Электроосмос

В химии , электроосмотический поток ( EOF , дефис необязательно; 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, пока двойной электрический слой намного меньше характерного масштаба длины канала, электроосмотический поток будет иметь небольшой эффект. Электроосмотический поток наиболее важен в небольших каналах и является важным компонентом методов химического разделения, особенно капиллярного электрофореза . Электроосмотический поток может возникать в природной нефильтрованной воде, а также в забуференных растворах.

История

Впервые об электроосмотическом потоке сообщил в 1807 году Фердинанд Фридрих Ройсс (18 февраля 1778 г. (Тюбинген, Германия) - 14 апреля 1852 г. (Штутгарт, Германия)) ^[1] в неопубликованной лекции в Московском физико-медицинском обществе; ^[2] Ройсс впервые опубликовал отчет об электроосмотическом потоке в 1809 году в « Записках Императорского общества естествоиспытателей Москвы» . ^[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, как если бы она проходила через узкую стеклянную трубку. Любая комбинация электролита ( жидкости, содержащей растворенные ионы) и изолирующего твердого вещества будет генерировать электроосмотический поток, хотя для воды/ кремнезема эффект особенно велик. Несмотря на это, скорость потока обычно составляет всего несколько миллиметров в секунду.

Электроосмос был независимо открыт в 1814 году английским химиком Робертом Порреттом-младшим (1783–1868). ^[5]^[6]

Причина

Электроосмотический поток вызывается кулоновской силой, индуцированной электрическим полем на суммарном подвижном электрическом заряде в растворе. слой мобильных ионов, известный как двойной электрический слой Поскольку химическое равновесие между твердой поверхностью и раствором электролита обычно приводит к тому, что граница раздела приобретает чистый фиксированный электрический заряд, в области вблизи границы раздела образуется или дебаевский слой. 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

Поток, возникающий в результате подачи напряжения, представляет собой пробковый поток . В отличие от потока с параболическим профилем, возникающего из-за перепада давления, профиль скорости поршневого потока примерно плоский с небольшими изменениями вблизи двойного электрического слоя. Это обеспечивает значительно менее вредные дисперсионные эффекты и может контролироваться без клапанов, предлагая высокоэффективный метод разделения жидкостей, хотя многие сложные факторы доказывают, что этот контроль затруднен. Из-за трудностей измерения и мониторинга потока в микрожидкостных каналах, в первую очередь нарушающих структуру потока, большая часть анализа выполняется с помощью численных методов и моделирования. ^[7]

Электроосмотический поток через микроканалы можно смоделировать по уравнению Навье-Стокса, в котором движущая сила определяется электрическим полем и перепадом давления. Таким образом, оно определяется уравнением неразрывности

\nabla \cdot \mathbf {U} =0

и импульс

\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, $D/Dt$ — производная материала , $µ$ — вязкость жидкости, $ρ e$ — плотность электрического заряда, $φ$ — приложенное электрическое поле, $ψ$ — электрическое поле, обусловленное дзета-потенциалом на стенках, а $p$ — давление жидкости.

Уравнение Лапласа может описывать внешнее электрическое поле.

\nabla ^{2}\phi =0,

в то время как потенциал внутри двойного электрического слоя определяется уравнением

\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.

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

где $1/ k$ — дебаевская длина , используемая для описания характерной толщины двойного электрического слоя. Уравнения для потенциального поля внутри двойного слоя можно объединить как

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

Перенос ионов в космосе можно смоделировать с помощью уравнения Нернста – Планка : ^[8]

{\partial c \over {\partial t}}=\nabla \cdot \left[D\nabla c-c{\bf {v}}+{Dze \over {k_{\text{B}}T}}c\left(\nabla \phi +{\partial {\bf {A}} \over {\partial t}}\right)\right]

Где $\ c$ – концентрация ионов, ${\bf {A}}$ – магнитный векторный потенциал , $D$ - коэффициент диффузии химических частиц, $z$ - валентность ионных частиц, $e$ это элементарный заряд , $k_{\text{B}}$ – постоянная Больцмана и $T$ это абсолютная температура .

