उत्पादन और जलीय इलेक्ट्रोलाइट समाधान में Electrohydrodynamic प्रवाह का नियंत्रण
Summary
आयन परिवहन मार्ग के सुधार एक-दिशात्मक आयन-घसीटा electrohydrodynamic प्रवाह उत्पन्न करने के लिए एक प्रभावी तरीका है । एक प्रवाह चैनल में एक आयन-विनिमय झिल्ली की स्थापना करके, एक विद्युत ध्रुवीय स्थिति उत्पन्न होती है और एक तरल प्रवाह का कारण बनता है जब एक बिजली के क्षेत्र में लागू किया जाता है ।
Abstract
electrohydrodynamic ड्राइव करने के लिए (EHD) जलीय समाधान में बहती है, कटियन और आयनों परिवहन रास्ते के पृथक्करण आवश्यक है, क्योंकि एक निर्देशित बिजली शरीर के बल को तरल में ईओण गति द्वारा प्रेरित किया जाना है । दूसरी ओर, सकारात्मक और नकारात्मक प्रभार एक दूसरे को आकर्षित, और electroneutrality संतुलन की स्थिति में हर जगह बनाए रखा है । इसके अलावा, एक लागू वोल्टेज में वृद्धि के लिए पानी इलेक्ट्रोलिसिस से बचने के लिए दबा दिया है, जो समाधान के कारण अस्थिर हो गया है । आमतौर पर, EHD प्रवाह गैर-जलीय समाधान में अत्यंत उच्च वोल्टेज लागू करने से प्रेरित किया जा सकता है, जैसे दसियों केवी के रूप में, विद्युत शुल्क इंजेक्षन करने के लिए. इस अध्ययन में, दो तरीकों जलीय समाधान, जहां दो तरल चरणों एक आयन-विनिमय झिल्ली द्वारा अलग कर रहे है में विद्युत प्रभारी जुदाई द्वारा प्रेरित EHD प्रवाह उत्पंन करने के लिए शुरू कर रहे हैं । झिल्ली में ईओण गतिशीलता में एक अंतर के कारण, आयन एकाग्रता ध्रुवीकरण झिल्ली के दोनों पक्षों के बीच प्रेरित है । इस अध्ययन में, हम दो तरीकों का प्रदर्शन । (i) आयन एकाग्रता ढाल की छूट एक प्रवाह चैनल है कि एक आयन-विनिमय झिल्ली, जहां झिल्ली में धीमी प्रजातियों के परिवहन चुनिंदा प्रवाह चैनल में प्रमुख हो जाता है प्रवेश के माध्यम से होता है । यह तरल में एक EHD प्रवाह उत्पन्न करने के लिए एक ड्राइविंग बल है । (ii) आयन-विनिमय झिल्ली के माध्यम से गुजर आयनों के प्रसार के लिए एक लंबी प्रतीक्षा समय बाहरी रूप से एक बिजली क्षेत्र लगाने के द्वारा एक आयन खींचा प्रवाह की पीढ़ी में सक्षम बनाता है. आयनों एक प्रवाह चैनल में केंद्रित एक 1 x 1 मिमी2 पार-अनुभाग तरल प्रवाह की दिशा निर्धारित, electrophoretic परिवहन रास्ते के लिए इसी. दोनों तरीकों में, बिजली वोल्टेज अंतर एक EHD प्रवाह पीढ़ी के लिए आवश्यक काफी आयन परिवहन रास्ते को सुधारने के द्वारा के पास 2 वी के लिए कम है ।
Introduction
हाल ही में, तरल प्रवाह नियंत्रण तकनीक क्योंकि सूक्ष्म और nanofluidic उपकरणों के अनुप्रयोगों में ब्याज की ज्यादा ध्यान आकर्षित किया है1,2,3,4,5, 6 , 7 , 8 , 9 , 10 , 11 , 12 , 13 , 14 , 15. ऐसे जलीय समाधान और ईओण तरल पदार्थ, आयनों और विद्युत चार्ज कणों के रूप में ध्रुवीय समाधान में, आमतौर पर तरल प्रवाह में बिजली के आरोपों के बारे में लाने के लिए । इस तरह के ध्रुवीय कणों का परिवहन एकल अणु