28345

بررسي تاثير دانسيته بار متغير بر رفتار انتقال يون در نانوكانال نرم هيبريدي

كارشناسي ارشد

مهندسي شيمي-گرايش فرايندهاي جداسازي

1399

1401/12/22

سيد نظام الدين اشرفي زاده

مهندسي شيمي، نفت و گاز

در اين پژوهش به بررسي اثر دانسيته بار بر رفتار انتقال يون در ريزكانال يون انتخابگر پرداخته شده است. پديده يون انتخابگري كه عبارت است از ترجيح انتقال يون‌هاي ناهمنام با بار سطح ديواره كانال نسبت به يون‌هاي همنام، معمولاً زماني رخ مي‌دهد كه نانوكانال، هندسه نامتقارن داشته باشد. نانوكانال‌هاي نامتقارن معمولاً داراي ويژگي‌هاي بسيار جذاب از جمله يكسوسازي، يون‌گزيني، رسانايي و پلاريزاسيون غلظتي يوني هستند. به دليل اين ويژگي‌ها، امروزه با توجه به كاربردهاي فراوان نانوكانال‌هاي الهام گرفته شده از طبيعت، افزايش عملكرد و اصلاح رفتار اين سامانه‌ها مورد توجه قرار گرفته است. همينطور استفاده از پوشش لايه نرم بر سطح نانوكانال‌ها به منظور افزايش كارايي اين سامانه‌ها مورد توجه قرار گرفته است. 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 همچنين غالباً در پژوهش‌ها دانسيته بار لايه نرم ثابت در نظر گرفته مي‌شود، اما در سامانه‌هاي واقعي دانسيته بار لايه نرم داراي توابع توزيع مكاني است. براي اين منظور در اين پژوهش چهار تابع توزيع مكاني ثابت (نوعI)، نمايي (نوع II)، سيگموئيدال (نوعIII) و گام نرم (IV) براي دانسيته بار لايه نرم لحاظ شده همچنين نانوكانال مورد بررسي بصورت هيبريدي مي‌باشد كه تركيبي از دو بخش مخروطي و استوانه‌اي است. سپس به كمك روش المان محدود در شرايط پايدار، به حل عددي معادلات پواسون-نرنست-پلانك و نوير-استوكس پرداخته شد. نتايج نشان داد با تغيير 𝛼 از 0.2 تا 1 در غلظت 1 ميلي مولار يكسوسازي براي تابع نمايي (نوع II) مي تواند تا 6.129 افزايش يابد (يعني 5.7 برابر شود). از طرف ديگر در ولتاژ 1+ ولت با تغيير چگالي بار در پلي‌الكتروليت از صفر تا 100مول بر متر مكعب گزينش پذيري براي توابع توزيع ثابت (نوعI)، نمايي (نوع II)، سيگموئيدال (نوعIII) و گام نرم (نوع IV) به ترتيب 0.9072، 0.2009، 0.1543- و 0.9031 شود. با توجه با نتايج مستخرج از اين شبيه‌سازي مي‌توان با كنترل دانسيته بار لايه نرم رفتار هوشمند از نانوكانال‌ها با كاربردهاي جداسازي، تشخيصي و تفكيك دريافت نمود.

1402/03/09

The Effect of Variable Charge Density on Ion Transport in Hybrid Soft Nanochannel

3/12/2024 12:00:00 AM

In this research, the effect of soft layer charge density on the behavior of ionic transport in the ion selective nanochannel has been investigated. The phenomenon of ionic selectivity, which is the preference of transfer of counter-ions to the surface charge of the channel wall over co-ions, usually occurs when the nanochannel has an asymmetric geometry. Asymmetric nanochannels usually have very attractive properties including rectification, ionic selectivity, conductivity and ionic concentration polarization. Due to these features, today, many applications of nanochannels inspired by nature, increasing the performance and modifying the behavior of these systems has been considered. Also, the use of soft layer coating on the surface of nanochannels has been considered in order to increase the efficiency of these systems. In the modeling of soft nanochannels, it is usually assumed that the properties of the soft layer and the electrolyte are the same, which is not true for soft layers with high charge density. Also, often in researches, the charge density of the soft layer is considered constant, but in real systems, the charge density of the soft layer is it has spatial distribution functions. For this purpose, in this research, four spatial distribution functions include fixed (type I), exponential (type II), sigmoidal (type III) and soft step (IV) have been considered for the charge density of the soft layer. Also, the investigated nanochannel is a hybrid form, which is a combination of two parts. It is conical and cylindrical. Then, numerical solution of Poisson-Nernst-Planck and Navier-Stokes equations was done using the finite element method under stady-state conditions. The results showed that by changing 𝛼 from 0.2 to 1 at a concentration of 1 mM, the rectification for the exponential function (type II) can increase to 6.129 (ie 5.7 times). On the other hand, at a voltage of 1 V with a change in the charge density in the polyelectrolyte from zero to 100 mol/m3, the selectivity for the fixed (type I), exponential (type II), sigmoidal (type III) and soft step (type IV) distribution functions is 0.9072 , 0.2009, -0.1543 and 0.9031, respectively. According to the results obtained from this simulation, by controlling the charge density of the soft layer, intelligent behavior of nanochannels can be obtained with separation, diagnosis and detection applications.

نانوكانال نرم هيبريدي , انتقال يون , جريان الكترواسمزي , پلي‌الكتروليت , پلاريزاسيون غلظتي , دانسيته بار لايه نرم

Hybrid soft nanochannel , Ion transport , Electroosmotic flow , Polyelectrolyte , Concentration polarization , Soft layer charge density

Amir Hossein Heydari

Seyed Nezameddin Ashrafizadeh