierii Chemicznej i Procesowej doktor nauk fizycznych, 2009 r., Politechnika Warszawska, Wydział Fizyki; tytuł rozprawy doktorskiej: Wpływ zaburzeń o wybranych własnościach statystycznych na przejścia chaotyczne w układach dynamicznych 3. Informacje o dotychczasowym zatrudnieniu w jednostkach naukowych Od roku 2010 do chwili obecnej jestem zatrudniony na stanowisku adiunkta (na etacie naukowodydaktycznym) na Wydziale Inżynierii Chemicznej i Procesowej Politechniki Warszawskiej. 4. Praca zawodowa i działalność naukowo-badawcza 4.1. Praca zawodowa i działalność naukowo-badawcza przed uzyskaniem stopnia doktora nauk fizycznych W czerwcu 2005 roku ukończyłem z wyróżnieniem studia magisterskie na Wydziale Fizyki Politechniki Warszawskiej (rozpoczęte w październiku 2000 roku), na kierunku fizyka techniczna. Rok później, w czerwcu 2006 roku ukończyłem, również z wyróżnieniem, studia magisterskie na Wydziale Inżynierii Chemicznej i Procesowej Politechniki Warszawskiej (rozpoczęte w październiku 2001 roku jako studia równoległe) na kierunku inżynieria chemiczna i procesowa. W obu przypadkach, praca dyplomowa miała charakter teoretyczno-obliczeniowy. Na Wydziale Fizyki zajmowałem się intermitencją w niestacjonarnych układach dynamicznych. Pojęcie to wywodzi się z teorii przepływów burzliwych i oznacza skłonność układu (na ogół nieliniowego) do przechodzenia przez fazy o różnej dynamice (np. periodycznej i chaotycznej), a okresy trwania poszczególnych faz są mniej lub bardziej losowe. W ramach tej pracy określiłem, w jaki sposób zmiany wartości parametrów układu (zarówno regularne okresowe, jak i nieregularne losowe) wpływają na charakterystykę zjawiska intermitencji (a zatem, przede wszystkim, rozkład długości poszczególnych faz). Wykazałem, że periodyczne zmiany parametru kontrolnego mogą całkowicie zmieniać rozkład faz układów z intermitencją, a w niektórych przypadkach nawet wymuszać zachowanie ściśle periodyczne. Na tej podstawie sformułowałem teoretyczne podstawy nowej metody kontroli chaosu, całkowicie odmiennej od powszechnie znanej metody Otta-Grbogi-Yorke a. Efektem moich badań była praca magisterska pt. Intermitencja w układach złożonych (promotor: prof. dr hab. Jan J. Żebrowski); wyniki zostały też przedstawione w pracy [C16]. Na Wydziale Inżynierii Chemicznej i Procesowej moje badania dotyczyły zjawiska resuspensji, tj. porywania nieruchomych początkowo cząstek przez przepływający strumień gazu. Zjawisko to jest powszechnie wykorzystywane np. w inhalatorach, do wytwarzania aerozoli leczniczych. Przeprowadzone przeze mnie obliczenia wykazały znaczną poprawę efektywności resuspensji zachodzącą w wyniku wywołania burzliwości przepływu gazu przez zastosowanie promotorów burzliwości. W celu numerycznego opisania przepływu burzliwego w komorze inhalatora, wykorzystałem metodę cząstek wirowych (vortex particle method), natomiast do opisu dynamiki cząstek aerozolowych zmodyfikowany algorytm Verleta (wprowadzona przeze mnie modyfikacja pozwoliła uwzględnić istnienie siły tłumiącej, podczas gdy oryginalny algorytm Verleta znajduje zastosowanie jedynie do układów, w których zachowana jest energia mechaniczna). Wyniki moich

3 obliczeń zostały opisane w pracy magisterskiej pt. Modelowanie resuspensji cząstek ze struktur proszkowych (promotor: prof. dr hab. Leon Gradoń) oraz w artykule [C13]. Po ukończeniu studiów magisterskich na Wydziale Fizyki (a na rok przed ukończeniem studiów na Wydziale Inżynierii Chemicznej i Procesowej) rozpocząłem studia doktoranckie na Wydziale Fizyki w Zakładzie Dynamiki Układów Złożonych pod kierunkiem prof. dr. hab. Jana J. Żebrowskiego. Moje badania dotyczyły wpływu zaburzeń stochastycznych na przejścia chaotyczne różnego typu; obok wspomnianej wyżej intermitencji rozważałem też kaskadę podwajania okresu oraz kryzysy atraktorów chaotycznych w obecności szumu. Motywacją do prac w tym temacie były obserwacje interesujących zjawisk w danych medycznych (dane z EKG), które pojawiały się przy określonych stanach chorobowych. W ramach pracy nad doktoratem opisałem Wyniki mojej pracy w tym okresie zostały przedstawione w rozprawie doktorskiej pt. Wpływ zaburzeń o wybranych własnościach statystycznych na przejścia chaotyczne w układach dynamicznych oraz w artykułach [C11, C12, C14, C15]. Równocześnie, kontynuowałem współpracę z zespołem prof. Leona Gradonia z Wydziału Inżynierii Chemicznej i Procesowej. Tematyka, którą się zajmowałem, dotyczyła filtracji aerozoli ciekłych. Przy pomocy obliczeń numerycznych wyznaczyłem początkową sprawność filtrów włókninowych o różnych charakterystykach (rozkład średnicy włókien, porowatość). Zbadałem również, na ile istotne są procesy koalescencji kropel swobodnych podczas takiej filtracji Praca zawodowa i działalność naukowo-badawcza po uzyskaniu stopnia doktora nauk fizycznych Po uzyskaniu stopnia doktora w styczniu 