हेरफेर6,10,11,13,14 के रूप में विभिन्न अनुप्रयोगों, के एक विस्तार प्रदान करता है , 15 , 16 , 17, आयन डायोड उपकरणों12,18, और तरल प्रवाह नियंत्रण19,20,21,22. EHD प्रवाह1Stuetzer के बाद से तरल प्रवाह नियंत्रण प्रणालियों के लिए एक लागू घटना गया है,2 आयन खींचें पंप का आविष्कार किया । Melcher और टेलर३ ने एक महत्वपूर्ण लेख प्रकाशित किया जिसमें EHD प्रवाह की सैद्धांतिक रूपरेखा की अच्छी तरह समीक्षा की गई और कुछ उत्कृष्ट प्रयोगों का प्रदर्शन भी किया गया. सेविल4 और उनके सहकर्मियों23,24 तरल पदार्थ में EHD प्रौद्योगिकियों के निंनलिखित विस्तार करने के लिए योगदान दिया । हालांकि, तरल विद्युत बलों द्वारा संचालित बहती है, क्योंकि केवी के दसियों तरल पदार्थ में लागू करने के लिए गैर में विद्युत शुल्क-ध्रुवीय समाधान, जैसे तेलों के रूप में इंजेक्ट करने के लिए किया जा करने के लिए कुछ सीमाएं थीं, उंहें ध्रुवीकरण के लिए1,2 , 3. यह जलीय समाधान के लिए एक नुकसान है क्योंकि पानी इलेक्ट्रोलिसिस कि एक बिजली की क्षमता से अधिक १.२३ V परिवर्तन समाधान की विशेषताओं से प्रेरित है और समाधान अस्थिर बनाता है ।
माइक्रो और nanofluidic चैनलों में, चैनल दीवारों के सतह प्रभार काउंटर की एकाग्रता है कि प्रभावी ढंग से प्रेरित electroosmotic प्रवाह (EOFs) के तहत बाहरी लागू बिजली के खेतों में25,26,27 ,२८,२९. EOFs का प्रयोग, कुछ तरल पंप तकनीक जलीय समाधान में लागू किया गया है, बिजली वोल्टेज30,31,३२को कम करने । दूसरी ओर, EOFs सूक्ष्म और nanospaces में उत्पंन किया जा रहा है जो सतह क्षेत्रों में तरल मात्रा से अधिक प्रभावी हो जाने तक सीमित हैं । इसके अलावा, बहुत दीवार सतहों के पास अत्यधिक केंद्रित आयनों के परिवहन पर निर्भर करता है, इस तरह के रूप में बिजली की डबल परतों में, पर्ची सीमा केवल तरल प्रवाह है, जो दबाव ढाल बनाने के लिए पर्याप्त नहीं हो सकता है कारण7, 8 , 22 , 26 , 27. ठीक ट्यूनिंग, ऐसे चैनल आयामों और नमक सांद्रता के रूप में, EOF के अनुप्रयोगों के लिए आवश्यक है । इसके विपरीत, EHD शरीर बलों द्वारा संचालित प्रवाह को जनता और ऊर्जा के परिवहन के लिए उपलब्ध होने लगते है अगर आवेदन वोल्टेज अपमानजनक सॉल्वैंट्स से बचने के लिए कम किया जा सकता है । हाल ही में, कुछ शोधकर्ताओं ने कम वोल्टेज के साथ EHD प्रवाह के अनुप्रयोगों का सुझाव दिया है३३,३४,३५,३६. हालांकि इन तकनीकों पर अभी तक अमल नहीं हुआ है, लेकिन सरहद का विस्तार होने की उम्मीद है ।
