25797

بررسي تاثير خواص لايه پلي¬الكتروليتي بر انتقال يون در ريزكانال هاي دوقطبي

كارشناسي ارشد

مهندسي شيمي-گرايش فرايند هاي جداسازي

1400

1400/08/29

دكتر سيد نظام الدين اشرفي زاده

زماني كه هر دو نوع بار مثبت و منفي در سطح ريزكانال وجود داشته باشد، سامانه را ريزكانال دوقطبي يا اصطلاحاً ديود يوني دو قطبي نيز مي‌نامند. ريزكانال دوقطبي درجه يكسوسازي خيلي بالايي نسبت به ريزكانال تك قطبي كه با هندسه نامتقارن ( همانند مخروطي) دارد زيرا در حالت جريان برگشتي، جرياني نزديك به صفر عبور مي¬دهد .در مدل‌سازي نانوكانال‌هاي نرم دوقطبي معمولاً فرض مي‌شود كه خواص لايه نرم و الكتروليت يكسان هستند‌، كه اين فرض براي لايههاي نرم با دانسيته بار بالا صحيح نيست. در كار حاضر، تأثير اختلاف خواص مرز مشترك لايه نرم- الكتروليت بر اصلاح جريان يوني در نانوكانال‌هاي نرم دوقطبي استوانه‌اي مورد مطالعه قرار گرفت. براي اين منظور، با اتخاذ يك رويكرد محاسبات عددي به روش المان محدود، معادلات پواسون-نرنست-پلانك و ناوير-استوكس با در نظر گرفتن مقادير مختلف گذردهي، ضريب نفوذ و ويسكوزيته ديناميكي براي پلي‌الكتروليت و الكتروليت، براي حالت پايا حل گرديد. مدل با مقايسه نتايج داده‌هاي نظري موجود مورد تأييد قرار گرفت. نتايج نشان داد كه اختلاف خواص (گذردهي و ضريب نفوذ) مرز مشترك لايه نرم-الكتروليت منجر به بهبود قابل توجهي بر فاكتور اصلاح جريان يوني، به ويژه در غلظت‌هاي بالاتر از 5 mM الكتروليت شد. براي نمونه زماني كه غلظت توده برابر با c_0=10 mM، فاكتور اصلاح جريان يوني براي نانوكانال استوانه دوقطبي با لايه نرم از مقدار 695 در شرايط η_ε=η_μ=1,η_D=2 به مقدار 134300 در شرايط η_ε=η_D=0.6 ,η_μ=2 مي‌رسد. اين نه تنها اهميت در نظر گرفتن خواص مختلف براي لايه نرم و الكتروليت را برجسته مي‌كند بلكه نشان داد كه رفتار اصلاح جريان نانوكانال‌ها ممكن است با استفاده از لايه نرم متراكم‌تر بهبود يابد. در بخش ديگر پژوهش به بررسي رفتار انتقال يون در سامانه‌اي كه خواص لايه نرم به صورت غيرمتقارن مي‌باشد، پرداخته شده است. نتايج نشان داد در غلظت هاي كم الكتروليت مقدار بيشينه يكسوكنندگي بر خلاف گفته‌هاي پيشين در شرايط متقارن رقم نميخورد و در شرايطي كه ضخامت و دانسيته لايه نرم منفي بيشتر از لايه نرم مثبت باشد اين اتفاق مي¬افتاد.

1400/10/11

The Effect of Polyelectrolyte Properties on Ion Transport in Bipolar Nanochannels

11/20/2022 12:00:00 AM

When both positive and negative charges are present at the nanochannel surface, the system is also called a bipolar nanochannel or dipole ion diode. Bipolar nanochannels have a much higher rectification degree than unipolar nanochannels with asymmetric geometry (like a cone) because, in the reverse flow mode, a current of close to zero passes. In modeling bipolar soft nanochannels, it is usually assumed that the soft layer's properties and the electrolyte are the same, not valid for high-density soft layers. The difference between the PEL-electrolyte common boundary properties on ion current rectification in cylindrical bipolar soft nanochannels was studied in the present work. To this end, by adopting a numerical computational approach using the finite element method, Poisson-Nernst-Planck and Navier-Stokes equations were solved for steady-state by considering different permittivity values, diffusion coefficient, and dynamic viscosity for polyelectrolyte and electrolyte. The model was confirmed by comparing the results of existing theoretical and experimental data. The results showed that the difference in properties (permittivity and diffusion coefficient) of the soft-electrolyte common boundary led to a significant improvement on the ion current rectification factor, especially at concentrations higher than 5 mM electrolyte. For example, when the bulk concentration is c_0=10 mM, the ionic current correction factor for the bipolar cylindrical nanochannel with a soft layer of 695 at η_ε=η_μ=1,η_D=2 at 134300 under η_ε=η_D=0.6 ,η_μ=2 arrives. This highlights the importance of considering different properties for the soft layer and the electrolyte and shows that nanochannels' ICR behavior may be improved by using a denser soft layer. In the other part of the research, the same system used in the first part, with the difference that the soft layer properties are considered asymmetric. The results showed that the maximum amount of rectification did not occur in symmetric conditions at low electrolyte concentrations, contrary to expectations. This occurred when the negative soft layer's thickness and density were more significant than the surface with a positive charge.

نانوكانال نرم دوقطبي , جريان الكترواسمزي , اثر جدايش يوني , يكسو‌‌سازي جريان يوني , لايه پلي‌الكتروليت

Bipolar soft nanochannel , Electroosmotic flow , Ion partitioning effect , Ionic current rectification , Polyelectrolyte layer