2010 roku zostałem zatrudniony na stanowisku adiunkta w Katedrze Inżynierii Procesów Zintegrowanych, kierowanej przez prof. Gradonia. Moje zainteresowania naukowe w tym czasie skupiły się wokół modelowania numerycznego procesów inżynierii chemicznej (filtracja gazów i cieczy, separacja membranowa, suszenie rozpyłowe) oraz zjawisk fizycznych im towarzyszących (koalescencja kropel, restrukturyzacja agregatów cząstkowych oraz depozytów stałych). Równocześnie, we współpracy z zespołem prof. Jana J. Żebrowskiego, kontynuuję prace nad dynamiką układów nieliniowych w obecności wymuszeń stochastycznych Filtracja aerozoli ciekłych na filtrach włókninowych badania doświadczalne i modelowanie numeryczne Od początku nurt mojej pracy naukowej stanowi badanie filtracji aerozoli ciekłych (mgieł). Wydział Inżynierii Chemicznej i procesowej Politechniki Warszawskiej od ponad dwudziestu lat współpracuje, w ramach umowy joint venture, z firmą produkcyjną Amazon Filters (wcześniej Microspun Products) zajmującą się wytwarzaniem filtrów do oczyszczania gazów i cieczy. W ramach współpracy, na podstawie opracowań teoretycznych i projektowych wykonanych pod kierownictwem prof. L. Gradonia, powstała technologia wytwarzania struktur włókninowych w oparciu o metodę rozdmuchu stopionego polimeru (melt-blown). Zależnie od zastosowania i własności fizykochemicznych oczyszczanego medium dobierana jest struktura filtra, definiowana przez lokalne rozkłady porowatości i średnic włókna. W oparciu o te metody powstało szereg wdrożeń produkcji filtrów na skalę przemysłową. Dołączając do zespołu badawczego prof. Gradonia, zająłem się filtracją aerozoli ciekłych. Było to w momencie wdrażania przez firmę Cummins (USA) produkcji koalescerów opracowanych przez zespół Katedry Procesów Zintegrowanych, w której zostałem zatrudniony. Od tego czasu zostałem włączony w nurt badawczy i ścisłą współpracę z firmą Amazon. Został mi powierzony obszar badawczy związany z analizą elementarnych zjawisk w procesie przepływu i depozycji obiektów o różnej morfologii (przede wszystkim kropel cieczy) przez struktury włókninowe. Moje badania mają na celu opracowanie teoretyczne i weryfikację zjawisk elementarnych składających się na proces separacji. Na podstawie wyników tych badań następuje modyfikacja technologii prowadząca do powstawania nowych produktów konkurencyjnych na rynku filtracji. Początkowo, w ramach mojej pracy skupiałem się w dalszym ciągu na teoretycznym i numerycznym opisie zjawiska koalescencji kropel, kontynuując tematykę rozpoczętą przed uzyskaniem stopnia

4 doktora. Następnie, rozszerzyłem swoje prace o analizę innych zjawisk mikroskopowych towarzyszących filtracji aerozoli ciekłych. W końcu, przystąpiłem do tworzenia całościowego modelu filtracji, pozwalającego przewidzieć zmiany sprawności filtracji i oporów przepływu gazu przez filtr w trakcie jego pracy. Sformułowany przeze mnie model uzależnia te wielkości od parametrów charakteryzujących filtr porowatości i średniej średnicy włókien. Prace poświęcone temu zagadnieniu weszły w skład jednotematycznego cyklu publikacji. Wyniki w nich opisane zostaną szerzej przedstawione w rozdziale Modelowanie numeryczne suszenia rozpyłowego roztworów wieloskładnikowych oraz suszenia kropel osadzonych na powierzchniach stałych Celem tego zadania było określenie morfologii oraz budowy cząstek otrzymywanych metodą suszenia rozpyłowego roztworu wieloskładnikowego. W tym celu sformułowałem model numeryczny suszenia pojedynczej kropli takiego roztworu. Problem jest bardzo złożony, gdyż opis tego zjawiska obejmuje nie tylko transport masy i ciepła wewnątrz kropli oraz między kroplą a otaczającym ją gazem suszącym, lecz także zmianę średnicy suszonej kropli (co oznacza także zmianę warunków brzegowych) oraz formowanie się w drugim etapie suszenia stałej skorupki (crust) na skutek wytrącania się ciała stałego z roztworu w pobliżu powierzchni kropli. W celu rozwiązania tak postawionego problemu, zastosowałem model powłokowy, zaproponowany w swojej wstępnej formie przez Parientę i in. (J. Aerosol Sci. 42 (2011) 1), który zmodyfikowałem tak, aby uwzględniał powstawanie stałej powłoki w drugim etapie suszenia. Oryginalny model powłokowy opierał się na podziale suszonej kropli na powłoki o kształcie współśrodkowych sfer (najbardziej wewnętrzna powłoka posiada kształt pełnej sfery) i opisie transportu masy i ciepła pomiędzy tymi powłokami. W trakcie symulacji nie zmienia się ilość powłok, zmieniają się natomiast ich rozmiary (grubość), co pozwala opisać zmiany średnicy suszonej kropli. W moich pracach zmodyfikowałem ten model poprzez uwzględnienie powstawania stałej powłoki w momencie, gdy stężenie jednego ze składników przekracza stężenie nasycenia. Powoduje to zmniejszenie w dalszej części symulacji liczby rozważanych powłok o jedną. Ponadto, należy też uwzględnić zmianę mechanizmu