पिछले अध्ययनों में, हम भी जलीय समाधान३७,३८,३९,४०में EHD प्रवाह पर प्रयोगात्मक और सैद्धांतिक काम का आयोजन किया । यह माना जाता था कि आयन परिवहन मार्ग के सुधार विद्युत चार्ज समाधान है कि बिजली के क्षेत्रों के तहत बिजली के शरीर बलों के कारण उत्पंन करने के लिए प्रभावी था । एक आयन-विनिमय झिल्ली और एक प्रवाह झिल्ली पार चैनल का उपयोग करके, हम ईओण धाराओं को सुधारने में सक्षम थे । जब एक आयनों-विनिमय झिल्ली लागू करने, cations प्रवाह चैनल में केंद्रित सॉल्वैंट्स घसीटा और एक EHD प्रवाह३७,३८,३९विकसित की है । आयन प्रजातियों की गतिशीलता में एक अंतर cationic और anionic धाराओं को अलग करते समय एक महत्वपूर्ण कारक था. आयन-विनिमय झिल्ली प्रभावी ढंग से आयन selectivity के कारण गतिशीलता मिलाना काम किया । आयन परिवहन घटनाएं भी ईओण वर्तमान लागू बिजली के खेतों४१से प्रभावित घनत्व के दृष्टिकोण से जांच की गई । ये अध्ययन एकल अणुओं, अर्थात्, सूक्ष्म और नैनोकणों, जिनकी गति दृढ़ता से थर्मल उतार चढ़ाव से प्रभावित कर रहे है के लिए हेरफेर तकनीक विकसित करने के लिए उपयोगी किया गया है11,16,17 . EOFs और EHD प्रवाह सटीक प्रवाह नियंत्रण विधियों के साथ ही दबाव ढाल की विविधता का विस्तार करने की उम्मीद कर रहे हैं ।
इस अध्ययन में, हम दो तरीकों का प्रदर्शन जलीय समाधान में EHD प्रवाह ड्राइव । सबसे पहले, एक NaOH समाधान एक काम तरल पदार्थ के लिए एक EHD प्रवाह३७,३८,३९ड्राइव करने के लिए प्रयोग किया जाता है । एक आयनों-विनिमय झिल्ली तरल को दो भागों में अलग करती है । एक polydimethylsiloxane (PDMS) प्रवाह चैनल 1 x 1 मिमी के पार अनुभाग और 3 मिमी की लंबाई के साथ झिल्ली में प्रवेश । २.२ वी के एक बिजली की क्षमता लागू करके, एनए+, एच+, और ओह− आयनों के electrophoretic परिवहन बिजली के क्षेत्रों के साथ प्रेरित किया है । एक आयनों-विनिमय झिल्ली और एक प्रवाह चैनल प्रभावी ढंग से आयन परिवहन रास्ते, जहां ॠणायन मुख्य रूप से झिल्ली और cations प्रवाह चैनल में ध्यान केंद्रित के माध्यम से पारित अलग करने के लिए काम करते हैं, हालांकि दोनों प्रजातियों आमतौर पर विपरीत दिशाओं में चलते हैं, electroneutrality को बनाए रखना । इस प्रकार, एक ऐसी हालत तरल प्रवाह के लिए एक प्रेरणा शक्ति का कारण नहीं है । इस संरचना में एक EHD प्रवाह जिसका प्रवाह गति 1 मिमी के आदेश पर पहुंचता है उत्पादन के लिए महत्वपूर्ण है/एस चैनल में क्योंकि उच्च केंद्रित cations बाहरी बिजली के खेतों द्वारा त्वरित विलायक अणुओं खींचें । EHD प्रवाह मनाया और एक खुर्दबीन और एक उच्च गति कैमरा का उपयोग करके दर्ज कर रहे है के रूप में चित्र 1में दिखाया गया है । दूसरा, दो तरल एक आयन से अलग चरणों के बीच एक एकाग्रता अंतर-विनिमय झिल्ली एक विद्युत ध्रुवीकरण के लिए एक आयन-विनिमय झिल्ली४०पार उत्पंन होने की स्थिति का कारण बनता है । इस अध्ययन में, हम equilibrate आयन वितरण और एक इसी बिजली की क्षमता है, जो बेहतर स्थिति के कारण एक तरल में एक शरीर के बल पर लागू करने के लिए एक काफी प्रतीक्षा समय के महत्व को खोजने के लिए । आयन-विनिमय झिल्ली को पार करना, एक कमजोर ध्रुवीकरण की स्थिति हासिल की है । ऐसी हालत में, एक बाहरी लागू बिजली के क्षेत्र दिशात्मक आयन परिवहन कि एक तरल में एक शरीर के बल उत्पंन करता है, और एक परिणाम के रूप में, विलायक से गति हस्तांतरण के रूप में एक EHD प्रवाह विकसित लाती है ।
