Содержание к диссертации
Введение
Глава I. Обзор литературы 14
1. Средства для перекачивания малых количеств жидкостей 14
2. Электрокинетические эффекты 15
2.1. Общие принципы явлений электроосмоса и потенциала течения 15
2.2. Теоретические основы электроосмотического перекачивания жидкостей 20
3. Насосы на основе электрокинетических эффектов 27
4. Ионообменные электрохимические системы 30
4.1. Электропроводность ионитов 30
4.2. Электрохимическая регенерация ионитных систем 33
4.3. Сорбционно-мембранные электрохимические системы 35
4.4. Теоретические подходы к изучению ионитной электрохимической системы 36
5. Постановка задач диссертационной работы 41
Глава II. Методическая часть 44
1. Использованные материалы и реактивы 44
2. Методика подготовки микронасоса к работе 47
2.1. Методика сборки 47
2.2. Методика подготовки мембран 47
2.3. Методика получения используемых форм ионитов (КУ-2-8 и КБ-4) 48
3. Методики экспериментов 51
3.1. Определение характеристик поликапиллярных структур 51
3.2 Определение скорости течения потоков жидкостей и определение давления, создаваемого насосом 52
4. Аналитическая методика по определению состава перекачиваемых растворов 55
Глава III. Результаты и их обсуждение 57
1. Оценка правомерности использования классического приближения Гельмгольца - Смолуховского для описания электрокинетических эффектов в использованных поли капиллярных системах 57
2. Электрокинетические эффекты на простейших многоканальных системах 60
3. "Открытый" электрокинетический микронасос с ионообменными мембранами 71
4. Сорбционно-мебранный микронасос без выделения газов ("закрытая" система) 76
5. Электрокинетический микронасос для перекачивания растворов электролитов 91
6. Экспериментальная оценка обратимости работы микронасоса 96
7. Оценка влияния различных факторов, связанных с электропроводностью ионообменных микроколонок, на стабильность работы микронасоса 99
7.1. Изменение электропроводности ионообменных микроколонок при переходе в различные ионные формы без учета влияния процессов набухания и сжатия 101
7.2. Влияние на электропроводность микронасоса процессов набухания и сжатия гранул ионитов при изменении их ионных форм 104
8. Математическая модель процессов массопереноса в микроколонках 108
8.1. Описание модели 108
8.2. Результаты моделирования 113
9. Создание автономного перекачивающего устройства 120
Выводы 125
Литература 127
Приложение
- Общие принципы явлений электроосмоса и потенциала течения
- Теоретические подходы к изучению ионитной электрохимической системы
- Определение характеристик поликапиллярных структур
- Электрокинетические эффекты на простейших многоканальных системах
Введение к работе
Актуальность темы
В последнее время проявляется значительный интерес к разработке и созданию микронасосов с возможностью тончайшего регулирования и микропроцессорного управления потоками жидкостей на уровне микролитров и даже нанолитров в минуту. Прежде всего, данные системы важны для аналитической химии [1], как лабораторное оборудование тонкого дозирования при необходимости анализа малых проб. В химическом и биологическом анализе такие устройства необходимы для создания аналитических микрофлюидных систем [2] или т.н. лабораторий на чипах (lab-on-chip), в том числе, при анализе с использованием микроупорядоченных систем (micro-array systems). Ряд современных приборов для разделения веществ имеет в своем составе инструменты тонкого дозирования, в частности, приборы для капиллярного электрофореза на чипах, новые приборы, использующих кинетические методы анализа, микроэкстракцию, сорбционное разделение и концентрирование [3] при работе с малыми объемами, приборы с фотоколориметрическими сенсорами. Разработка микро - и наноактуаторов (нанонасосов), микрофлюидных систем, аналитических лабораторий на чипах с интегрированными наноструктурами входит в наиболее крупные приоритетные национальные программы практически всех развитых стран. Разработку таких систем проводят известные фирмы: Shimadzu (Япония), Agilent Technologies, Caliper Teclinologies, Aclara Biosciences (США), Mildendo (Германия) и другие. Работы в этом направлении ведутся на кафедре аналитической химии МГУ им. М.В.Ломоносова, в ИАП РАН [4], а также ряде других организаций.
