Электроосмос

Электроосмотический поток (или электроосмотический поток , часто сокращенно EOF ; синоним электроосмоса или электроэндосмоса ) - это 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, до тех пор, пока двойной электрический слой намного меньше характерного масштаба длины канала, электроосмотический поток не будет иметь большого эффекта. Электроосмотический поток наиболее значителен в небольших каналах. Электроосмотический поток является важным компонентом методов химического разделения, особенно капиллярного электрофореза.. Электроосмотическое течение может происходить как в природной нефильтрованной воде, так и в буферных растворах.

Схема электроосмотического потока

История [ править ]

Об электроосмотическом потоке впервые сообщил в 1807 г. 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 году в Записках Императорского общества естествоиспытателей в Москве . ^{[3] [4]} Он показал, что воду можно заставить течь через глиняную пробку , 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 комбинацияэлектролит (жидкость, содержащая растворенные ионы) и изолирующее твердое вещество будут генерировать электроосмотический поток, хотя для воды / диоксида кремния 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 Робертом Порретом-младшим (1783–1868). ^{[5] [6]}

Причина [ править ]

Электроосмотический поток вызывается кулоновской силой, индуцированной электрическим полем на чистый мобильный 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, формируется в области вблизи границы раздела. Когда к жидкости прикладывается электрическое поле (обычно через электроды, размещенные на входах и выходах), результирующий заряд в двойном электрическом слое перемещается под действием результирующей кулоновской силы. Возникающий поток называется электроосмотическим потоком.

Описание [ править ]

Возникающий в результате подачи напряжения поток представляет собой поршневой поток . В отличие от потока с параболическим профилем, создаваемого перепадом давления, профиль скорости поршневого потока является приблизительно плоским, с небольшими изменениями 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 с измерением и мониторингом потока в микрожидкостных каналах, в первую очередь нарушением структуры потока, большая часть анализа выполняется с помощью численных методов и моделирования. ^[7]

Электроосмотический поток через микроканалы можно смоделировать по уравнению Навье-Стокса с движущей силой, возникающей из электрического поля и перепада давления. Таким образом, он регулируется уравнением неразрывности

${\ Displaystyle \ набла \ cdot \ mathbf {U} = 0}$

и импульс

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

где U - вектор скорости, ρ - плотность жидкости, - производная материала , μ - вязкость жидкости, ρ _e - плотность электрического заряда, Φ - приложенное электрическое поле, ψ - электрическое поле, обусловленное дзета - потенциал на стенках и р есть давление текучей среды.${\ displaystyle D / Dt}$

Уравнение Лапласа может описывать внешнее электрическое поле

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

в то время как потенциал в двойном электрическом слое определяется

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

где ε - диэлектрическая проницаемость раствора электролита, а ε ₀ - диэлектрическая проницаемость вакуума . Это уравнение можно дополнительно упростить, используя приближение Дебая-Хюккеля.

${\ displaystyle \ nabla ^ {2} \ psi = k ^ {2} \ psi,}$

где 1 / k - длина Дебая , используемая 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 [ править ]

Электроосмотический поток обычно используется в микрофлюидных устройствах ^{[8] [9],} анализе и обработке почвы ^[10] и химическом анализе ^[11], каждый из которых обычно включает системы с сильно заряженными поверхностями, часто состоящими из оксидов . Одним из примеров является капиллярный электрофорез , ^{[9] [11]} , в котором электрические поля используются для разделения химических веществ в соответствии с их электрофоретической подвижности путем приложения электрического поля к узкой капилляра, как правило , изготовлены из диоксида кремния . При электрофоретическом разделении электроосмотический поток влияет на время элюирования аналитов.

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

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

Противоречивое использование электроосмотических систем - это контроль над повышением влажности 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 структурах с очень толстыми стенками. Однако некоторые утверждают, что у этих систем нет научной основы, и приводят несколько примеров их неудач. ^[14]

Физика [ править ]

В топливных элементах электроосмос заставляет протоны, проходящие через протонообменную мембрану (PEM), перетаскивать молекулы воды с одной стороны ( анода ) на другую ( катод ).

Биология сосудистых растений [ править ]

В биологии сосудистых растений электроосмос также используется в качестве альтернативного или дополнительного объяснения движения полярных жидкостей через флоэму, что отличается от теории сцепления-напряжения, представленной в гипотезе массового потока и других, таких как цитоплазматический поток . ^[15] Клетки-компаньоны участвуют в «циклическом» выводе ионов (K ⁺ ) из ситовых трубок и их секреции параллельно их положению отвода между ситовыми пластинами, что приводит к поляризации элементов ситовых пластин наряду с разностью потенциалов в давлении, приводит к тому, что полярные молекулы воды и других растворенных веществ перемещаются вверх по флоэме. ^[15]

В 2003 году выпускники СПбГУ подали постоянный электрический ток на 10-миллиметровые отрезки мезокотилей проростков кукурузы и однолетние побеги липы; Растворы электролитов, присутствующие в тканях, двигались к катоду, который находился на месте, что позволяет предположить, что электроосмос может играть роль в транспортировке раствора через проводящие ткани растений. ^[16]

Недостатки [ править ]

Для поддержания электрического поля в электролите на аноде и катоде должны происходить реакции Фарадея . Обычно это электролиз воды , при котором образуется перекись водорода , ионы водорода (кислота) и гидроксид (основание), а также пузырьки кислорода и водорода . 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 «закупоривать» микрофлюидные системы. Эти проблемы можно решить, используя альтернативные электродные материалы, такие как сопряженные полимеры.которые сами могут претерпевать фарадеевские реакции, резко снижая электролиз. ^[17]

См. Также [ править ]

Викискладе есть медиафайлы по теме электроосмоса .

• Поверхностный заряд
• Капиллярный электрофорез
• Электрический двойной слой
• Потоковый ток
• Электрокинетика с индуцированным зарядом
• Потоковый потенциал
• Дзета-потенциал
• Электроосмотический насос
• Электрический двойной слой
• Микрофлюидика
• Электрохимия

Ссылки [ править ]

Дальнейшее чтение [ править ]

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