Электроосмос - Electro-osmosis

Электроосмотический поток (или же электроосмотический поток, часто сокращенно EOF; синоним электроосмос или же электроэндосмос) представляет собой движение жидкости, вызванное приложенным потенциалом через пористый материал, капиллярную трубку, мембрану, микроканал или любой другой канал для жидкости. Поскольку электроосмотические скорости не зависят от размера канала, пока двойной электрический слой намного меньше характерного размера канала, электроосмотическое течение мало повлияет. Электроосмотический поток наиболее значителен в небольших каналах. Электроосмотический поток является важным компонентом методов химического разделения, в частности капиллярный электрофорез. Электроосмотическое течение может происходить как в природной нефильтрованной воде, так и в буферизованный решения.

Схема электроосмотического потока

История

Об электроосмотическом потоке впервые сообщил в 1807 году Фердинанд Фридрих Ройсс (18 февраля 1778 г. (Тюбинген, Германия) - 14 апреля 1852 г. (Штутгарт, Германия)).^[1] в неопубликованной лекции перед Физико-медицинским обществом Москвы;^[2] Ройсс впервые опубликовал отчет об электроосмотическом потоке в 1809 г. Воспоминания о Императорское общество естествоиспытателей Москвы.^[3]^[4] Он показал, что воду можно заставить течь через пробку глина приложив электрическое напряжение. Глина состоит из плотно упакованных частиц кремнезема и других минералов, и вода течет через узкие промежутки между этими частицами так же, как через узкую стеклянную трубку. Любая комбинация электролит (жидкость, содержащая растворенные ионы) и изолирующее твердое тело будут генерировать электроосмотический поток, хотя для воды /кремнезем эффект особенно велик. Даже в этом случае скорость потока обычно составляет всего несколько миллиметров в секунду.

Электроосмос был открыт независимо в 1814 году английским химиком. Роберт Порретт младший (1783–1868).^[5]^[6]

Причина

Электроосмотический поток вызывается Кулоновская сила индуцированный электрическим полем на чистой мобильной электрический заряд в растворе. Поскольку химическое равновесие между твердой поверхностью и раствором электролита обычно приводит к тому, что граница раздела приобретает чистый фиксированный электрический заряд, слой мобильных ионов, известный как двойной электрический слой или слой Дебая, образуется в области вблизи границы раздела. Когда к жидкости прикладывается электрическое поле (обычно через электроды, расположенные на входах и выходах), результирующий заряд в двойном электрическом слое перемещается под действием результирующей кулоновской силы. Возникающий поток называется электроосмотическим потоком.

Описание

Результирующий поток от приложения напряжения представляет собой поршневой поток. В отличие от потока с параболическим профилем, создаваемого перепадом давления, профиль скорости поршневого потока является приблизительно плоским, с небольшими вариациями вблизи двойного электрического слоя. Это обеспечивает значительно менее вредные диспергирующие эффекты и может управляться без клапанов, предлагая высокоэффективный метод разделения жидкости, хотя многие сложные факторы доказывают, что этот контроль является трудным. Из-за трудностей, связанных с измерением и мониторингом потока в микрофлюидных каналах, в первую очередь нарушением структуры потока, большая часть анализа выполняется с помощью численных методов и моделирования.^[7]

Электроосмотический поток через микроканалы может быть смоделирован по уравнению Навье-Стокса с движущей силой, возникающей из электрического поля и перепада давления. Таким образом, он регулируется уравнение неразрывности

{ Displaystyle набла cdot mathbf {U} = 0}

и импульс

{ displaystyle rho { frac {D mathbf {U}} {Dt}} = - nabla p + mu nabla ^ {2} mathbf {U} + rho _ {e} nabla left ( psi + phi right),}

куда $U$ - вектор скорости, $ρ$ - плотность жидкости, ${ displaystyle D / Dt}$ это материальная производная, $μ$ вязкость жидкости, $ρ е$ - плотность электрического заряда, $Φ$ - приложенное электрическое поле, $ψ$ электрическое поле, обусловленное дзета-потенциал у стен и $п$ давление жидкости.

