Электрораспыление

Название « электроспрей» используется для устройства, в котором используется электричество для диспергирования жидкости, или для тонкого аэрозоля, образующегося в результате этого процесса. Высокое напряжение подается на жидкость, подаваемую через эмиттер (обычно стеклянный или металлический капилляр). В идеале жидкость, достигающая наконечника эмиттера, образует конус Тейлора , который испускает струю жидкости через его вершину. Варикозные волны на поверхности струи приводят к образованию мелких и сильно заряженных капель жидкости, которые радиально рассеиваются за счет кулоновского отталкивания.

История [ править ]

В конце 16 века Уильям Гилберт ^[1] решил описать поведение магнитных и электростатических явлений. Он заметил, что в присутствии заряженного кусочка янтаря капля воды деформировалась в конус. Этот эффект явно связан с электроспреями, хотя Гилберт не записал никаких наблюдений, связанных с диспергированием жидкости под действием электрического поля.

В 1750 году французский священнослужитель и физик Жан-Антуан (аббат) Нолле заметил, что вода, текущая с судна, будет аэрозольно, если судно будет электрифицировано и помещено рядом с электрической землей. Он также отметил, что аналогично «человек, наэлектризованный подключением к высоковольтному генератору, не будет нормально истекать кровью, если порежется; кровь будет брызгать из раны». ^[2]

В 1882 году лорд Рэлей теоретически оценил максимальное количество заряда, которое может нести капля жидкости; ^[3] это теперь известно как «предел Рэлея». Его предсказание, что капля, достигающая этого предела, будет выбрасывать тонкие струи жидкости, было подтверждено экспериментально более 100 лет спустя. ^[4]

В 1914 году Джон Зеленый опубликовал работу о поведении капель жидкости на концах стеклянных капилляров. ^{[5] В} этом отчете представлены экспериментальные данные для нескольких рабочих режимов электрораспыления (капельный, разрывной, пульсирующий и конусообразный). Спустя несколько лет Зеленый сделал первые покадровые снимки динамического жидкого мениска. ^[6]

Между 1964 и 1969 годами сэр Джеффри Ингрэм Тейлор разработал теоретические основы электрораспыления. ^{[7] [8] [9]} Тейлор смоделировал форму конуса, образованного каплей жидкости под действием электрического поля; эта характерная форма капли теперь известна как конус Тейлора . Далее он работал с Дж. Р. Мельчером над разработкой «модели вытекающего диэлектрика» для проводящих жидкостей. ^[10]

Механизм [ править ]

Крупный план электрораспылительного устройства. На изображении видна струя ионизированного спрея.

Чтобы упростить обсуждение, в следующих параграфах будет рассмотрен случай положительного электроспрея с высоким напряжением, приложенным к металлическому эмиттеру. Рассмотрена классическая электрораспылительная установка, эмиттер которой расположен на удалении от заземленного противоэлектрода. Распыляемая жидкость характеризуется вязкостью , поверхностным натяжением , проводимостью и относительной диэлектрической проницаемостью .${\displaystyle d\,}$${\displaystyle (\mu )\,}$${\displaystyle (\gamma )\,}$${\displaystyle (\kappa )\,}$${\displaystyle (\epsilon _{r})\,}$

Влияние малых электрических полей на жидкие мениски [ править ]

Под действием поверхностного натяжения мениск жидкости принимает полусферическую форму на конце излучателя. Приложение положительного напряжения вызовет электрическое поле: ^[11]${\displaystyle V\,}$

${\displaystyle E={2V \over r\ln(4d/r)}}$

где - радиус кривизны жидкости. Это поле приводит к поляризации жидкости: отрицательные / положительные носители заряда мигрируют к / от электрода, к которому приложено напряжение. При напряжениях ниже определенного порога жидкость быстро достигает новой равновесной геометрии с меньшим радиусом кривизны.${\displaystyle r\,}$

Конус Тейлора [ править ]

Напряжения выше порога втягивают жидкость в конус. Сэр Джеффри Ингрэм Тейлор описал теоретическую форму этого конуса, исходя из предположений, что (1) поверхность конуса является эквипотенциальной поверхностью и (2) конус существует в установившемся состоянии равновесия. ^[7] Чтобы соответствовать обоим этим критериям, электрическое поле должно иметь азимутальную симметрию и иметь зависимость, чтобы уравновесить поверхностное натяжение и создать конус. Решение этой проблемы:${\displaystyle R^{1/2}\,}$

