【摘要】：在微流控技術(shù)領(lǐng)域,壁面帶電的納米通道可以起到與離子選擇性膜類似的作用,因此對(duì)微納復(fù)合管道的相關(guān)研究也取得了重大進(jìn)展。本文利用兩組納米通道陣列連接三個(gè)平行微米通道建立對(duì)稱模型,通過(guò)數(shù)值模擬解釋了通道內(nèi)的除鹽機(jī)理。例如,當(dāng)納米通道陣列兩側(cè)的電勢(shì)差(V_(cn))等于10倍的熱電壓(V_T)時(shí),系統(tǒng)的除鹽率已經(jīng)可以達(dá)到90%左右,V_(cn)等于20V_T時(shí)即可以超過(guò)99%,且隨著V_(cn)越大,系統(tǒng)除鹽率增長(zhǎng)得越緩慢;流體運(yùn)動(dòng)方面,分析了壓力流的成因,當(dāng)V_(cn)等于零時(shí),通道內(nèi)流體的運(yùn)動(dòng)主要以第一類電滲流(EOF1)為主,當(dāng)V_(cn)逐漸增大時(shí),通道內(nèi)壓力流占主導(dǎo)地位,對(duì)上游流體運(yùn)動(dòng)形成正向補(bǔ)償,對(duì)下游流體進(jìn)行反向補(bǔ)償;當(dāng)V_(cn)足夠大時(shí),在微納米通道結(jié)合處會(huì)產(chǎn)生非線性渦流,即為EOF1顯著增強(qiáng)以后表現(xiàn)出來(lái)的泵效應(yīng);流體速度方面,研究了通道內(nèi)流體的平均速度隨著通道出入口處的電勢(shì)差(V_(LR))和V_(cn)二者一起變化的趨勢(shì)、納米通道陣列附近的第二類電滲滑移速度(U_(S2))和V_(cn)之間的變化關(guān)系。當(dāng)V_(cn)相對(duì)V_(LR)較小時(shí),水流的平均速度隨著V_(cn)增長(zhǎng)較為緩慢,此時(shí)通道內(nèi)EOF1占主導(dǎo)地位,而當(dāng)V_(cn)值進(jìn)一步增大時(shí),此時(shí)第二類電滲流(EOF2)起主要作用,系統(tǒng)的平均速度隨V_(cn)完全線性變化,且發(fā)現(xiàn)V_(LR)越大時(shí),系統(tǒng)進(jìn)入完全由第二類電滲流主導(dǎo)的線性階段所需要的V_(cn)值也越大。此外,分別研究了在長(zhǎng)直嵌膜通道和微納米復(fù)合通道的出入口施加對(duì)稱電壓后通道內(nèi)第二類電滲滑移速度與V_(cn)之間的關(guān)系;接著在嵌膜微通道內(nèi)加入方形障礙物陣列并改變陣列左右位置坐標(biāo),對(duì)比系統(tǒng)前后各個(gè)特征的差別,發(fā)現(xiàn)加入障礙物陣列以后通道內(nèi)流體平均速度均降低,除鹽率更高,第二類電滲流受到明顯抑制,還發(fā)現(xiàn)個(gè)別位置可以擴(kuò)大除鹽區(qū)域。為提高通道內(nèi)除鹽率提供了新方法。
【圖文】：

面任意位置的一點(diǎn)處的速度值和局部場(chǎng)強(qiáng)成正比，此外遠(yuǎn)離壁面的速度場(chǎng)是沒(méi)有渦旋的[39]。當(dāng)通道的寬度尺寸與德拜長(zhǎng)度處于同一量級(jí)時(shí)，即兩者的長(zhǎng)度尺寸均為納米級(jí)，如圖 1-1(c)所示，此時(shí)雙電層厚度占通道寬度比例不可以忽略，又由于雙電層內(nèi)離子濃度較高且反性離子濃度高于同性離子的濃度，則造成整個(gè)通道內(nèi)反性離子數(shù)量高于同性離子，這時(shí)通道對(duì)不同離子輸運(yùn)的效果便會(huì)出現(xiàn)顯著差別。如圖 1-1(d)所示，當(dāng)通道寬度進(jìn)一步減小時(shí)，上下壁面的雙電層會(huì)發(fā)生重疊，，此時(shí)通道內(nèi)的離子濃度差異進(jìn)一步顯現(xiàn)，若壁面所帶電荷電量進(jìn)一步增加，則會(huì)出現(xiàn)只允許一種離子即僅反性離子可以通過(guò)的極端現(xiàn)象，該現(xiàn)象即為納米通道壁面帶電表現(xiàn)出來(lái)的離子選擇性。若在膜內(nèi)部的納米孔隙通道表面發(fā)生雙電層重疊，則只允許與壁面帶電極性相反的離子通過(guò)，即假設(shè)壁面帶負(fù)電，于是納米孔隙只允許陽(yáng)離子可以通過(guò)，這也起到了離子選擇性通過(guò)的作用，跟納米通道的離子選擇性的原理類似。利用納米通道離子選擇性的這一特征，科研人員利用其在化學(xué)領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)了海水除鹽的應(yīng)用。此外，Santiago[40, 41]等也利用實(shí)驗(yàn)證明了當(dāng)雙電層不重疊時(shí)也可以建立離子濃差極化效應(yīng)的事實(shí)。

子濃差極化圖 1-2(a)所示，由中間一個(gè)納米通道左右各連接一個(gè)微米級(jí)的通道型模型，通道所有壁面均帶負(fù)電，整個(gè)通道處在一個(gè)從左向右的勻據(jù)上述納米通道具有離子選擇性的描述，由于納米通道壁面帶負(fù)電向右，因此只允許陽(yáng)離子從左向右通過(guò)，而左側(cè)陰離子遠(yuǎn)離納米通子逼近納米通道，從而造成納米通道左側(cè)陰陽(yáng)離子濃度均降低，右度均升高，這就是微納通道表面交界處形成的離子濃差極化現(xiàn)象。色曲線的波峰按比例的顯示了陰離子的聚集或者堆疊，黑色曲線背景離子的濃度[42]。該實(shí)驗(yàn)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，加工方便，實(shí)驗(yàn)上較為容易仿真易于簡(jiǎn)化，因此被廣泛應(yīng)用于微納通道內(nèi)的離子濃差極化現(xiàn)象
【學(xué)位授予單位】：溫州大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2019
【分類號(hào)】：P747;TB383.1

【參考文獻(xiàn)】

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本文編號(hào)：2678091