Уравнение Лапласа можно описать внешнее электрическое поле

{ displaystyle nabla ^ {2} phi = 0,}

в то время как потенциал в двойном электрическом слое определяется

{ displaystyle nabla ^ {2} psi = { frac {- rho _ {e}} { epsilon epsilon _ {0}}},}

куда $ε$ - диэлектрическая проницаемость раствора электролита и $ε 0$ это диэлектрическая проницаемость вакуума. Это уравнение можно дополнительно упростить, используя Приближение Дебая-Хюккеля

{ Displaystyle nabla ^ {2} psi = k ^ {2} psi,}

куда $1 / k$ это Длина Дебая, используемый для описания характерной толщины двойного электрического слоя. Уравнения для потенциального поля в двойном слое можно объединить в виде

{ displaystyle rho _ {e} = - epsilon epsilon _ {0} k ^ {2} psi.}

Приложения

Электроосмотический поток обычно используется в микрофлюидный устройства,^[8]^[9] анализ и обработка почвы,^[10] и химический анализ,^[11] все из которых обычно связаны с системами с сильно заряженными поверхностями, часто оксиды. Одним из примеров является капиллярный электрофорез,^[9]^[11] в котором электрические поля используются для разделения химических веществ в соответствии с их электрофоретической подвижностью путем приложения электрического поля к узкому капилляру, обычно сделанному из кремнезем. При электрофоретическом разделении электроосмотический поток влияет на время элюирования аналитов.

Электроосмотический поток включается в FlowFET для электронного управления потоком жидкости через соединение.

Предполагается, что микрожидкостные устройства, использующие электроосмотический поток, найдут применение в медицинских исследованиях. Как только управление этим потоком будет лучше понято и реализовано, способность разделять жидкости на атомарном уровне станет жизненно важным компонентом для устройств, выделяющих лекарственные средства.^[12] Смешивание жидкостей в микромасштабе в настоящее время является проблемой. Считается, что электрически контролируемые жидкости будут методом смешивания небольших жидкостей.^[12]

Спорные использование электро-осмотического систем управления поднимающейся влаги в стенах зданий.^[13] Хотя существует мало доказательств того, что эти системы могут быть полезны для перемещения солей в стенах, такие системы считаются особенно эффективными в конструкциях с очень толстыми стенками. Однако некоторые утверждают, что для этих систем нет научной основы, и цитируют несколько примеры их неудач.^[14]

Физика

В топливные элементы, причины электроосмоса протоны двигаясь через протонообменная мембрана (PEM) для перетаскивания молекул воды с одной стороны (анод ) к другому (катод ).

Биология сосудистых растений

В биологии сосудистых растений электроосмос также используется в качестве альтернативного или дополнительного объяснения движения полярных жидкостей через флоэма это отличается от теория когезии-напряжения поставляется в гипотезе массового расхода и других, таких как цитоплазматический поток.^[15] Клетки-компаньоны участвуют в «циклическом» выводе ионов (K⁺) из ситовых трубок, и их секреция параллельно их положению выхода между ситчатыми пластинами, что приводит к поляризации элементов ситовых пластин вдоль разность потенциалов под давлением и приводит к тому, что полярные молекулы воды и других растворенных веществ перемещаются вверх по флоэме.^[15]

В 2003 г. Санкт-Петербургский университет выпускники подали заявление напрямую электрический ток до 10 мм сегментов мезокотилей проростков кукурузы рядом с однолетними побегами липы; Растворы электролитов, присутствующие в тканях, двигались к катоду, который находился на месте, предполагая, что электроосмос может играть роль в транспортировке раствора через проводящие ткани растений.^[16]

Недостатки

Для поддержания электрического поля в электролите требуется Фарадеевский реакции, происходящие на аноде и катоде. Это обычно электролиз воды, который генерирует пероксид водорода, ионы водорода (кислота) и гидроксид (база), а также кислород и водород пузырьки газа. Возникающие изменения перекиси водорода и / или pH могут отрицательно влиять на биологические клетки и биомолекулы, такие как белки, в то время как пузырьки газа имеют тенденцию «забиваться». микрофлюидный системы. Эти проблемы можно решить, используя альтернативные электродные материалы, такие как сопряженные полимеры которые сами могут подвергаться фарадеевским реакциям, что резко снижает электролиз.^[17]

Смотрите также

дальнейшее чтение

Белл, Ф. (2000). Инженерные свойства грунтов и горных пород. 4-е изд..
Chang, H.C .; Яо, Л. (2009). Электрокинетически управляемая микрофлюидика и нанофлюидика.
Левич, В. (1962). Физико-химическая гидродинамика. ISBN 978-0-903012-40-9.
Пробштейн, Р.Ф. (2003). Физико-химическая гидродинамика: введение, 2-е изд..