transportu masy (par rozpuszczalnika) od powierzchni kropli do otaczającego gazu - po powstaniu stałej powłoki mechanizmem tym jest dyfuzja par przez ośrodek porowaty. Wyniki symulacji numerycznych pozwoliły na wyznaczenie czasu suszenia, wielkości powstających cząstek oraz ich struktury (budowa wewnętrzna występowanie lub brak segregacji przestrzennej składników) od parametrów procesu. Otrzymane rezultaty zostały zweryfikowane doświadczalnie w pracach dr. inż. Marcina Odziomka. Następnym etapem pracy było sformułowanie opisu numerycznego suszenia kropli osadzonej na płaskiej powierzchni. Wyniki eksperymentów, ale również obserwacje z życia codziennego pokazują, że w wyniku suszenia takiej kropli substancja stała wytrąca się przede wszystkim w pobliżu krawędzi kropli osadzonej. Prowadzi to np. do powstania charakterystycznych pierścieni kawowych (coffee ring) w miejscach, gdzie kawa została przypadkiem rozlana na stół. Niekiedy jednak (w przypadku, gdy substancja rozpuszczona charakteryzuje się stosunkowo dużym współczynnikiem dyfuzji) suszenie kropli osadzonej prowadzi do powstania depozytu w pobliżu centrum kropli. W celu opisu numerycznego takiego zjawiska, zaproponowałem model analogiczny do modelu powłokowego, w którym kropla została podzielona na elementy w kształcie współśrodkowych wydrążonych walców. Wyniki symulacji suszenia kropel zostały przedstawione w pracach [C9, D2, D5, D7] Modelowanie numeryczne przepływu wody w korytach otwartych W ramach tego zagadnienia zbadałem przydatność modelu gazu sieciowego Boltzmanna do modelowania przepływu wody w korytach otwartych (kanały, rowy melioracyjne, naturalne cieki wodne) porośniętych roślinnością. Celem obliczeń numerycznych było wyznaczenie oporów przepływu w takim korycie oraz rozkładu prędkości. Najpopularniejsze obecnie stosowane modele opierają się na prostym bilansie sił działających na rozpatrywany element płynu. Do opisu burzliwości (w warunkach

5 rzeczywistych przepływ w korycie otwartym jest zawsze przepływem burzliwym) wykorzystuje się w tych modelach prosty opis zero-równaniowy, np. model drogi mieszania Prandtla. Tak sformułowane modele są najczęściej jednowymiarowe, a zatem nie uwzględniają wpływu przekroju poprzecznego koryta na rozkład prędkości wody i opory przepływu. W celu sformułowania pełniejszego opisu przepływu wody w korytach otwartych, zaproponowałem metodę gazu sieciowego Boltzmanna. Burzliwość przepływu została uwzględniona przy pomocy metody symulacji wielkowirowych (large eddy simulation, LES). Ten opis burzliwości doskonale nadaje się do włączenia do modelu gazu sieciowego, co wykazała w swojej pracy doktorskiej M. Fernandino (Experimental and numerical characterization of turbulence structure in stratified horizontal air water in stratified horizontal air water duct flow, Norwegian University of Science and Technology, Trondheim, Norwegia, 2006). W pierwszych symulacjach starałem się dokładnie odwzorować zarówno kształt koryta, jak i kształt łodyg roślin rosnących w korycie cieku. Uzyskane wyniki pozostawały w bardzo dobrej zgodności zarówno z wynikami doświadczeń, jak i z wynikami opisanych wyżej modeli jednowymiarowych. Sformułowana przeze mnie metoda miała ponadto tę przewagę, że pozwoliła na otrzymanie pełnego, dwuwymiarowego rozkładu prędkości w całym przekroju koryta. Umożliwiło także - czego nie umożliwia żaden z modeli jednowymiarowych - uwzględnienie niejednorodności rozmieszczenia roślin w korycie. Istotnym mankamentem takiego modelu jest natomiast ograniczenie wielkości domeny obliczeniowej, spowodowane ograniczeniem ilości węzłów siatki numerycznej przy jednoczesnym warunku określającym minimalną odległość między węzłami jako nie mniejszą niż średnica łodygi roślin. Dlatego w dalszym etapie pracy sformułowałem model mezoskalowy przepływu wody w korycie otwartym. W tym modelu nie rozważa się pojedynczych elementów roślinności, lecz wprowadza się dodatkową siłę działającą na płyn, a pochodzącą od uśrednionego wpływu roślinności w danym obszarze. W ten sposób odległość między sąsiednimi węzłami siatki numerycznej nie musi być współmierna ze średnicą elementów roślinności, lecz z odległością, na której istotnie zmienia się gęstość lub średnia wysokość roślinności lub parametry morfologiczne koryta. Wyniki prac poświęconych modelowaniu przepływu wody w korytach otwartych przy pomocy metody gazu sieciowego Boltzmanna zostały przedstawione w pracach [C6, D1, D6] Rekonstrukcja dynamiki układów nieliniowych z wymuszeniem stochastycznym Tę tematykę rozwijam we współpracy z zespołem prof. J.J. Żebrowskiego z Wydziału Fizyki PW. Nowym zagadnieniem, którym się zająłem w ramach tej współpracy, był problem wyznaczania poziomu i charakteru szumu w układach nieliniowych z czasem dyskretnym. W tym celu, wspólnie z dr inż. Moniką Petelczyc z Wydziału Fizyki, opracowaliśmy metodę