Разработка микро - и нанонасосов имеет также большое самостоятельное значение в других важнейших областях, в частности, в медицине для доставки и тонкого дозирования в организм больного, например, инсулина и других лекарств, а также в микроэнергетике для доставки метанола и других видов топлива в миниатюрные топливные элементы для ноутбуков, мобильных телефонов и других электронных устройств массового использования. Современный рынок средств доставки инсулина только в Соединенных Штатах оценивается в 1.5 млрд. долларов в год. Ряд крупнейших компаний, выпускающих ноутбуки, проводят разработки в области средств доставки метанола в микротопливные элементы. Компания "Тошиба" начала с 2007 г. выпуск ноутбуков с картриджами на метанольных топливных элементах.
Средства для перекачивания малых количеств жидкостей могут быть созданы на различных физических принципах. Известны электростатические, термопневматические, пьезоэлектрические и электроосмотические насосы.
Основными преимуществами электроосмотических (электрокинетических) насосов является отсутствие движущихся частей и возможность тончайшего дозирования жидкостей при их перекачивании. Однако такие микронасосы имеют ряд ограничений, главными из которых являются электролиз перекачиваемого раствора, что может привести к изменению его состава, а также газовыделению в непосредственном контакте с пористым телом, что может привести к ухудшению или прекращению перекачивания жидкости. Предложенные до настоящего времени приемы электрокинетического перекачивания не обеспечивает одновременного выполнения двух обязательных условий: стабильной работы микронасоса и исключения влияния процессов электролиза на химический состав перекачиваемой жидкости.
Не менее важной проблемой создания электрокинетических микронасосов является выбор оптимальных пористых структур. Как известно, электрокинетическое перекачивание основано на использовании эффекта образования двойного электрического слоя (ДЭС) на границе раздела «полярная жидкость - твердый диэлектрик». Использование высокопористых сред с большими значениями площади раздела фаз является обязательным условием эффективной работы микронасосов. Оптимальными пористыми средами могли бы быть регулярные многоканальные структуры с параллельным расположением микроканалов. Однако до настоящего времени такие структуры были малодоступны, не изучены и не использованы в создании актуаторов для микрофлюидных систем. Разработка в Институте рентгеновской оптики и других организациях многоканальных структур из стекла, состоящих из сотен тысяч и миллионов одинаковых микроканалов, определяет принципиальную возможность создания таких микронасосов.
В настоящей работе представлены результаты исследований по созданию сорбционно - мембранного электрокинетического микронасоса на основе многоканальных структур. Предложены принципиально новые конструкции, полностью исключающие газовыделение, а также прямой контакт электродов с перекачиваемыми растворами. В работе представлены результаты исследования физико-химических закономерностей в неизученной ранее системе сорбционных микроколонках, формирование и трансформация концентрационных фронтов в которых под действием внешнего электрического поля регулируется использованием монополярных и биполярных мембран.
Цель работы
Создание электрокинетического микронасоса (актуатора) для микрофлюидных систем с использованием нового принципа - сопряженных сорбционно-мембранных электрохимических систем и изучение физико-химических закономерностей, регулирующих работу такого микронасоса.
Задачи исследований
- разработка схемы сорбционно-мембранного электрокинетического микронасоса, выбор пористых структур, электродных материалов, сорбентов и мембран;
- создание лабораторных образцов микронасосов закрытого и открытого типа и их испытание с целью установления взаимосвязи между варьируемыми параметрами и динамическими характеристиками (производительностью, давлением на выходе) в зависимости от состава перекачиваемых жидкостей;
- выявление факторов, влияющих на возможность перекачивания жидкостей в обратимых электрохимических циклах и на длительность одного цикла;
- разработка математической модели массопереноса в сопряженной системе катионит (катиониты) - ионообменные мембраны - электроды первого рода для проведения численных экспериментов по изучению формирования и трансформации во времени концентрационных фронтов в сорбционных микроколонках для оценки длительности электрохимических циклов;
- выбор рациональных условий для перекачивания растворов различного состава на основе результатов лабораторных и численных экспериментов;
- создание автономного устройства и проведение испытаний при длительной эксплуатации.
Научная новизна работы
Создан электрокинетический микронасос с использованием сопряженных сорбционно-мембранных систем;
Дано описание закономерностей, регулирующих динамику концентрационных фронтов в микроколонках, являющихся составными частями электромембранных систем.
Практическая значимость
Предложенный и апробированный новый метод сорбционно-мембранного электрокинетического перекачивания жидкостей и полученные закономерности массопереноса являются основой для массового производства микронасосов и их использования в аналитическом приборостроении и других областях
На защиту выносятся следующие положения
1. Обоснование принципа сорбционно-мембранного электрокинетического перекачивания жидкостей.
