基于离子浓差极化效应的微纳复合通道除盐效应及其特性研究

发布时间：2020-05-23 23:10

【摘要】：在微流控技术领域,壁面带电的纳米通道可以起到与离子选择性膜类似的作用,因此对微纳复合管道的相关研究也取得了重大进展。本文利用两组纳米通道阵列连接三个平行微米通道建立对称模型,通过数值模拟解释了通道内的除盐机理。例如,当纳米通道阵列两侧的电势差(V_(cn))等于10倍的热电压(V_T)时,系统的除盐率已经可以达到90%左右,V_(cn)等于20V_T时即可以超过99%,且随着V_(cn)越大,系统除盐率增长得越缓慢;流体运动方面,分析了压力流的成因,当V_(cn)等于零时,通道内流体的运动主要以第一类电渗流(EOF1)为主,当V_(cn)逐渐增大时,通道内压力流占主导地位,对上游流体运动形成正向补偿,对下游流体进行反向补偿;当V_(cn)足够大时,在微纳米通道结合处会产生非线性涡流,即为EOF1显著增强以后表现出来的泵效应;流体速度方面,研究了通道内流体的平均速度随着通道出入口处的电势差(V_(LR))和V_(cn)二者一起变化的趋势、纳米通道阵列附近的第二类电渗滑移速度(U_(S2))和V_(cn)之间的变化关系。当V_(cn)相对V_(LR)较小时,水流的平均速度随着V_(cn)增长较为缓慢,此时通道内EOF1占主导地位,而当V_(cn)值进一步增大时,此时第二类电渗流(EOF2)起主要作用,系统的平均速度随V_(cn)完全线性变化,且发现V_(LR)越大时,系统进入完全由第二类电渗流主导的线性阶段所需要的V_(cn)值也越大。此外,分别研究了在长直嵌膜通道和微纳米复合通道的出入口施加对称电压后通道内第二类电渗滑移速度与V_(cn)之间的关系;接着在嵌膜微通道内加入方形障碍物阵列并改变阵列左右位置坐标,对比系统前后各个特征的差别,发现加入障碍物阵列以后通道内流体平均速度均降低,除盐率更高,第二类电渗流受到明显抑制,还发现个别位置可以扩大除盐区域。为提高通道内除盐率提供了新方法。
【图文】：

通道,离子输运,通道宽度,离子浓度

面任意位置的一点处的速度值和局部场强成正比，此外远离壁面的速度场是没有涡旋的[39]。当通道的宽度尺寸与德拜长度处于同一量级时，即两者的长度尺寸均为纳米级，如图 1-1(c)所示，此时双电层厚度占通道宽度比例不可以忽略，又由于双电层内离子浓度较高且反性离子浓度高于同性离子的浓度，则造成整个通道内反性离子数量高于同性离子，这时通道对不同离子输运的效果便会出现显著差别。如图 1-1(d)所示，当通道宽度进一步减小时，上下壁面的双电层会发生重叠，，此时通道内的离子浓度差异进一步显现，若壁面所带电荷电量进一步增加，则会出现只允许一种离子即仅反性离子可以通过的极端现象，该现象即为纳米通道壁面带电表现出来的离子选择性。若在膜内部的纳米孔隙通道表面发生双电层重叠，则只允许与壁面带电极性相反的离子通过，即假设壁面带负电，于是纳米孔隙只允许阳离子可以通过，这也起到了离子选择性通过的作用，跟纳米通道的离子选择性的原理类似。利用纳米通道离子选择性的这一特征，科研人员利用其在化学领域实现了海水除盐的应用。此外，Santiago[40, 41]等也利用实验证明了当双电层不重叠时也可以建立离子浓差极化效应的事实。

曲线,纳米通道,微纳米,富集

子浓差极化图 1-2(a)所示，由中间一个纳米通道左右各连接一个微米级的通道型模型，通道所有壁面均带负电，整个通道处在一个从左向右的匀据上述纳米通道具有离子选择性的描述，由于纳米通道壁面带负电向右，因此只允许阳离子从左向右通过，而左侧阴离子远离纳米通子逼近纳米通道，从而造成纳米通道左侧阴阳离子浓度均降低，右度均升高，这就是微纳通道表面交界处形成的离子浓差极化现象。色曲线的波峰按比例的显示了阴离子的聚集或者堆叠，黑色曲线背景离子的浓度[42]。该实验结构简单，加工方便，实验上较为容易仿真易于简化，因此被广泛应用于微纳通道内的离子浓差极化现象
【学位授予单位】：温州大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：P747;TB383.1

【参考文献】