rekonstrukcji dyskretnego równania Langevina na podstawie danych eksperymentalnych. Metody rekonstrukcji klasycznego równia Langevina (tj. z czasem ciągłym) postaci: gdzie f i g oznaczają pewne funkcje zmiennej x, natomiast - szum nieskorelowany o przyrostach niezależnych, zostały opracowane przez Kuuselę (Phys. Rev E 69, (2004) ), a następnie rozwinięte m. in. przez dr Petelczyc, która zastosowała je do danych medycznych (analiza zmienności rytmu serca). Należy jednak zauważyć, że często wyniki pomiarów powinny być traktowane nie jako ciągłe funkcje czasu x(t), lecz jako dyskretne szeregi czasowe x, gdzie n oznacza numer kolejnego wyrazu szeregu (wyniku pomiaru) i może przyjmować jedynie wartości całkowite. Przykładem takiego szeregu, wywodzącego się z wyników pomiaru, jest szereg utworzony przez kolejne interwały RR z zapisu elektrokardiogramu serca. Załamek R jest najbardziej charakterystycznym i najłatwiejszym do zidentyfikowania elementem sygnału EKG, dlatego odległości pomiędzy kolejnymi załamkami są powszechnie używane jako miara zmienności rytmu serca. Dyskretny odpowiednik równania (4.1) przyjmuje zaproponowaną przez nas postać: n

6 Sposób wyznaczania postaci funkcji został szczegółowo opisany w pracy [C10]. Wykazaliśmy tam, że wyrażenia opisujące te funkcje przyjmują postać: Wyniki uzyskane w toku tych prac zostały przedstawione w publikacjach [C10, D3] Pozostałe zainteresowania naukowe Pozostałe zainteresowania naukowe obejmują zagadnienia modelowania numerycznego innych zjawisk występujących w inżynierii chemicznej oraz dziedzinach pokrewnych: selektywne przenikanie substancji przez membrany polimerowe, restrukturyzację agregatów złożonych z mikrocząstek, depozycję bakterii na powierzchniach stałych itp. Modelowaniem przenikania substancji przez membrany polimerowe zainteresowałem się w związku z pracami doświadczalnymi dr inż. Marty Bojarskiej, która zauważyła, że membrany polipropylenowe zaszczepione kwasem poliakrylowym wykazują zmienną przepuszczalność wody, zależną od ph roztworu. Aby wytłumaczyć mechanizm tego zjawiska, zaproponowałem model, w którym konformacja łańcuchów kwasu poliakrylowego, obecnego na powierzchni membrany oraz częściowo na ściankach porów zależy od ph roztworu, w którym zanurzona jest membrana. Rzeczywiście, wyższa wartość ph sprzyja jonizacji grup karboksylowych w łańcuchach kwasu poliakrylowego i tym samym prowadzi do rozprostowywania tych łańcuchów. Rozprostowane łańcuchy utrudniają transport wody przez pory membrany, co skutkuje spadkiem przepuszczalności membrany. Opis matematyczny tego zjawiska pozwolił przewidzieć szczegółowo zależność przepuszczalności membrany od ph roztworu, a uzyskane wyniki zostały z bardzo dobrą dokładnością potwierdzone przez wyniki doświadczeń. Rezultaty powyższych badań zostały przedstawione w pracach [C3, E1]. Badania nad restrukturyzacją agregatów złożonych z mikrocząstek miały na celu określenie, jak zmienia się struktura takiego agregatu pod wpływem pokrywającej go warstewki cieczy. Problem ten pojawił się w związku z badaniami doświadczalnymi zespołu prof. Wolfganga Jeagera z Uniwersytetu w Albercie (Kanada). Naukowcy ci badali wpływ tzw. wtórnych aerozoli atmosferycznych, mających zwykle postać kropel cieczy o stosunkowo dużej lepkości, na strukturę i efektywną wielkość agregatów sadzy, na których się osadzały. Zaproponowany przeze mnie model numeryczny wykazał, że stosunek średnicy aerodynamicznej agregatu na końcu procesu (po restrukturyzacji) oraz na początku ściśle zależy od lepkości cieczy pokrywającej agregat. Na podstawie tych wyników, zespół prof. Jeagera zdołał wyznaczyć wartość lepkości cieczy tworzącej wtórny aerozol atmosferyczny (dokładny skład chemiczny wtórnych aerozoli atmosferycznych do tej pory nie został poznany). Wyniki badań nad restrukturyzacją agregatów, w tym wyniki moich symulacji numerycznych, zostały przedstawione we wspólnym artykule, który obecnie jest rozważany jako publikacja przez redakcję Journal of Aerosol Science. Metodyka opracowana podczas symulacji restrukturyzacji agregatów wielocząstkowych została przeze mnie wykorzystana również do symulacji restrukturyzacji depozytów stałych, formujących się na

