전기-오즈메시스

Electro-osmosis

전기전자 흐름(또는 전기-osmotic flow, 흔히 약칭 EOF, 전기 또는 전기endosmosis와 동의어)은 다공성 물질, 모세관, 멤브레인, 마이크로 채널 또는 기타 유체 도관에 걸쳐 적용된 전위에 의해 유도되는 액체의 운동이다.전기전자속도는 도관 크기에 독립적이기 때문에 전기적 이중층이 채널의 특성적 길이 척도보다 훨씬 작은 한 전기전자 흐름은 거의 영향을 미치지 않을 것이다.전기전자 흐름은 작은 채널에서 가장 중요하다.전기전자 흐름은 화학적 분리 기법에서 필수적인 요소인데, 특히 모세관 전기영동증이다.전기전자 흐름은 자연적으로 여과되지 않은 물에서 발생할 수 있고 완충 용액에서도 발생할 수 있다.

전기유동도계

역사

Electro-osmotic 흐름 먼저 1807년 퍼디낸드 프리드리히 Reuss에 의해 4월 1852년(슈투트가르트, 독일))[1]출간되지 않은 강의에서 – 14(2월 18일 1778년(튀빙겐, 독일)가 보도되기 전에 Physical-Medical 협회 모스크바;Reuss 처음으로 1809년 제국 협회 Naturalists의 "에electro-osmotic 흐름의 계정을 발표했다[2].모태범의그는 전기 전압을 가함으로써 물이 점토 플러그를 통해 흐르게 할 수 있다는 것을 보여주었다.[3][4]점토는 실리카와 다른 미네랄의 입자로 촘촘히 채워져 있으며, 물은 좁은 유리관을 통과하는 것처럼 이들 입자 사이의 좁은 공간을 통해 흐른다.물/실리카의 경우 효과가 특히 크지만 전해질(용해된 이온을 포함한 액체)과 절연 고체의 조합은 전기-오토틱 흐름을 생성한다.그렇더라도 유속은 대개 초당 몇 밀리미터에 불과하다.

전기-osmosis는 1814년 영국의 화학자 로버트 포렛 주니어(1783–1868)에 의해 독립적으로 발견되었다.[5][6]

원인

전기전자 흐름은 솔루션 내 순이동전하에서의 전장에 의해 유도된 쿨롱의 힘에 의해 발생한다.고체 표면과 전해질 용액 사이의 화학적 평형은 일반적으로 인터페이스가 순고정 전하를 획득하게 하기 때문에, 전기 이중층 또는 데비 층으로 알려진 이동 이온 층이 인터페이스 근처의 지역에서 형성된다.전기장이 유체에 가해질 때(보통 인렛트와 출구에 배치된 전극을 통해), 전기 이중층의 순전하가 결과적으로 쿨롱의 힘에 의해 이동하도록 유도된다.그 결과 생기는 흐름을 전기적 흐름이라고 한다.

설명

전압을 가함으로써 발생하는 흐름은 플러그 흐름이다.압력 차이에 의해 생성된 포물선 프로필 흐름과는 달리, 플러그 흐름의 속도 프로필은 대략 평면이며, 전기 이중 층 근처에 약간의 변화가 있다.이는 유해한 분산 효과를 현저히 덜 제공하며 밸브 없이 제어될 수 있으며, 많은 복잡한 요인이 이 제어에 어려움을 증명하지만 유체 분리를 위한 고성능 방법을 제공한다.미세유체 채널의 흐름 측정 및 모니터링이 어려우므로 주로 흐름 패턴을 방해하기 때문에 대부분의 분석은 수치적 방법과 시뮬레이션을 통해 이루어진다.[7]

마이크로채널을 통한 전기전자 흐름은 전기장과 압력차에서 도출되는 추진력과 함께 Navier-Stokes 방정식을 따라 모델링할 수 있다.따라서 연속성 방정식에 의해 관리된다.

그리고 추진력

여기서 U는 속도 벡터, ρ은 유체의 밀도, D은 재료 파생 모델, μ는 유체의 점도, ρ은e 전하 밀도, φ은 응용 전기장, ψ은 벽의 제타 전위로 인한 전기장, p는 유체 압력이다.

라플레이스의 방정식은 외부 전기장을 설명할 수 있다.

