Strömmande ström

En strömmande ström och strömningspotential är två inbördes relaterade elektrokinetiska fenomen som studeras inom områdena ytkemi och elektrokemi . De är en elektrisk ström eller potential som uppstår när en elektrolyt drivs av en tryckgradient genom en kanal eller porös plugg med laddade väggar.

Den första observationen av strömningspotentialen tillskrivs i allmänhet den tyske fysikern Georg Hermann Quincke 1859.

Ansökningar

Strömmande strömmar i väldefinierade geometrier är en känslig metod för att karakterisera zetapotentialen hos ytor, vilket är viktigt inom kolloid- och gränssnittsvetenskapen . Inom geologin används mätningar av relaterad spontan potential för utvärderingar av formationer. Strömningspotential måste beaktas vid design för flöde av dåligt ledande vätskor (t.ex. bensinledningar) på grund av risken för uppbyggnad av höga spänningar. Streaming current monitor (SCM) är ett grundläggande verktyg för att övervaka koagulering i avloppsreningsverk . Graden av koagulering av råvatten kan övervakas med användning av en SCM för att ge en positiv återkopplingskontroll av koagulantinjektion. När avloppsvattnets strömmande ström ökar injiceras mer koaguleringsmedel i strömmen. De högre nivåerna av koaguleringsmedel gör att de små kolloidala partiklarna koagulerar och sedimenterar ut ur strömmen. Eftersom mindre kolloida partiklar finns i avloppsvattenströmmen minskar strömningspotentialen. SCM inser detta och minskar därefter mängden koaguleringsmedel som injiceras i avloppsvattenströmmen. Implementeringen av SCM-återkopplingskontroll har lett till en betydande materialkostnadsminskning, en som inte realiserades förrän i början av 1980-talet. Förutom övervakningsmöjligheter kan den strömmande strömmen i teorin generera användbar elektrisk kraft . Denna process har dock ännu inte tillämpats eftersom den typiska strömningspotentialen mekanisk till elektrisk effektivitet är cirka 1 %.

Ursprung

Intill kanalväggarna kränks vätskans laddningsneutralitet på grund av närvaron av det elektriska dubbelskiktet : ett tunt lager av motjoner som attraheras av den laddade ytan.

Transporten av motjoner tillsammans med det tryckdrivna vätskeflödet ger upphov till en nettoladdningstransport: den strömmande strömmen. Den omvända effekten, som genererar ett vätskeflöde genom att applicera en potentialskillnad, kallas elektroosmotiskt flöde .

Mätningsmetod

En typisk uppsättning för att mäta strömmande strömmar består av två reversibla elektroder placerade på vardera sidan av en fluidgeometri över vilken en känd tryckskillnad appliceras. När båda elektroderna hålls vid samma potential mäts strömningsströmmen direkt som den elektriska ström som flyter genom elektroderna. Alternativt kan elektroderna lämnas flytande, vilket tillåter en strömningspotential att byggas upp mellan de två ändarna av kanalen.

En strömningspotential definieras som positiv när den elektriska potentialen är högre på högtrycksänden av flödessystemet än på lågtrycksänden.

Värdet på strömmande ström som observeras i en kapillär är vanligtvis relaterat till zetapotentialen genom relationen:

I_{str}=-{\frac {\epsilon _{rs}\epsilon _{0}a^{2}\pi }{\eta }}{\frac {\Delta P}{L}}\zeta

.

Ledningsströmmen , som är lika stor som den strömmande strömmen vid stationärt tillstånd, är :

I_{c}=K_{L}a^{2}\pi {\frac {U_{str}}{L}}

Vid stationärt tillstånd ges strömningspotentialen som byggs upp över flödessystemet av:

U_{str}={\frac {\epsilon _{rs}\epsilon _{0}\zeta }{\eta K_{L}} }\Delta P

Symboler:

I _str - strömmande ström under kortslutningsförhållanden, A
U _str - strömningspotential vid noll nettoströmförhållanden, V
I _c - ledningsström, A
ε _rs - relativ permittivitet för vätskan, dimensionslös
₀ ε - elektrisk permittivitet för vakuum, F·m ⁻¹
η - vätskans dynamiska viskositet , kg·m ⁻¹ ·s ⁻¹
ζ - zetapotential, V
ΔP - tryckskillnad, Pa
L - kapillärlängd, m
a - kapillärradie, m
K _L - specifik konduktivitet för bulkvätskan, S·m ⁻¹

Ekvationen ovan brukar kallas Helmholtz–Smoluchowski-ekvationen .

Ovanstående ekvationer antar att:

dubbelskiktet är inte för stort jämfört med porerna eller kapillärerna (dvs $\kappa a\gg 1$ ), där κ är den reciproka av Debye-längden
det finns ingen ytledning (vilket vanligtvis kan bli viktigt när zetapotentialen är stor, t.ex. |ζ| > 50 mV)
det finns ingen elektrisk dubbelskiktspolarisering
ytan är homogen i egenskaper
det finns ingen axiell koncentrationsgradient
geometrin är den för en kapillär/rör.