7 włóknach filtracyjnych. Motywacją do podjęcia tego tematu były wyniki badań doświadczalnych, jakie przeprowadziliśmy (wspólnie z dr inż. Anią Jackiewicz) nad sekwencyjną filtracją aerozoli stałych i ciekłych na filtrach włókninowych. W ramach tych badań mierzone były zmiany sprawności filtracji aerozoli ciekłych na filtrze obładowanym uprzednio cząstkami stałymi. Okazuje się, że niezależnie od struktury filtra włókninowego (wyrażonej przez jego porowatość i rozkład średnic włókien), w czasie mniejszym, niż godzina od rozpoczęcia jego ekspozycji na aerozol ciekły, obserwuje się dramatyczny spadek sprawności filtracji. W przypadku filtrów nie obładowywanych uprzednio cząstkami stałymi, spadek sprawności w początkowym okresie filtracji również jest na ogół obserwowany, jednak zmiany te nie są aż tak duże, a ponadto obserwowane są one zwykle po kilku godzinach filtracji (przy zbliżonej koncentracji kropel w oczyszczanym gazie). Jako wyjaśnienie obserwowanego zjawiska, zaproponowałem reorganizację (kolaps) depozytów stałych pokrywających włókna filtracyjne. Pod wpływem cienkiej warstwy cieczy, będącej efektem depozycji kropel, owe struktury dendrytyczne przyjmują strukturę bardziej zwartą i tym samym zmniejsza się ich wkład do ogólnej sprawności filtra. Zdjęcia spod mikroskopu elektronowego potwierdziły zaproponowany przeze mnie mechanizm restrukturyzacji depozytów. Wyniki te zostały opublikowane w pracy [C2] Recenzje artykułów naukowych W latach byłem recenzentem manuskryptów zgłoszonych do publikacji w następujących czasopismach: Chemical and Process Engineering (2 manuskrypty), Journal of Hydraulic Research, Industrial and Engineering Chemistry Research, Journal of Fluids and Structures, Colloids and Surfaces A: Physicochemical and Engineering Aspects (2 manuskrypty), Powder Technology, Journal: Journal of Aerosol Science, Applied Mathematical Modelling oraz Chemical Engineering Transaction (3 manuskrypty) Uczestnictwo w projektach naukowo-badawczych Uczestniczyłem w następujących projektach naukowo-badawczych: Grant MNiSW N N Tytuł projektu: Proces wytwarzania i badania własności kompozytowych nośników leków inhalacyjnych. Okres trwania: Wykonawca (matematyczne modelowanie procesu suszenia rozpyłowego) Grant MNiSW N N Tytuł projektu: Proces wytwarzania i badania własności kompozytowych nośników leków inhalacyjnych. Okres trwania: Wykonawca (matematyczne modelowanie procesu suszenia rozpyłowego) Projekt NCBiR Era-Net /MNT/NFSM/1/2001. Tytuł projektu: Koalescencja kropel w strukturach włókninowych. Okres trwania Wykonawca (modelowanie matematyczne procesów filtracji na filtrach o włóknach zmodyfikowanych) Projekt finansowany w ramach Szwajcarsko-Polskiego Programu Współpracy. Tytuł projektu: Novel nanocomposite filter media for adsorption based water treatment Nanosorp. Okres trwania: Wykonawca (modelowanie numeryczne separacji cząstek abiotycznych i bakterii z wykorzystaniem nanokompozytowych materiałów filtracyjnych) Projekt NCBiR LIDER/13/97/L-3/11/NCBR/2012. Tytuł projektu: Nowe metody przygotowywania gazu złożowego do celów technologicznych i dystrybucji w oparciu o nowoczesne materiały filtracyjne. Okres trwania: Wykonawca (matematyczne modelowanie procesów filtracji aerozoli ciekłych i mieszanych, badania doświadczalne filtracji aerozoli ciekłych na filtrach o różnej strukturze) Projekt NCBiR LIDER/011/L-6/NCBR/2015. Tytuł projektu: Odolejanie cieczy i gazów za pomocą materiałów filtracyjnych zmodyfikowanych aerożelem. Okres trwania: Wykonawca (matematyczne modelowanie procesów filtracji, badania doświadczalne filtracji aerozoli ciekłych na filtrach modyfikowanych aerożelem) Współpraca z przemysłem Umowa badawcza z Cummins Filtration (USA) nt. Optimisation technique for filter production and mathematical description of filtration process utilizing lattice-boltzmann models,

8 wykonawca (modelowanie procesu koalescencji i kształtu zdeponowanych kropli, udział w przygotowaniu i wdrożeniu do produkcji filtrów koalescencyjnych do silników Diesla) Umowa z Amazon Filters Poland Obecne badania dotyczą modyfikacji struktury włókien i ich powierzchni, które są wykorzystywane do produkcji koalescerów dla przetwórstwa gazu naturalnego oraz filtrów do oczyszczania wody z uwzględnieniem redukcji efektu biofoulingu. Filtry te są obecnie przedmiotem wdrożenia Podsumowanie całości dorobku publikacyjnego Mój dotychczasowy dorobek obejmuje 54 publikacji naukowych, w tym 47 publikacji po uzyskaniu stopnia doktora. W skład mojego dorobku wchodzą: 1 rozprawa doktorska 1 monografia 20 publikacji w czasopismach uwzględnionych w bazie Journal Citation Report (zsumowany współczynnik impact factor równy 34,424) 9 publikacji w pozostałych czasopismach recenzowanych, uwzględnionych na liście Ministerstwa Nauki i Szkolnictwa Wyższego 5 pełnych tekstów w recenzowanych materiałach konferencyjnych krajowych i zagranicznych 18 wystąpień ustnych na konferencjach krajowych i zagranicznych Według bazy WoS prace były cytowane 80 razy (71 bez autocytowań), a według bazy Scopus 93 razy (82 razy bez autocytowań). Mój indeks Hirscha, według obu baz, wynosi Opis osiągnięcia naukowego stanowiącego podstawę wniosku o przeprowadzenie postępowania habilitacyjnego Za osiągnięcie naukowe, które przedkładam jako podstawę wniosku o przeprowadzenie postępowania habilitacyjnego z obszaru dziedziny nauk technicznych w dyscyplinie naukowej inżynieria chemiczna, w rozumieniu art. 16 ust. 2 z dnia 18 marca 2011 r. o zmianie ustawy "Prawo o szkolnictwie wyższym, ustawy