전기 이중 층 내의 전위는 다음에 의해 관리된다.

여기서 ε은 전해액의 유전 상수, ε은0 진공 허용률이다.데비-후켈 근사치를 사용하여 이 방정식을 더욱 단순화할 수 있다.

여기서 1 / k는 전기 이중 층의 특성 두께를 설명하기 위해 사용되는 데비 길이입니다.이중층 내의 전위장 방정식은 다음과 같이 조합할 수 있다.

적용들

전기-osomotic 흐름은 일반적으로 미세유체 장치,[8][9] 토양 분석 및 처리,[10] 화학적 분석에 사용되며,[11] 이 모든 것은 일상적으로 높은 전하 표면의 시스템과 종종 산화물을 수반한다.일반적으로 실리카로 만들어진 좁은 모세관에 전기장을 적용하여 전기장의 이동성에 따라 화학물질을 분리하는 모세관 전기장이 대표적인 [9][11]예다.전기 분해에서 전기전자 흐름은 분석 물질의 용출 시간에 영향을 미친다.

전기전자 흐름은 FlowFET에서 작동하여 접합부를 통한 유체 흐름을 전자적으로 제어한다.

전기전자 흐름을 활용한 미세 유체 소자가 의학 연구에 응용될 것으로 전망된다.일단 이 흐름을 조절하는 것이 더 잘 이해되고 실행되면, 원자 수준에서 액체를 분리하는 능력은 약물 배출자들에게 필수적인 요소가 될 것이다.[12]마이크로 저울에서 액체를 섞는 것은 현재 골칫거리다.전기적으로 제어하는 유체가 작은 유체가 혼합되는 방식이 될 것으로 생각된다.[12]

논란의 여지가 있는 전기-오토믹 시스템의 사용은 건물 벽에 습기가 차오르는 제어장치다.[13]이러한 시스템이 벽의 염분을 이동시키는데 유용할 수 있다는 증거는 거의 없지만, 그러한 시스템은 벽이 매우 두꺼운 구조물에 특히 효과적이라고 주장한다.그러나 일부 사람들은 그러한 시스템들에 대한 과학적 근거가 없다고 주장하며, 그들의 실패에 대한 몇 가지 예를 든다.[14]

물리학

연료전지에서, 전기-osmosis는 양성자 교환막(PEM)을 통해 이동하는 양자를 한쪽(음극)에서 다른 쪽(음극)으로 물 분자를 끌게 한다.

혈관식물생물학

혈관 식물 생물학에서 전기-osmosis는 또한 세포질 스트리밍과 같이 질량 흐름 가설 등에서 제공되는 응집력-긴장 이론과 다른 것을 통한 극성 액체의 이동에 대한 대안이나 보충 설명으로도 사용된다.[15]동반세포는 체 튜브에서 이온(K+)의 "순환" 인출에 관여하며, 이들의 분비가 체판 사이의 인출 위치와 평행하여 체판 원소들이 압력의 전위차이에 따라 편극화되며, 극수분자 및 존재하는 용액이 위쪽으로 이동되는 결과를 초래한다.e [15]phloem

2003년에 상트페테르부르크 대학교 졸업자들은 1년 동안 김덴 새싹과 함께 옥수수 묘목의 10mm 부분들에 직류 전류를 적용했다; 조직에 존재하는 전해액 용액은 제자리에 있는 음극으로 이동했고, 이는 전기-osmosis가 전도성 식물 tis를 통한 솔루션 운송에 역할을 할 수 있음을 시사했다.수스[16]

단점들

전해질에서 전기장을 유지하려면 양극과 음극에서 파라다이스 반응이 일어나야 한다.이것은 일반적으로 물의 전기분해로서 과산화수소, 수소 이온(산소), 수산화물(기층)뿐만 아니라 산소와 수소 가스 거품을 발생시킨다.과산화수소 및/또는 pH 변화가 생성되면 단백질과 같은 생물학적 세포와 생체 분자에 악영향을 미칠 수 있는 반면, 가스 거품은 미세유체계를 "클로그"하는 경향이 있다.이러한 문제들은 파라다이스 반응을 스스로 겪을 수 있는 결합 폴리머와 같은 대체 전극 물질을 사용함으로써 완화될 수 있어 전기분해를 획기적으로 줄일 수 있다.[17]

