18682

۱۸۶۸۲

مدل‌‌سازي اثر اندازه يوني بر روي پتانسيل جرياني در نانوكانال‌‌هاي نرم

كارشناسي ارشد

فرآيندهاي جداسازي

دي ماه ۱۳۹۶

دكتر سيد نظام الدين اشرفي زاده - دكتر آرمان صادقي

مهندسي شيمي، نفت و گاز

در سال‌‌هاي اخير استفاده از نانوكانال‌‌هاي نرم براي بهبود پديده‌‌هاي الكتروسينتيكي از جمله پتانسيل جرياني محور مطالعات گسترده‌‌اي بوده‌‌است. در مدل‌‌سازي‌‌هاي صورت گرفته، يون‌‌ها و ذرات باردار به صورت بار مؤثر نقطه‌‌اي فرض شده‌‌اند. در اين پژوهش براي اولين بار مدل‌‌سازي پتانسيل جرياني درون نانوكانال نرم با در نظر گرفتن اندازه يون‌‌ها انجام شده‌‌است. بدين منظور از رابطه پواسون-بيكرمن براي تعيين توزيع يون‌‌ها درون نانوكانال نرم استفاده شد و تأثير اندازه مؤثر يون‌‌ها با فاكتور فضايي در روابط بيان گرديد. روابط حاصل براي جريان محلول الكتروليت متقارن در نانوكانال شياري با ديواره پوشيده شده از لايه پلي‌‌الكتروليت، كه به عنوان نانوكانال نرم شناخته مي‌‌شود، به صورت عددي و نيمه-تحليلي حل شدند. طبق نتايج حاصل شده، با افزايش دانسيته عددي بارهاي ثابت درون لايه پلي‌‌الكتروليت از N^*=1 تا N^*=10، كه موجب افزايش پتانسيل الكتريكي ψ^* در عرض نانوكانال تا 60 واحد مي‌‌شود، خطاي ناشي از در نظر نگرفتن اندازه يون‌‌ها در محاسبه تمامي مقادير از جمله پتانسيل جرياني، افزايش مي‌‌يابد. بررسي اين موضوع با تغيير فاكتور فضايي از ν=0 كه بيانگر نقطه‌‌اي بودن بارها است تا ν=0.2 نشان دهنده يون‌‌هاي بزرگتر است، انجام شده‌‌است. اين خطا به دليل تراكم زياد يون‌‌ها در مجاورت ديواره نانوكانال ايجاد مي‌‌شود كه گاهي باعث كاهش فاصله يون‌‌ها به مقداري كم‌‌تر از شعاع يوني مي‌‌شود، هرچند كه اين موضوع عملاً غير ممكن است. با در نظر گرفتن اندازه يون‌‌ها از چنين تراكمي جلوگيري مي‌‌شود. ضمناً با افزايش اندازه يون‌‌ها عرض بيش‌‌تري از نانوكانال در راستاي حركت از ديواره به سمت مركز تحت تأثير پتانسيل الكتريكي قرار مي‌‌گيرد. همچنين مشاهده شد براي مقادير متوسط دانسيته عددي بارهاي ثابت درون لايه نرم، با افزايش اندازه يون‌‌ها، پتانسيل جرياني افزايش مي‌‌يابد. چنين افزايشي در پتانسيل جرياني، موجب افزايش 40 درصدي كارايي تبديل انرژي مكانيكي به الكتريكي در مقدار N^*=4.25 براي سامانه مي‌‌شود. كليدواژه‌‌ها: پتانسيل جرياني، نانوكانال نرم، اندازه يوني، تبديل انرژي الكتريكي-شيميايي-مكانيكي

1396/12/26

3/21/2018 12:00:00 AM

In recent years there have been considerable studies in the world about the application of Soft Nanochannels to improve the electrokinetic phenomena such as streaming potential. Until now, the models were developed with respect to assuming ions as effective point charges. The novelty of this thesis is that the model of streaming potential inside of the soft Nanochannel is developed with taking the ionic size effect into the account. The distribution of the ions inside the soft Nanochannel was estimated based on Poisson-Bikerman correlation and the steric factor represents the effective size of ions on the governing equations those are presented at this thesis. Resultant equations were modified for a symmetrical electrolyte solution inside a slit nanochannel covered by polyelectrolyte layer. All of the equations of this model were solved using numerical and semi-analytical methods. According to the results, it was found that with increasing number density of fixed charges inside polyelectrolyte layer that leads to increase in electrical potential in nanochannel width, will cause an increase in error if the ionic ignored by putting the steric factor to zero. The accumulation and the compression of the ions near the wall of the nanochannel leads to this error. Moreover, it can also lead to decrease the distance between ions until less than ionic radius, which is not reasonable. To dealing with the aforementioned challenges, considering the size of the ions is pivotal. Taking this assumption leads to avoid from accumulation and compression of the ions. In addition to previous point, increasing the ionic size makes wider area of nanochannel under influence of the electrical potential. The results of this thesis also are revealed that the streaming potential was increased by increasing the ionic size, for the average values of the number density of fixed charges inside the soft layer. Therefore, as the result the efficiency of the electrochemomechanical energy conversion will be increase up to 40%. Keywords: Streaming Potential, Soft Nanochannel, Ionic Size, Electrochemomechanical Energy Conversion