Приложения

Электроосмотический поток обычно используется в микрофлюидных устройствах. ^[9]^[10] анализ и обработка почвы, ^[11] и химический анализ, ^[12] все они обычно включают системы с сильно заряженными поверхностями, часто состоящими из оксидов . Одним из примеров является капиллярный электрофорез . ^[10]^[12] в котором электрические поля используются для разделения химических веществ в зависимости от их электрофоретической подвижности путем приложения электрического поля к узкому капилляру, обычно изготовленному из кремнезема . При электрофоретическом разделении электроосмотический поток влияет на время элюирования аналитов.

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

Предполагается, что микрофлюидные устройства, использующие электроосмотический поток, найдут применение в медицинских исследованиях. Как только управление этим потоком будет лучше понято и реализовано, способность разделять жидкости на атомном уровне станет жизненно важным компонентом для тех, кто выпускает наркотики. ^[13] Смешивание жидкостей на микроуровне в настоящее время является затруднительным. Считается, что электрическое управление жидкостями будет методом смешивания небольших жидкостей. ^[13]

Спорным применением электроосмотических систем является контроль повышения влажности в стенах зданий. ^[14] Хотя существует мало доказательств того, что эти системы могут быть полезны для перемещения солей в стенах, утверждается, что такие системы особенно эффективны в конструкциях с очень толстыми стенками.Однако некоторые утверждают, что у этих систем нет научной основы, и приводят несколько примеров их неудач. ^[15]

Электроосмос также можно использовать для самонакачивания пор, вызванного химическими реакциями, а не электрическими полями. Этот подход, используя H ₂ O ₂ , было продемонстрировано ^[16] и моделируется с помощью уравнений Нернста-Планка-Стокса. ^[8]

Физика

В топливных элементах электроосмос заставляет протоны двигаться через протонообменную мембрану (ПЕМ) и перетаскивать молекулы воды с одной стороны ( анод ) на другую ( катод ).

Сосудистая биология растений

В биологии сосудистых растений электроосмос также используется в качестве альтернативного или дополнительного объяснения движения полярных жидкостей через флоэму , которое отличается от теории сцепления-напряжения, представленной в гипотезе массового потока и других, таких как поток цитоплазмы . ^[17] Клетки-спутники участвуют в «циклическом» выводе ионов (K ⁺) из ситовидных трубок, и их секреция параллельно положению их вывода между ситовидными пластинами, что приводит к поляризации элементов ситовидных пластин вместе с разницей потенциалов в давлении и приводит к перемещению полярных молекул воды и других присутствующих растворенных веществ вверх через флоэму. ^[17]

В 2003 г. выпускники СПбГУ воздействовали постоянным электрическим током на 10-миллиметровые сегменты мезокотилей сеянцев кукурузы рядом с однолетними побегами липы; растворы электролитов, присутствующие в тканях, перемещались к находившемуся на месте катоду, что позволяет предположить, что электроосмос может играть роль в транспортировке раствора через проводящие ткани растений. ^[18]

Недостатки

Для поддержания электрического поля в электролите необходимо, фарадеевские чтобы на аноде и катоде протекали реакции. Обычно это электролиз воды , в результате которого образуются перекись водорода , ионы водорода (кислота) и гидроксид (основание), а также кислорода и водорода пузырьки газообразного . Вызванные изменения перекиси водорода и/или pH могут отрицательно повлиять на биологические клетки и биомолекулы, такие как белки, в то время как пузырьки газа имеют тенденцию «засорять» микрофлюидные системы. Эти проблемы можно облегчить, используя альтернативные материалы для электродов, такие как сопряженные полимеры , которые сами могут подвергаться реакциям Фарадея, что значительно снижает электролиз. ^[19]