참고 항목

참조

  1. ^ F.F.에 대한 전기적 정보.Reuss 사용 가능(독일어): 도이체 바이오그래피
  2. ^ 다음과 같은 곳에 르우스의 강의 공지가 나타났다.Reuss, F.F.(11월 1807년)."Indicium 새로hucusquenondumcognitoeffectuelectricitatis galvanicae"[동전기의 새, 지금까지 알려지지 않은 효과의 통지].Commentationes Societatis Physico-medicae, Apud Universitatem Literarum Caesaream Mosquensem Institutae(라틴어로)(그 Physical-Medical 사회의 모스크바 제국 대학 편지에서 Instituted).1일로. 1:xxxix.Österreichische 오스트리아 국립 도서관(오스트리아 국립 도서관):에서 구입할 수 있다.
  3. ^ Reuss, F. F. (1809). "Notice sur un nouvel effet de l'électricité galvanique" [Notice of a new effect of galvanic electricity]. Mémoires de la Société Impériale des Naturalistes de Moscou (in French). 2: 327–337.
  4. ^ Biscombe, Christian J.C. (2017). "The discovery of electrokinetic phenomena: setting the record straight". Angewandte Chemie International Edition. 56 (29): 8338–8340. doi:10.1002/anie.201608536. PMID 27902877. Wiley.com에서 이용 가능:
  5. ^ Porrett, R. Jr. (1816). "Curious galvanic experiments". Annals of Philosophy. 8: 74–76.
  6. ^ (Biscombe, 2017), 페이지 8339.
  7. ^ Yao, G.F. (2003). "A computational model for simulation of electroosmotic flow in microsystems" (PDF). Technical Proceedings of the 2003 Nanotechnology Conference and Trade Show [23–27 February 2003; San Francisco, California]. Vol. 1. Boston, Massachusetts, U.S.A.: Computational Publications. pp. 218–221. ISBN 978-0-9728422-0-4.
  8. ^ Bruus, H. (2007). Theoretical Microfluidics. ISBN 978-0-19-923509-4.
  9. ^ a b Kirby, B. J. (2010). Micro- and Nanoscale Fluid Mechanics: Transport in Microfluidic Devices: Chapter 6: Electroosmosis. Cambridge University Press.
  10. ^ Wise, D. L. and Trantolo, D. J., eds. Remediation of Hazardous Waste Contaminated Soils. {{cite book}}: author=일반 이름 포함(도움말)CS1 maint: 여러 이름: 작성자 목록(링크)
  11. ^ a b Skoog (2007). Principles of Instrumental Analysis. ISBN 978-0-495-12570-9.
  12. ^ a b Ducree, Jen. myFluidix.com.
  13. ^ Ottosen, Lisbeth; Anne J. Pedersen; Inge Rorig-Dalgaard (September 2007). "Salt related problems in brick masonry and electrokinetic removal of salts". Journal of Building Appraisal. 3 (3): 181–194. doi:10.1057/palgrave.jba.2950074. Springer.com에서 이용 가능:
  14. ^ "Electro Osmosis Damp Proofing systems – fraud, or the perfect solution to damp – you decide!".
  15. ^ a b Clegg, C. J., Mackean, D. G. (2006) "고급 생물학 – 원칙 & 애플리케이션" Hodder Stouton Publishers, 페이지 340–343.
  16. ^ Polevoi, V. V. (2003). "Electroosmotic Phenomena in Plant Tissues". Biology Bulletin. 30 (2): 133–139. doi:10.1023/A:1023285121361. S2CID 5036421.
  17. ^ Erlandsson, P. G.; Robinson, N. D. (2011). "Electrolysis-reducing electrodes for electrokinetic devices". Electrophoresis. 32 (6–7): 784–790. doi:10.1002/elps.201000617. PMID 21425174. S2CID 1045087.

추가 읽기

  • Bell, F.G. (2000). Engineering Properties of Soils and Rocks, 4th ed.
  • Chang, H.C.; Yao, L. (2009). Electrokinetically Driven Microfluidics and Nanofluidics.
  • Levich, V. (1962). Physicochemical Hydrodynamics. ISBN 978-0-903012-40-9.
  • Probstein, R.F. (2003). Physicochemical Hydrodynamics: an introduction, 2nd ed.