Litteratur

J. Lyklema, Fundamentals of Interface and Colloid Science
FHJ van der Heyden et al., Phys. Rev. Lett. 95, 116104 (2005)
C. Werner et al., J. Colloid Interface Sci. 208, 329 (1998)
Mansouri et al. The Journal of Physical Chemistry C, 112(42), 16192 (2008)

^ ^a ^b ^c Lyklema, J. (1995). Fundamentals of Interface and Colloid Science . Akademisk press .
^ Li, D. (2004). Elektrokinetik i mikrofluidik . Akademisk press .
^ Chang, HC, Yeo, L. (2009). Elektrokinetiskt driven mikrofluidik och nanofluidik . Cambridge University Press . {{ citera bok }} : CS1 underhåll: flera namn: lista över författare ( länk )
^ "Arkiverad kopia" (PDF) . Arkiverad från originalet (PDF) 2016-03-04 . Hämtad 2013-05-07 . {{ citera webben }} : CS1 underhåll: arkiverad kopia som titel ( länk )
^ Olthuis, Wouter; Schippers, Bob; Eijkel, Jan; Van Den Berg, Albert (2005). "Energi från strömmande ström och potential". Sensorer och ställdon B: Kemisk . 111–112: 385–389. CiteSeerX 10.1.1.590.7603 . doi : 10.1016/j.snb.2005.03.039 .
^ ^a ^b Kirby, BJ (2010). Fluidmekanik i mikro- och nanoskala: Transport i mikroflödesanordningar . Cambridge University Press. ISBN 978-0-521-11903-0 .
^ Bruus, H. (2007). Teoretisk mikrofluidik . Oxford University Press .
^ Karniadakis, GM, Beskok, A., Aluru, N. (2005). Mikroflöden och Nanoflöden . Springer Verlag . {{ citera bok }} : CS1 underhåll: flera namn: lista över författare ( länk )
^ "Mätning och tolkning av elektrokinetiska fenomen", International Union of Pure and Applied Chemistry, teknisk rapport, publicerad i Pure Appl. Chem., vol 77, 10, sid. 1753–1805, 2005 (pdf) .
^ Menachem Elimelech och Amy E. Childress, "Zeta Potential of Reverse Osmosis Membranes: Implikationer för Membrane Performance". USA:s inrikesdepartementet, Bureau of Reclamation, Denver Office. Vattenreningsteknikprogram Rapport nr 10. december 1996.

[Lyklema-1] Lyklema, J. (1995). Fundamentals of Interface and Colloid Science . Akademisk press .

[Li-2] Li, D. (2004). Elektrokinetik i mikrofluidik . Akademisk press .

[Chang-3] Chang, HC, Yeo, L. (2009). Elektrokinetiskt driven mikrofluidik och nanofluidik . Cambridge University Press . {{ citera bok }} : CS1 underhåll: flera namn: lista över författare ( länk )

[4] "Arkiverad kopia" (PDF) . Arkiverad från originalet (PDF) 2016-03-04 . Hämtad 2013-05-07 . {{ citera webben }} : CS1 underhåll: arkiverad kopia som titel ( länk )

[5] Olthuis, Wouter; Schippers, Bob; Eijkel, Jan; Van Den Berg, Albert (2005). "Energi från strömmande ström och potential". Sensorer och ställdon B: Kemisk . 111–112: 385–389. CiteSeerX 10.1.1.590.7603 . doi : 10.1016/j.snb.2005.03.039 .

[Kirby-6] Kirby, BJ (2010). Fluidmekanik i mikro- och nanoskala: Transport i mikroflödesanordningar . Cambridge University Press. ISBN 978-0-521-11903-0 .

[Bruus-7] Bruus, H. (2007). Teoretisk mikrofluidik . Oxford University Press .

[Karniadakis-8] Karniadakis, GM, Beskok, A., Aluru, N. (2005). Mikroflöden och Nanoflöden . Springer Verlag . {{ citera bok }} : CS1 underhåll: flera namn: lista över författare ( länk )

[9] "Mätning och tolkning av elektrokinetiska fenomen", International Union of Pure and Applied Chemistry, teknisk rapport, publicerad i Pure Appl. Chem., vol 77, 10, sid. 1753–1805, 2005 (pdf) .

[10] Menachem Elimelech och Amy E. Childress, "Zeta Potential of Reverse Osmosis Membranes: Implikationer för Membrane Performance". USA:s inrikesdepartementet, Bureau of Reclamation, Denver Office. Vattenreningsteknikprogram Rapport nr 10. december 1996.