См. также

Ссылки

^ Биографические сведения о Ф.Ф. Ройссе доступны (на немецком языке) по адресу: Deutsche Biographie.
↑ Уведомление о лекции Ройсса появилось в: Ройсс, Ф.Ф. (ноябрь 1807 г.). «Уведомление о новом, доселе неизвестном эффекте гальванического электричества». Воспоминания Физико-медицинского общества, учрежденного при Московском Императорском Литературном университете (на латыни). 1 , пт. 1: xxxix. Доступно в: Österreichische Nationalbibliothek (Австрийская национальная библиотека).
^ Ройсс, Ф. Ф. (1809). «Уведомление о новом эффекте гальванического электричества» . Воспоминания Императорского Московского общества естествоиспытателей (на французском языке). 2 : 327–337.
^ Бискомб, Кристиан Дж.К. (2017). «Открытие электрокинетических явлений: прояснение истины» . Angewandte Chemie, международное издание . 56 (29): 8338–8340. дои : 10.1002/anie.201608536 . hdl : 11343/292176 . ПМИД 27902877 . Доступно на: Wiley.com.
^ Порретт, Р. младший (1816). «Любопытные гальванические эксперименты» . Анналы философии . 8 : 74–76.
^ (Бискомб, 2017), с. 8339.
^ Яо, ГФ (2003). «Вычислительная модель для моделирования электроосмотического потока в микросистемах» (PDF) . Технические материалы конференции и выставки по нанотехнологиям 2003 г. [23–27 февраля 2003 г.; Сан-Франциско, Калифорния] . Том. 1. Бостон, Массачусетс, США: Публикации по вычислительной технике. стр. 218–221. ISBN 978-0-9728422-0-4 .
^ Jump up to: ^а ^б Фанг, Юхан; Уэрли, Стивен Т.; Моран, Джеффри Л.; Варсингер, Дэвид М. (2022). «Электрическое двойное перекрытие слоев ограничивает скорость потока в электрокаталитических самонакачивающихся мембранах Janus». Электрохимика Акта . 426 . Elsevier BV: 140762. doi : 10.1016/j.electacta.2022.140762 . ISSN 0013-4686 . S2CID 250039217 .
^ Брюус, Х. (2007). Теоретическая микрофлюидика . ISBN 978-0-19-923509-4 .
^ Jump up to: ^а ^б Кирби, Би Джей (2010). Микро- и наномасштабная механика жидкости: транспорт в микрофлюидных устройствах: Глава 6: Электроосмос . Издательство Кембриджского университета. Архивировано из оригинала 24 ноября 2020 г. Проверено 8 января 2011 г.
^ Уайз, Д.Л. и Трантоло, диджей, ред. Рекультивация почв, загрязненных опасными отходами . {{cite book}}: |author= имеет общее имя ( справка ) CS1 maint: несколько имен: список авторов ( ссылка )
^ Jump up to: ^а ^б Скуг (2007). Принципы инструментального анализа . ISBN 978-0-495-12570-9 .
^ Jump up to: ^а ^б Дюкри, Джен. myFluidix.com .
^ Оттосен, Лисбет; Энн Дж. Педерсен; Инге Рориг-Дальгаард (сентябрь 2007 г.). «Проблемы соли в кирпичной кладке и электрокинетическое удаление солей» . Журнал оценки зданий . 3 (3): 181–194. дои : 10.1057/palgrave.jba.2950074 . Доступно на: Springer.com.
^ «Электроосмотические системы гидроизоляции – мошенничество или идеальное решение для увлажнения – решать вам!» .
^ Джун, Ин-Кук; Хесс, Генри (13 сентября 2010 г.). «Биомиметическая самонакачивающаяся мембрана». Продвинутые материалы . 22 (43). Уайли: 4823–4825. Бибкод : 2010AdM....22.4823J . дои : 10.1002/adma.201001694 . ISSN 0935-9648 . ПМИД 20839247 . S2CID 205237530 .
^ Jump up to: ^а ^б Клегг, К.Дж., Маккин, Д.Г. (2006) « Передовая биология – принципы и приложения » Hodder Stoughton Publishers, стр. 340–343.
^ Полевой, В.В. (2003). «Электроосмотические явления в растительных тканях». Биологический вестник . 30 (2): 133–139. дои : 10.1023/А:1023285121361 . S2CID 5036421 .
^ Эрландссон, PG; Робинсон, Северная Дакота (2011). «Электролизно-восстановительные электроды для электрокинетических устройств» . Электрофорез . 32 (6–7): 784–790. дои : 10.1002/elps.201000617 . ПМИД 21425174 . S2CID 1045087 .

Дальнейшее чтение

Белл, ФГ (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 .

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

[2] Уведомление о лекции Ройсса появилось в: Ройсс, Ф.Ф. (ноябрь 1807 г.). «Уведомление о новом, доселе неизвестном эффекте гальванического электричества». Воспоминания Физико-медицинского общества, учрежденного при Московском Императорском Литературном университете (на латыни). 1 , пт. 1: xxxix. Доступно в: Österreichische Nationalbibliothek (Австрийская национальная библиотека).

