21956

21956

بررسي تاثير خواص لايه پلي الكتروليتي بر انتقال يون در نانوكانال‌هاي مخروطي شكل

كارشناسي ارشد

فرآيندهاي جداسازي

98-99

1398/12/21

دكتر سيد نظام الدين اشرفي زاده - دكتر آرمان صادقي

مهندسي شيمي، نفت و گاز

به دليل عدم تقارن هندسي در نانوكانال‌ها/ نانوحفرات مخروطي، آن‌ها داراي ويژگي‌هاي الكتروسينتيكي بسيار جذاب از جمله گزينش‌پذيري يوني، پلاريزاسيون غلظت يوني و اصلاح جريان يوني هستند. به دليل ويژگي‌هاي جالب در اصلاح و يكسوسازي جريان يوني، اخيراً نانوكانال‌هاي مخروطي پوشيده شده از لايه پلي‌الكتروليتي يا همان لايه نرم مورد توجه قرار گرفته‌اند. در مدل‌سازي نانوكانال‌هاي نرم 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 مخروطي 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 و تجربي موجود مورد تأييد قرار گرفت. نتايج نشان داد كه اختلاف خواص (گذردهي، ضريب نفوذ و ويسكوزيته ديناميكي) مرز مشترك لايه نرم-الكتروليت منجر به بهبود قابل توجهي بر فاكتور اصلاح جريان يوني، به ويژه در غلظت‌هاي كم و متوسط توده شد. براي نمونه زماني كه غلظت توده برابر با c_0=1 mM، فاكتور اصلاح جريان يوني براي نانوكانال نوع اول از مقدار 1.13 در شرايط η_ε=η_μ=η_D=1 به مقدار 7.78 در شرايط η_ε=η_D=0.25,η_μ=10 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 دوم پژوهش درحالت توليد توان با استفاده از الكترودياليز معكوس هنگامي كه دانسيته بار لايه نرم برابر با 100 mol.m^(-3) و ضخامت لايه نرم برابر با 8 nm است ميزان دانسيته توان توليد شده توسط سامانه برابر با مقدار 51.5 W/m^2 مي‌باشدكه تقريباً سه برابر مقدار دانسيته توان توليد شده در نانوكانال مخروطي شكل فاقد لايه نرم است.

1399/02/16

The Effect of Polyelectrolyte Properties on Ion Transport in Conical Nanochannel

3/20/2021 12:00:00 AM

Because of their asymmetry, conical nanochannels/nanopores exhibit various attractive electrokinetic features including ion selectivity, ionic concentration polarization, and ionic current rectification. The polyelectrolyte layer (PEL)-covered (soft) conical nanochannels have recently attracted significant attention, because of their interesting rectification characteristics. In modeling of soft nanochannels, it is usually assumed that the properties of the PEL and electrolyte are the same, an assumption that is not true, especially for dense PELs. In the present work, the influence of the PEL-electrolyte property contrast on the ionic current rectification in conical soft nanochannels is studied. To this end, adopting a finite-element approach, the Poisson-Nernst-Planck and Navier-Stokes equations are numerically solved for a steady-state by considering different values of permittivity, diffusivity, and dynamic viscosity for the PEL and electrolyte. The model is validated by comparing the results with the available theoretical and experimental data. The results show that the PEL-electrolyte property contrast leads to a significant improvement of the rectification behavior, especially at low and moderate salt concentrations. This not only highlights the importance of considering different properties for the PEL and electrolyte but also implies that the rectification behavior of soft nanochannels/nanopores may be improved considerably by utilizing denser PELs. Considering a typical PEL with the charge density 100 mol.m^(-3) and the thickness 8 nm along with a high-to-low concentration ratio of 1000, we demonstrate that it is possible to extract a power density of 51.5 W/m^2, which is nearly three times the maximum achievable value by means of bare conical nanochannels at the same salinity gradient.