o stopniach naukowych i tytule naukowym oraz o stopniach i tytule w zakresie sztuki oraz o zmianie niektórych innych ustaw" (Dz. U. nr 84, poz. 455) uważam jednotematyczny cykl publikacji pt.: Zjawiska transportu kropel cieczy w strukturach włókninowych w skład którego wchodzi: monografia pt. "Zjawiska transportu kropel cieczy w strukturach włókninowych. Modelowanie procesów dla projektowania filtrów koalescencyjnych", 4 publikacje w czasopismach naukowych uwzględnionych w bazie Journal Citation Reports (JCR): 2 publikacje w innych recenzowanych czasopismach naukowych (uwzględnionych w bazie MNiSW) 1 recenzowany artykuł w komunikacie na konferencję Wykaz publikacji stanowiących osiągnięcie naukowe A. Autorstwo lub współautorstwo w monografii 1. Gac J.M., "Zjawiska transportu kropel cieczy w strukturach włókninowych. Modelowanie procesów dla projektowania filtrów koalescencyjnych", Oficyna Wydawnicza Politechniki Warszawskiej 2016 B. Publikacje w czasopismach naukowych uwzględnionych w bazie Journal Citation Reports

9 2. Gac J. M., Gradoń L., A two-dimensional modeling of binary coalescence time using the twocolor lattice-boltzmann method, Journal of Aerosol Science 2011, 42, , 3. Gac J. M., Gradoń L., Analytical investigation and numerical modeling of collisions between a droplet and a fiber, Journal of Colloid and Interface Science 2012, 369, , 4. Gac J.M., Gradoń L., Modeling of axial motion of small droplets deposited on smooth and rough fiber surfaces, Colloids and Surfaces A: Physicochemical and Engineering Aspects 2012, 414, , 5. Gac J.M., A simple numerical model of pressure drop dynamics during the filtration of liquid aerosols on fibrous filters, Separation Science and Technology 2015, 50(13), , C. Publikacje w innych recenzowanych czasopismach naukowych (uwzględnionych w bazie MNiSW) 6. Gac J.M., Gradoń L., Badanie nieustalonej filtracji aerozoli ciekłych na filtrach włóknistych, Inżynieria i Aparatura Chemiczna 2013, 52(4), , 7. Gac J.M., Paziewska A., Badanie porywania kropel zdeponowanych na włókninowych wkładach filtracyjnych, Inżynieria i Aparatura Chemiczna 2015, 54(3), D. Recenzowany artykuł w materiałach konferencyjnych 8. Gac J.M. Re-entrainment of the droplets during the mist filtration on fibrous filters - experimental and numerical study, Proceedings of 42nd International Conference of Slovak Society of Chemical Engineering, , Tatranské Matliare, Słowacja 5.2. Opis osiągnięcia naukowego Problemy naukowe opisane w pracach zaliczanych do jednotematycznego cyklu publikacji obejmują następujące tematy: A. Dynamika zjawisk mikroskopowych towarzyszących procesowi filtracji aerozoli ciekłych B. Model numeryczny dynamiki sprawności filtracji aerozoli ciekłych na filtrach włókninowych C. Model numeryczny dynamiki oporów przepływu gazu przez filtr włókninowy w różnych etapach filtracji aerozoli ciekłych D. Wykorzystanie wyżej wymienionych modeli do projektowania filtrów włókninowych do aerozoli ciekłych (również o złożonej strukturze) do konkretnych zastosowań przemysłowych. Zasadniczym celem podjętych przeze mnie badań było sformułowanie kompletnego modelu ilościowego opisującego dynamikę sprawności filtracji kropel na filtrach włókninowych oraz spadku ciśnienia, będącego miarą oporów przepływu gazu przez ten filtr. Dość szybko doszedłem do wniosku, że najważniejsze założenia tego modelu muszą wynikać z dynamiki zjawisk mikroskopowych zachodzących podczas procesu filtracji. Dlatego też początkowo skupiłem się na dogłębnym poznaniu tych zjawisk. Wśród nich wyróżniłem następujące zjawiska, mające największy wpływ na proces filtracji: depozycja kropel na włóknach filtracyjnych koalescencja kropel (zarówno zdeponowanych na włóknach, jak i swobodnych ruch kropel zdeponowanych wzdłuż włókna (i związane z nim ociekanie włókien) resuspensja kropel (wtórne przechodzenie kropel do strumienia gazu). Inne zjawiska, które mogą towarzyszyć procesowi filtracji (np. parowanie kropel zdeponowanych lub swobodnych) zostały po wstępnej analizie uznane za mniej istotne od wyżej wymienionych. Zatem podczas konstrukcji modelu numerycznego procesu filtracji rozważałem przede wszystkim własności i dynamikę czterech wymienionych wyżej zjawisk. Sformułowany na ich podstawie model był następnie poddany weryfikacji doświadczalnej w celu oceny zgodności ilościowej pomiędzy wynikami modelowania a zachowaniem rzeczywistych filtrów Numeryczne modelowanie zjawisk mikroskopowych zachodzących podczas filtracji aerozoli ciekłych W celu opisu dynamiki zjawisk mikroskopowych towarzyszących filtracji aerozoli ciekłych, zastosowałem dwukolorowy model gazu sieciowego Boltzmanna. Jest to szczególna odmiana metody