[3] Ройсс, Ф. Ф. (1809). «Уведомление о новом эффекте гальванического электричества» . Воспоминания Императорского Московского общества естествоиспытателей (на французском языке). 2 : 327–337.

[4] Бискомб, Кристиан Дж.К. (2017). «Открытие электрокинетических явлений: прояснение истины» . Angewandte Chemie, международное издание . 56 (29): 8338–8340. дои : 10.1002/anie.201608536 . hdl : 11343/292176 . ПМИД 27902877 . Доступно на: Wiley.com.

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

[6] (Бискомб, 2017), с. 8339.

[7] Яо, ГФ (2003). «Вычислительная модель для моделирования электроосмотического потока в микросистемах» (PDF) . Технические материалы конференции и выставки по нанотехнологиям 2003 г. [23–27 февраля 2003 г.; Сан-Франциско, Калифорния] . Том. 1. Бостон, Массачусетс, США: Публикации по вычислительной технике. стр. 218–221. ISBN 978-0-9728422-0-4 .

[FangSelfPumping2022-8] Jump up to: ^а ^б Фанг, Юхан; Уэрли, Стивен Т.; Моран, Джеффри Л.; Варсингер, Дэвид М. (2022). «Электрическое двойное перекрытие слоев ограничивает скорость потока в электрокаталитических самонакачивающихся мембранах Janus». Электрохимика Акта . 426 . Elsevier BV: 140762. doi : 10.1016/j.electacta.2022.140762 . ISSN 0013-4686 . S2CID 250039217 .

[Bruus-9] Брюус, Х. (2007). Теоретическая микрофлюидика . ISBN 978-0-19-923509-4 .

[Kirby-10] Jump up to: ^а ^б Кирби, Би Джей (2010). Микро- и наномасштабная механика жидкости: транспорт в микрофлюидных устройствах: Глава 6: Электроосмос . Издательство Кембриджского университета. Архивировано из оригинала 24 ноября 2020 г. Проверено 8 января 2011 г.

[Wise-11] Уайз, Д.Л. и Трантоло, диджей, ред. Рекультивация почв, загрязненных опасными отходами . {{cite book}}: |author= имеет общее имя ( справка ) CS1 maint: несколько имен: список авторов ( ссылка )

[Skoog-12] Jump up to: ^а ^б Скуг (2007). Принципы инструментального анализа . ISBN 978-0-495-12570-9 .

[Ducree-13] Jump up to: ^а ^б Дюкри, Джен. myFluidix.com .

[Ottosen-14] Оттосен, Лисбет; Энн Дж. Педерсен; Инге Рориг-Дальгаард (сентябрь 2007 г.). «Проблемы соли в кирпичной кладке и электрокинетическое удаление солей» . Журнал оценки зданий . 3 (3): 181–194. дои : 10.1057/palgrave.jba.2950074 . Доступно на: Springer.com.

[15] «Электроосмотические системы гидроизоляции – мошенничество или идеальное решение для увлажнения – решать вам!» .

[Jun_Hess_2010_pp._4823–4825-16] Джун, Ин-Кук; Хесс, Генри (13 сентября 2010 г.). «Биомиметическая самонакачивающаяся мембрана». Продвинутые материалы . 22 (43). Уайли: 4823–4825. Бибкод : 2010AdM....22.4823J . дои : 10.1002/adma.201001694 . ISSN 0935-9648 . ПМИД 20839247 . S2CID 205237530 .

[Clegg,_C.J._2006_p340-343-17] Jump up to: ^а ^б Клегг, К.Дж., Маккин, Д.Г. (2006) « Передовая биология – принципы и приложения » Hodder Stoughton Publishers, стр. 340–343.

[18] Полевой, В.В. (2003). «Электроосмотические явления в растительных тканях». Биологический вестник . 30 (2): 133–139. дои : 10.1023/А:1023285121361 . S2CID 5036421 .

[19] Эрландссон, PG; Робинсон, Северная Дакота (2011). «Электролизно-восстановительные электроды для электрокинетических устройств» . Электрофорез . 32 (6–7): 784–790. дои : 10.1002/elps.201000617 . ПМИД 21425174 . S2CID 1045087 .

[1]

[2]

[3]

[4]

[5]

[6]

[7]

[8]

[9]

[10]

[11]

[12]

[13]

[14]

[15]

[16]

[17]

[18]

[19]