[1] Биографические сведения о Ф.Ф. Reuss доступен (на немецком языке) по адресу: Deutsche Biographie

[2] Объявление о лекции Ройсса появилось в: Ройсс, Ф.Ф. (Ноябрь 1807 г.). «Indicium de novo hucusque nondum cognito effectu electricitatis galvanicae» [Уведомление о новом, доселе неизвестном эффекте гальванического электричества]. Commentationes Societatis Physico-medicae, Apud Universitatem Literarum Caesaream Mosquensem Institutae (Мемуары Физико-медицинского общества, учрежденного в Московском Императорском университете литературы) (на латыни). 1, пт. 1: xxxix. Доступны на: Österreichische Nationalbibliothek (Австрийская национальная библиотека)

[3] Ройсс, Ф. Ф. (1809). "Notice sur un nouvel effet de l'électricité galvanique" [Уведомление о новом эффекте гальванического электричества]. Mémoires de la Société Impériale des Naturalistes de Moscou (На французском). 2: 327–337.

[4] Бискомб, Кристиан Дж. К. (2017). «Открытие электрокинетических явлений: установление рекорда». Angewandte Chemie International Edition. 56 (29): 8338–8340. Дои:10.1002 / anie.201608536. PMID 27902877. Доступны на: Wiley.com

[5] Порретт, Р. младший (1816 г.). «Любопытные гальванические эксперименты». Анналы философии. 8: 74–76.

[6] (Бискомб, 2017), стр. 8339.

[7] Яо, Г.Ф. (2003). «Расчетная модель для моделирования электроосмотического течения в микросистемах» (PDF). Технические материалы конференции и выставки по нанотехнологиям 2003 г. [23–27 февраля 2003 г .; Сан - Франциско, Калифорния]. т. 1. Бостон, Массачусетс, США: Computational Publications. С. 218–221. ISBN 978-0-9728422-0-4.

[Bruus-8] Брус, Х. (2007). Теоретическая микрофлюидика. ISBN 978-0-19-923509-4.

[Kirby-9] а ^б Кирби, Б. Дж. (2010). Микро- и наномасштабная механика жидкости: перенос в микрофлюидных устройствах: Глава 6: Электроосмос. Издательство Кембриджского университета.

[Wise-10] Уайз, Д. Л. и Трантоло, Д. Дж., Ред. Рекультивация почв, загрязненных опасными отходами.CS1 maint: несколько имен: список авторов (связь) CS1 maint: дополнительный текст: список авторов (связь)

[Skoog-11] а ^б Скуг (2007). Принципы инструментального анализа. ISBN 978-0-495-12570-9.

[Ducree-12] а ^б Дукри, Джен. myFluidix.com.

[Ottosen-13] Оттосен, Лизбет; Энн Дж. Педерсен; Инге Рориг-Далгаард (сентябрь 2007 г.). «Солевые проблемы при кирпичной кладке и электрокинетическом удалении солей». Журнал Строительной Оценки. 3 (3): 181–194. Дои:10.1057 / palgrave.jba.2950074. Доступны на: Springer.com

[14] «Системы электроосмоса для защиты от влаги - мошенничество или идеальное решение для защиты от влаги - решать вам!».

[Clegg,_C.J._2006_p340-343-15] а ^б Клегг, К. Дж., Макин, Д. Г. (2006) "Продвинутая биология - принципы и применение"Hodder Stoughton Publishers, стр. 340–343.

[16] Полевой, В. В. (2003). «Электроосмотические явления в тканях растений». Бюллетень биологии. 30 (2): 133–139. Дои:10.1023 / А: 1023285121361. S2CID 5036421.

[17] Erlandsson, P. G .; Робинсон, Н. Д. (2011). «Электролизовосстанавливающие электроды для электрокинетических устройств». Электрофорез. 32 (6–7): 784–790. Дои:10.1002 / elps.201000617. PMID 21425174. S2CID 1045087.

[1]

[2]

[3]

[4]

[5]

[6]

[7]

[8]

[9]

[10]

[11]

[12]

[13]

[14]

[15]

[16]

[17]