${\displaystyle V=V_{0}+AR^{1/2}P_{1/2}(\cos \theta _{0})\,}$

где (эквипотенциальная поверхность) существует при значении (независимо от R), создавая эквипотенциальный конус. Угол магии необходимо для для всех R является нулем полинома Лежандра порядка 1/2, . Между 0 и 130,7099 ° есть только один ноль , который является дополнением известного теперь угла Тейлора 49,3 °.${\displaystyle V=V_{0}\,}$${\displaystyle \theta _{0}}$${\displaystyle V=V_{0}\,}$${\displaystyle P_{1/2}(\cos \theta _{0})\,}$${\displaystyle \pi \,}$

Развитие сингулярности [ править ]

Вершина конического мениска не может становиться бесконечно маленькой. Особенность возникает, когда время гидродинамической релаксации становится больше времени релаксации заряда . ^[12] Неопределенные символы обозначают характеристическую длину и диэлектрическую проницаемость вакуума . Из-за внутренней варикозной нестабильности заряженная струя жидкости, выброшенная через вершину конуса, разбивается на мелкие заряженные капли, которые радиально рассеиваются объемным зарядом.${\displaystyle \tau _{H}={\mu r \over \gamma }}$ ${\displaystyle \tau _{C}={\epsilon _{r}\epsilon _{0} \over \kappa }}$${\displaystyle (r)\,}$${\displaystyle (\epsilon _{0})\,}$

Замыкание электрической цепи [ править ]

Заряженная жидкость выбрасывается через вершину конуса и захватывается противоэлектродом в виде заряженных капель или положительных ионов. Чтобы уравновесить потерю заряда, избыточный отрицательный заряд нейтрализуется электрохимически на эмиттере. Несбалансированность между величиной заряда, генерируемого электрохимически, и величиной заряда, потерянного на вершине конуса, может привести к нескольким рабочим режимам электрораспыления. Для конусно-струйного электрораспыления потенциал на границе раздела металл / жидкость саморегулируется, генерируя такое же количество заряда, какое теряется через вершину конуса. ^[13]

Приложения [ править ]

Ионизация электрораспылением [ править ]

Электрораспыление стало широко использоваться в качестве источника ионизации для масс-спектрометрии после того, как группа Фенна успешно продемонстрировала его использование в качестве источника ионов для анализа больших биомолекул. ^[14]

Источник ионов жидкого металла [ править ]

Источник ионов жидкого металла (LMIS) использует электрораспыление в сочетании с жидким металлом для образования ионов . ^{[15] [16]} Ионы образуются в результате полевого испарения на вершине конуса Тейлора. Ионы из LMIS используются в ионной имплантации и в приборах с фокусированным ионным пучком .

Электропрядение [ править ]

Как и в случае со стандартным электрораспылением, приложение высокого напряжения к раствору полимера может привести к образованию конической формы струи. Если струя превращается в очень тонкие волокна, а не на мелкие капли, этот процесс называется электроспиннингом .

Коллоидные двигатели [ править ]

Методы электрораспыления используются в качестве электрических ракетных двигателей малой тяги для управления спутниками , поскольку точно управляемый выброс частиц обеспечивает точную и эффективную тягу.

Осаждение частиц для наноструктур [ править ]

Электрораспыление может быть использовано в нанотехнологии , ^[17] , например , для осаждения одиночных частиц на поверхности. Это делается путем распыления коллоидов, содержащих в среднем только одну частицу на каплю. Растворитель испаряется, оставляя аэрозольный поток отдельных частиц желаемого типа. Ионизирующие свойства процесса не являются решающими для применения, но могут использоваться для электростатического осаждения частиц.

Осаждение ионов в качестве прекурсоров для наночастиц и наноструктур [ править ]

Вместо нанесения наночастиц , наночастицы и наноструктуры также могут быть изготовлены на месте путем осаждения ионов металлов в желаемых местах. Электрохимическое восстановление ионов до атомов и сборка in situ считались механизмом формирования наноструктуры.

Изготовление носителей наркотиков [ править ]

Электрораспыление привлекло внимание в области доставки лекарств, и его использовали для изготовления носителей лекарств, включая полимерные микрочастицы, используемые в иммунотерапии ^[18], а также липоплексы, используемые для доставки нуклеиновых кислот . ^[19] Частицы лекарственного средства субмикронного размера, созданные электрораспылением, обладают повышенной скоростью растворения, что увеличивает биодоступность за счет увеличения площади поверхности. ^[20] Таким образом, можно уменьшить побочные эффекты лекарств, поскольку для того же эффекта достаточно меньшей дозировки.

Очистители воздуха [ править ]

Электрораспыление используется в некоторых очистителях воздуха . Взвешенные в воздухе частицы можно заряжать с помощью электроспрея аэрозоля, манипулировать ими с помощью электрического поля и собирать на заземленном электроде. Такой подход сводит к минимуму образование озона, которое характерно для других типов очистителей воздуха.

См. Также [ править ]

• Фокусировка потока

Ссылки [ править ]