जैसा कि ऊपर उल्लेख किया है, वर्तमान उपकरणों काफी कुछ वोल्ट के लिए लागू वोल्टेज अंतर को कम करने में सफल है, और इस प्रकार इस विधि जलीय समाधान के लिए इस्तेमाल किया जा सकता है, हालांकि पारंपरिक बिजली के आरोप इंजेक्शन तरीकों केवी के दसियों की आवश्यकता है और गैर जलीय समाधान के लिए एक आवेदन करने के लिए सीमित हैं ।
Protocol
Representative Results
Discussion
इस अध्ययन का उद्देश्य स्थानिक वितरणों और परिवहन संख्याओं के संदर्भ में जलीय समाधानों में cations और ॠणायन को पृथक करना था. एक आयनों-विनिमय झिल्ली का उपयोग करना, ॠणायन और cations के परिवहन झिल्ली में सुधारा जा सक?…
Declarações
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
लेखकों की कोई पावती नहीं है.
Materials
| Sylgard 184 | Dow Corning Corp. | 3097366-0516, 3097358-1004 | PDMS |
| Acetone | Wako Pure Chemical Industries, Ltd. | 012-00343 | |
| Ethanol | Wako Pure Chemical Industries, Ltd. | 054-00461 | |
| 0.1 mol/L Sodium Hydroxide Solution | Wako Pure Chemical Industries, Ltd. | 196-02195 | |
| Pottasium Chloride | Wako Pure Chemical Industries, Ltd. | 163-03545 | |
| Tris-EDTA buffer 100x concentrate | Sigma-Aldrich Co. LLC. | T9285-10014L | |
| 2.93 μm polystyrene particle | Merck KGaA | L300 Rouge | Tracer particle |
| 1.01 μm polystyrene particle | Merck KGaA | K100(23716) | Tracer particle |
| Anion exchange membrane | ASTOM Corp. | Neosepta AHA | |
| Gold (Au) | Furuuchi Chemical Corp. | AUT-13301X | Sputtering target metal |
| Titanium | Furuuchi Chemical Corp. | TIT-72301X | Sputtering target metal |
| Chromium | Furuuchi Chemical Corp. | CRT-24301X | Sputtering target metal |
| Hight-speed CMOS camera | Keyence Corp. | VW-600M | |
| Microscope | Keyence Corp. | VW-9000 | |
| Data logger | Keyence Corp. | NR-500, NR-HA08 | |
| Laser displacement meter | Keyence Corp. | LK-G5000, LK-H008W | |
| PIV and PTV software | DITECT Co. Ltd. | Flownizer 2D | |
| Potentiostat | AMTEK Inc. | VersaSTAT4 | |
| Inverted microscope | Olympus Corp. | IX73 | |
| High-speed CMOS camera | Andor Technology Ltd. | Zyla 5.5 sCMOS | |
| Function generator | NF Corp. | WF1945B | |
| Function generator | NF Corp. | WF1973 | |
| Ultrasonic cleaner | AS ONE Corp. | AS22GTU | |
| Rotary pump | ULVAC, Inc. | G-100S | Degas liquid PDMS |
| Rotary pump | ULVAC, Inc. | GLD-201A | Sputtering |
| Molecular diffusion pump | ULVAC, Inc. | VPC-400 | Sputtering |
Referências
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