Потоковый ток - Streaming current

А текущий ток и Потоковый потенциал два взаимосвязанных электрокинетические явления учился в областях химия поверхности и электрохимия. Они электрический ток или же потенциал который возникает, когда электролит управляется градиентом давления через канал или пористую пробку с заряженными стенками.^[1][2][3]

Первое наблюдение потенциала течения обычно приписывают немецкому физику. Георг Герман Квинке в 1859 г.

Приложения

Потоковые токи с четко определенной геометрией - чувствительный метод для характеристики дзета-потенциал поверхностей, что важно в областях коллоид и интерфейс науки.^[1] В геологии измерения связанных спонтанный потенциал используются для оценки формаций. При проектировании потока жидкости с плохой проводимостью (например, трубопроводов бензина) необходимо учитывать потенциал течения из-за опасности накопления высокого напряжения. Монитор потокового тока (SCM) - это фундаментальный инструмент для мониторинга коагуляция в очистные сооружения сточных вод. Степень коагуляции сырой воды можно контролировать с помощью SCM, чтобы обеспечить контроль нагнетания коагулянта с положительной обратной связью. По мере увеличения потока сточных вод в поток впрыскивается больше коагулянта. Более высокие уровни коагулянта вызывают коагуляцию мелких коллоидных частиц и их осаждение из потока. Поскольку в потоке сточных вод находится меньше коллоидных частиц, потенциал потока уменьшается. SCM распознает это и впоследствии снижает количество коагулянта, вводимого в поток сточных вод. Внедрение управления с обратной связью SCM привело к значительному снижению стоимости материалов, которое не было реализовано до начала 1980-х годов.^[4] В дополнение к возможностям мониторинга, потоковый ток теоретически может генерировать полезные электричество. Этот процесс, однако, еще не применялся в качестве типичного механического к электрическому потенциалу потока. эффективность составляют около 1%.^[5]

Источник

У стенок канала зарядовая нейтральность жидкости нарушается из-за наличия двойной электрический слой: тонкий слой противоионы привлекает заряженная поверхность.^[1][6]

Транспорт противоионов вместе с управляемым давлением потоком жидкости приводит к чистому переносу заряда: текущему току. Обратный эффект, создающий поток жидкости за счет приложения разности потенциалов, называется электроосмотический поток.^[6][7][8]

Метод измерения

Типичная установка для измерения потоковых токов состоит из двух реверсивных электроды размещены по обе стороны от жидкостной геометрии, к которой приложен известный перепад давления. Когда оба электрода удерживаются под одинаковым потенциалом, протекающий ток измеряется непосредственно как электрический ток, протекающий через электроды. В качестве альтернативы электроды можно оставить плавающими, что позволяет создавать потенциал потока между двумя концами канала.

Потенциал потока определяется как положительный, когда электрический потенциал выше на стороне высокого давления проточной системы, чем на стороне низкого давления.

Величина проточного тока, наблюдаемая в капилляр обычно связано с дзета-потенциал через отношение:^[9]

${\displaystyle I_{str}=-{\frac {\epsilon _{rs}\epsilon _{0}a^{2}\pi }{\eta }}{\frac {\Delta P}{L}}\zeta }$.

В проводимость ток, который равен по величине текущему току в установившемся режиме, равен:

${\displaystyle I_{c}=K_{L}a^{2}\pi {\frac {U_{str}}{L}}}$

В установившемся режиме потенциал потока, создаваемый в системе потока, определяется как:

${\displaystyle U_{str}={\frac {\epsilon _{rs}\epsilon _{0}\zeta }{\eta K_{L}}}\Delta P}$

Символы:

• я_ул - ток протекания в условиях короткого замыкания, А
• U_ул - потенциал течения в условиях нулевого сетевого тока, В
• я_c - ток проводимости, А
• ε_RS - относительная диэлектрическая проницаемость жидкости, безразмерный
• ε₀ - электрические диэлектрическая проницаемость вакуума, Ф · м⁻¹
• η - динамический вязкость жидкости, кг · м⁻¹· С⁻¹
• ζ - дзета-потенциал, В
• ΔP - перепад давления, Па
• L - длина капилляра, м
• а - радиус капилляра, м
• K_L - удельная проводимость объемной жидкости, См · м⁻¹

Вышеприведенное уравнение обычно называют Уравнение Гельмгольца-Смолуховского.

Приведенные выше уравнения предполагают, что:

• двойной слой не слишком велик по сравнению с порами или капиллярами (т.е. ${\displaystyle \kappa a\gg 1}$), где κ - обратная величина Длина Дебая
• отсутствует поверхностная проводимость (что обычно может стать важным, когда дзета-потенциал велик, например, | ζ |> 50 мВ)
• отсутствует поляризация двойного электрического слоя
• поверхность однородна по свойствам^[10]
• нет осевого градиента концентрации
• геометрия капилляра / трубки.

Литература

1. Дж. Ликлема, Основы интерфейсной и коллоидной науки
2. F.H.J. van der Heyden et al., Phys. Rev. Lett. 95, 116104 (2005).
3. C. Werner и др., J. Colloid Interface Sci. 208, 329 (1998)
4. Mansouri et al. Журнал физической химии C, 112 (42), 16192 (2008)

Рекомендации

1. Ликлема, Дж. (1995). Основы интерфейсной и коллоидной науки. Академическая пресса.
2. Ли, Д. (2004). Электрокинетика в микрофлюидике. Академическая пресса.
3. Чанг, Х.С., Йео, Л. (2009). Электрокинетически управляемая микрофлюидика и нанофлюидика. Издательство Кембриджского университета.
4. http://www.waterhouse-bc.ca/Theory%20of%20the%20Streaming%20Current%20Monitor.pdf
5. Olthuis, Wouter; Шипперс, Боб; Эйкель, Ян; Ван ден Берг, Альберт (2005). «Энергия потокового тока и потенциала». Датчики и исполнительные механизмы B: химические. 111-112: 385–389. CiteSeerX  10.1.1.590.7603. Дои:10.1016 / j.snb.2005.03.039.
6. Кирби, Б.Дж. (2010). Микро- и наномасштабная механика жидкости: перенос в микрофлюидных устройствах. Издательство Кембриджского университета. ISBN  978-0-521-11903-0.
7. Брус, Х. (2007). Теоретическая микрофлюидика. Oxford University Press.
8. Карниадакис, Г.М., Бескок, А., Алуру, Н. (2005). Микропотоки и нанопотоки. Springer Verlag.
9. «Измерение и интерпретация электрокинетических явлений», Международный союз чистой и прикладной химии, технический отчет, опубликованный в Pure Appl. Chem., Том 77, 10, стр. 1753–1805, 2005 г. (pdf).
10. Менахем Элимелех и Эми Э. Чилдресс, «Дзета-потенциал мембран обратного осмоса: влияние на характеристики мембран». Министерство внутренних дел США, Бюро мелиорации, Офис в Денвере. Отчет о программе технологии водоочистки № 10. Декабрь 1996 г.