در اين پژوهش، به مطالعه انتقال جرم يك باند آناليت در جريان الكترو اسمز در ميكرو كانال نرم دو صفحه موازي بر اساس نظريه «پخش هيدروديناميكي» (پخش تيلور) پرداخته شد. با فرض جريان كاملاً توسعه يافته در ميكرو كانال داراي پتانسيل سطحي كم، ابتدا معادلات تحليلي براي توزيع پتانسيل الكتريكي و توزيع سرعت حاصل گرديد و سپس با در نظر گرفتن نظريه پخش تيلور و با استفاده از معادلات مذكور، حل تحليلي براي توزيع غلظت حل‎شونده و نهايتاً معادله‌اي براي ضريب پخش مؤثر حاصل شد. هم‎چنين تحليل‎هاي عددي براي پيش‎بيني مقادير پخش در پتانسيل‎هاي بالا انجام شده و محدوده بحراني براي اعتبار خطي‎سازي دباي-هاكل در مجراهاي ميكرو نرم به دست آمد. سپس مقادير حاصل براي ضريب پخش مؤثر از معادله تحليلي و حل عددي معادلات فوق بدون درنظر گرفتن تقريب دباي-هاكل با يكديگر مقايسه شد و مشاهده گرديد كه خطاي قابل قبولي بين داده‎ها (در حدود 12%) وجود دارد. علاوه بر اين، حركت و پخش باند آناليت تزريق‌شده در ميكرو كانال نرم بر مبناي متوسط‌گيري غلظت در هر سطح مقطع كانال مدل‌سازي شد و با مقايسه نتايج حاصل با نتايج روش عددي معادلات كوپل‎شده خطاي تقريبي متوسط 9% حاصل گرديد. اين ميزان خطا تا حدودي به علت فرضيات ساده‎كننده موجود مي‎باشد و از سوي ديگر محدود بودن آن نشان از درستي فرضيات مذكور دارد. نتايج حاكي از آن است كه با افزايش ضخامت لايه پلي‌الكتروليت، ضريب پخش مؤثر (پخش هيدروديناميكي) در جريان الكترواسمز افزايش مي‌يابد. بنابراين در مواردي كه افزايش پخش مدنظر باشد مي‎توان از ميكرو كانال نرم به جاي ميكرو كانال معمولي استفاده نمود. به عنوان مثال ضريب پخش مؤثر در مقادير يكساني از پارامترهاي عدد پكلت، ارتفاع الكترو سينتيكي و پتانسيل الكتريكي ديواره براي ميكرو كانال معمولي و ميكرو كانال با ضخامت لايه پلي‎الكتروليت برابر 1/0 به ترتيب برابر با 20/0 و 45/0 است. علاوه بر اين مي‎توان گفت كه افزايش اصطكاك لايه پلي‎الكتروليت باعث كاهش پخش هيدروديناميكي مي‎شود. همچنين علي‎رغم اين‎كه براي كاهش پخش هيدروديناميكي در كانال‎هاي معمولي، كاهش پتانسيل سطح لازم است، در كانال‎هاي نرم پتانسيل سطحي‌اي كه در آن حداقل پخش هيدروديناميك رخ مي‎دهد، شديداً وابسته به چگالي گروه‎هاي باردار لايه پلي‎الكتروليت است. سرانجام نشان داده شد كه در ميكرو كانال‎هاي نرم، يك دولايه الكتريكي سه‎گانه شامل دولايه الكتريكي كنار ديواره و دولايه‎هاي تشكيل شده در لبه لايه پلي‎الكتروليت به سمت داخل و خارج اين لايه تشكيل مي‎گردد. كلمات كليدي: الكترو اسمز، ميكرو كانال نرم، ضريب پخش تيلور، انتقال جرم، حل تحليلي

1396/04/13

1/1/1900 12:00:00 AM

Abstract: In this research, we study the hydrodynamic dispersion (HD) by electroosmotic flow in soft microchannels. At first, by considering a fully developed flow in a slit microchannel of low surface potential, we drive the analytical solutions for the electrical potential and velocity distribution and then by adopting the Taylor dispersion theory and using the mentioned equations, we get analytical solutions for the solute concentration field and the effective dispersion coefficient. We also conduct numerical analyses to broaden the paper’s scope to high surface potentials and to specify a criterion for the validity of the Debye-Hückel linearization in soft microconduits as well as to investigate the broadening of an analyte band from the time of injection. It is demonstrated that the effective dispersion coefficient is generally larger for thicker polyelectrolyte layers (PEL). This means that the hydrodynamic dispersion in electroosmotic flow increases by grafting a PEL to the surface. Furthermore, it is found that higher PEL frictions lead to smaller HD. In addition, despite rigid channels for which smaller HD is achieved by decreasing the surface potential, the surface potential corresponding to the minimum HD is here strongly dependent upon the density of PEL charged groups. Finally, anomalies observed in the electrical potential and velocity distributions of soft microchannels are shown to be caused due to the creation of a triple-EDL within and outside the PEL. Keywords: Electroosmotic flow; Soft microchannel; Taylor dispersion; Mass transfer; Analytical solution.