10 gazu sieciowego Boltzmanna, pozwalająca na symulacje zachowania układu zawierającego dwa płyny o ograniczonej mieszalności (w omawianym przypadku ciecz tworząca krople oraz otaczający ją gaz). W równaniu (5.2) oznacza tzw. czas relaksacji, natomiast eq f i - równowagową wartość funkcji rozkładu gęstości prawdopodobieństwa. W dwukolorowym modelu gazu sieciowego Boltzmanna w każdym węźle sieci zdefiniowane są dwa zestawy funkcji gęstości prawdopodobieństwa, reprezentujące dwie fazy płynu (gaz i ciecz lub dwie niemieszające się ciecze). Ich wzajemne oddziaływanie zdefiniowane jest przy pomocy dodatkowego składnika operatora kolizji, uwzględniającego lokalny gradient koloru (związanego z koncentracją obu faz w danym punkcie). Zastosowanie opisanej metody pozwoliło mi na uzyskanie następujących wyników: Depozycja kropel na włóknach filtracyjnych W warunkach typowych dla filtracji mgieł praktycznie każde zderzenie kropli z włóknem prowadzi do depozycji kropli na włóknie. Rozpad kropli w wyniku zderzenia może nastąpić dla liczb Webera znacznie większych od 1, gdy typowa wartość dla przypadku zderzenia kropli z włóknem podczas filtracji jest rzędu 0,001 zatem w opisywanym przypadku może on zostać pominięty. Również deformacja kropel podczas ich ruchu wewnątrz filtra włókninowego praktycznie nie zachodzi. Nawet w bezpośrednim sąsiedztwie włókna, gdzie występuje największa szybkość ścinania, stosunek minimalnego rozmiaru liniowego kropli do maksymalnego jest większy od 0,95, co oznacza, że kropla może być uważana za idealną kulę przez cały czas swojego ruchu. Biorąc to wszystko pod uwagę można uznać, że ruch kropel wewnątrz struktury filtra przebiega tak samo, jak ruch sferycznej cząstki stałej (o tej samej masie i średnicy). Z tego wynika również, że początkowa sprawność filtracyjna pojedynczego włókna, a co za tym idzie - również początkowa sprawność całego filtra, może być opisana w ten sam sposób, jak początkowa sprawność filtra podczas filtracji aerozoli stałych. Sytuacja zmienia się dość istotnie, gdy na włóknach filtracyjnych jest zdeponowana ciecz, jak to ma miejsce w późniejszych etapach filtracji. Obecność tej cieczy może prowadzić do mniejszej efektywności depozycji kropel, co przekłada się na mniejszą sprawność ich usuwania. Koalescencja kropel Koalescencja kropel swobodnych podczas przepływu przez filtr dla stosunkowo niskich stężeń kropel obecnych w oczyszczanym gazie jest stosunkowo mało efektywna. Można zatem przyjąć, że nie odgrywa ona istotnej roli w procesie filtracji. Znacznie istotniejsza jest koalescencja kropel zdeponowanych na włóknach. Ze względu na fakt, że krople te są nieruchome lub poruszają się w jednym kierunku wzdłuż osi włókna ale z różnymi prędkościami, mechanizm koalescencji kropel

11 zdeponowanych prowadzi do zauważalnego wzrostu objętości tych kropel. Oszacowany czas koalescencji kropel zarówno swobodnych, jak i zdeponowanych okazał się bardzo krótki w porównaniu z charakterystycznym czasem dynamiki kropel, co pozwala nie brać go pod uwagę podczas analizy pracy filtra jako całości. Ruch kropel zdeponowanych wzdłuż włókna Ruch pojedynczej kropli po włóknie jest stosunkowo powolny (jeśli porównywać skale czasowe charakteryzujące ten ruch ze skalami czasowymi charakteryzującymi inne zjawiska, zachodzące wewnątrz filtrów włókninowych). Względna prędkość ruchu kropli wzdłuż włókna rośnie wraz z objętością kropli oraz maleje ze średnicą włókna. Innymi słowy, ruch kropel prowadzący do ociekania włókien odgrywa istotną rolę jedynie w przypadku filtrów o włóknach bardzo cienkich oraz silnie obładowanych cieczą (a zatem dla filtrów w późnych stadiach procesu filtracji). Na efektywność ociekania mogą wpłynąć modyfikacje powierzchni włókien filtracyjnych, zarówno fizyczne (modyfikacja morfologii powierzchni włókien), jak i chemiczne (modyfikacja własności fizykochemicznych samych włókien na drodze reakcji chemicznych). Modyfikacje te mogą prowadzić zarówno do ułatwienia, jak i utrudnienia ociekania włókien. Ponadto, wszystkie zabiegi prowadzące do poprawy efektywności ociekania włókien poprzez ułatwienie ruchu kropli wzdłuż włókna, prowadzą również do ułatwienia ruchu kropli w poprzek włókna, co prowadzi do resuspensji kropel. Resuspensja kropel Minimalną objętość kropli porywanej z powierzchni włókna filtracyjnego można oszacować jako 3 V d, a co za tym idzie średnia średnica porwanej kropli jest rzędu średnicy włókna. min f Symulacje numeryczne pokazują również, że duży wpływ na resuspensję pojedynczej kropli mają występujące w jej pobliżu inne włókna i elementy struktury filtra. W szczególności, w rejonach, gdzie odległość pomiędzy sąsiadującymi włóknami jest bardzo mała, krople nie są porywane, lecz tworzą tzw. mostki cieczowe, które również mają bardzo duże znaczenie dla filtracji aerozoli ciekłych Sformułowanie modelu numerycznego dynamiki sprawności filtracji i oporów przepływu gazu przez filtr włókninowy podczas procesu filtracji aerozoli ciekłych Punktem wyjścia do sformułowania makroskopowego modelu filtracji aerozoli ciekłych była jakościowa i ilościowa analiza mikroskopowych zjawisk transportu kropel wewnątrz filtra. Uzyskany model charakteryzuje się dużą prostotą, względnie dużą szybkością obliczeń oraz niewielką liczbą (dwa lub cztery) parametrów wyznaczanych doświadczalnie. Oczywistą zaletą modelu jest również uzyskiwana wysoka zgodność otrzymanych rezultatów z wynikami doświadczalnymi. Wartości parametrów modelu, poza krytyczną wartością gęstości upakowania kr, okazały się być w stosunkowo niewielkim stopniu zależne zarówno od prędkości gazu, jak również od struktury filtra. Sama zaś wartość kr zależy przede wszystkim od struktury filtra, a w mniejszym stopniu od prędkości liniowej gazu. Ta właściwość decyduje o zastosowaniach predykcyjnych modelu. Na jego podstawie możliwe jest przewidywanie parametrów charakteryzujących pracę filtra, takich jak maksymalna masa cieczy, która może zostać zatrzymana lub maksymalny spadek ciśnienia. Wyniki uzyskane na podstawie powyższego modelu zostały zweryfikowane doświadczalnie. Badanie sprawności filtrów włókninowych (zarówno na początku, jak i w dalszych etapach procesu) oraz spadku ciśnienia na filtrach wykonywano przy użyciu układu do testowania wkładów filtracyjnych HFP 2000, wyprodukowanego przez niemiecką firmę PALAS GmbH. Do weryfikacji modelu wykorzystano również wyniki uzyskane przez innych autorów i dostępne w literaturze przedmiotu. 6. Charakterystyka działalności dydaktycznej Już jako student ostatniego roku studiów na Wydziale Inżynierii Chemicznej i Procesowej (r. ak. 2005/2006) prowadziłem zajęcia dla studentów 3. roku: laboratorium termodynamiki procesowej oraz laboratorium kinetyki procesowej. Podczas studiów doktoranckich prowadziłem następujące zajęcia: ćwiczenia audytoryjne z przedmiotu Mechanika Kwantowa dla kierunku fizyka techniczna w latach

12 laboratorium z przedmiotu Metody Numeryczne dla tego samego kierunku w latach Jako pracownik Wydziału Inżynierii Chemicznej i Procesowej prowadziłem następujące zajęcia: ćwiczenia projektowe z przedmiotu Aparatura Procesowa dla kierunku inżynieria chemiczna (od roku 2010) oraz dla kierunku zarządzanie na Wydziale Inżynierii Produkcji (w latach ) laboratorium z przedmiotu Aparatura Procesowa dla kierunku inżynieria chemiczna (od roku 2010) oraz biotechnologia (w latach ) Wykład z przedmiotu Aparatura Chemiczna i Maszynoznawstwo dla kierunku technologia chemiczna (od roku 2010) wykład i laboratorium z przedmiotu Komputerowe projektowanie schematów technologicznych instalacji procesowych dla kierunku inżynieria chemiczna (od roku 2012, wykład obieralny). Ten ostatni przedmiot jest przedmiotem autorskim, którego program sam stworzyłem od podstaw. Zajęcia laboratoryjne prowadzone są w oparciu o oprogramowanie firmy Intergraph, z którą nawiązałem współpracę. W oparciu o umowę między Wydziałem Inżynierii Chemicznej i Procesowej Politechniki Warszawskiej a firmą Intergraph, ta ostatnia udostępnia Wydziałowi nieodpłatnie licencję wielostanowiskową (do celów edukacyjnych) programów SmartPlant P&ID (do tworzenia schematów P&ID instalacji procesowych) oraz SmartPlant 3D (do tworzenia trójwymiarowych schematów instalacji). Przedmiot od początku cieszy się dużym zainteresowaniem studentów: każdego roku uczestniczy w nim osób, czyli zdecydowana większość studentów pierwszego stopnia kierunku inżynieria chemiczna. Wiedza przekazywana studentom w ramach tego przedmiotu oraz zdobyte umiejętności umożliwiły kilku z nich podjęcie pracy w różnych biurach projektowych, które wymagają znajomości oprogramowania firmy Intergraph. W latach byłem opiekunem 7 dyplomów magisterskich, 11 dyplomów inżynierskich oraz 1 pracy podyplomowej. 7. Działalność organizacyjna Pełnię funkcję opiekuna Koła nr 1 Oddziału Międzyuczelnianego Polskiego Towarzystwa Turystyczno- Krajoznawczego przy Politechnice Warszawskiej. 8. Działalność popularyzatorska W roku 2013 byłem konsultantem następujących artykułów (w zakresie fizyki i chemii fizycznej), opublikowanych w popularnonaukowym magazynie Fokus: S. Hornostaj, Jak biegać po wodzie, Fokus 8/2013 (na temat zjawisk pozwalających różnym organizmom żywym np. nartnikom oraz bazyliszkom płatkogłowym na poruszanie się po powierzchni wody) S. Hornostaj, Teleportuj się z supernowej, Fokus 10/2013 (na temat perspektyw wykorzystania w przyszłości teleportacji jako metody transportu obiektów makroskopowych) 9. Członkostwo towarzystw naukowych Jestem członkiem American Association for Aerosol Research (AAAR od stycznia 2012 roku), American Chemical Society (ACS od października 2013 roku), a także członkiem i wolontariuszem Ogólnopolskiego Towarzystwa Ochrony Ptaków (OTOP od lutego 2010 roku). 10. Nagrody i wyróżnienia Nagroda zespołowa JM Rektora PW stopnia I za osiągnięcia naukowe w latach Nagroda zespołowa JM Rektora PW stopnia II za osiągnięcia naukowe w latach

13