2. Впервые созданные сорбционно-мембранные микронасосы и автономные перекачивающие устройства на их основе.
3. Взаимосвязь электрохимических параметров, состава перекачиваемых жидкостей и динамических характеристик микронасосов.
4. Математическая модель динамики массопереноса в сорбционных микросистемах с учетом влияния внешнего электрического поля и результаты численных экспериментов по выбору рациональных конструкций и условий проведения процессов
5. Экспериментальные результаты лабораторной апробации сорбционно-мембранного электрокинетического микронасоса.
Апробация работы
Основные результаты исследований доложены на Российской конференции с международным участием "Ионный перенос в органических и неорганических мембранах" (Туапсе, 2006 г); III Всероссийской конференции "Физико-химические процессы в конденсированном состоянии и на межфазных границах" (Воронеж, 2006 г.); 33-й Российской конференции с международным участием "Ионный перенос в органических и неорганических мембранах" (Краснодар, 2007 г.); международной конференции "Иониты-2007" (Воронеж, 2007 г.), "XVIII Менделеевском съезде по общей и прикладной химии" (Москва, 2007 г).
Публикации
По материалам диссертации опубликовано 9 работ, в том числе 2 статьи, патент Российской Федерации, опубликованная заявка на европейский патент и 5 тезисов докладов на международных и российских научных конференциях.
Структура и объем работы
Диссертация состоит из введения, литературного обзора, глав с описанием проведенных экспериментов и полученных результатов, заключения, выводов, списка использованной литературы, приложения.
Материал диссертации изложен на 136 страницах, содержит 44 рисунка и 7 таблиц. Список использованной литературы содержит 107 наименований.
Общие принципы явлений электроосмоса и потенциала течения
Электрокинетические явления будем понимать, в соответствии с данными, изложенными в Химической энциклопедии [34,с.428] и учебнике по современной термодинамике [35, с.359], как группу явлений, наблюдаемых в дисперсных системах, мембранах и капиллярах, и включающих электроосмос, электрофорез, потенциал течения и потенциал оседания.
Принцип действия электрокинетических насосов основан на электрокинетических эффектах, в которых проявляется связь, существующая между электрическим полем и взаимным движением фаз - преимущественно твердой и жидкой.
Открытие электрокинетических явлений принадлежит профессору Московского Университета Рейсу (1809) [36], который при попытке модифицировать опыты Никольсона и Карлейля по разложению воды электрическим током, обнаружил два новых, неизвестных до того времени явления. Одно из этих явлений - перенос жидкости через капиллярную систему (диафрагму) под влиянием приложенной электродвижущей силы -получило затем название электроосмоса, второе - передвижение взвешенных твердых частиц по отношению к неподвижной жидкости в электрическом поле - электрофореза.
После работ Рейса исследования в данной области развивались медленно, и лишь к 50-м годам позапрошлого столетия накопились материалы по количественному изучению явлений. Работами Видемана (1852) [37], исследовавшего явление электроосмоса, установлено, что количество жидкости, перенесенной через пористую диафрагму, пропорционально силе тока и (при постоянной силе тока) не зависит от площади или толщины диафрагмы.
Далее Квинке (1859) [37] получил эффект, противоположный электроосмосу, а именно: при протекании жидкости через пористую диафрагму возникала разность потенциалов между двумя электродами, помещенными по сторонам диафрагмы. При этом он установил, что электродвижущая сила, возникающая при протекании воды под определенным давлением через керамическую диафрагму, не зависит от ее площади и толщины, а также от количества протекшей через нее воды; в то же время электродвижущая сила была пропорциональна давлению, под которым протекала жидкость.
Наконец, Дорном (1880) было наблюдено еще одно явление-возникновение разности потенциалов под влиянием механического движения твердых частиц жидкости. В частности, он обнаружил возникновение электродвижущей силы между двумя электродами при падении в воде стеклянных бус или крупинок песка. Это явление стали называть потенциалом оседания или эффектом Дорна [38]. С чисто описательной точки зрения электрокинетические явления могут быть классифицированы следующим образом: 1) При наложении разности потенциалов к системе возникает: а) движение жидкости по отношению к твердому телу - электроосмос; б) движение твердого тела по отношению к жидкости — электрофорез. 2) Разность потенциалов возникает при механическом перемещении фаз а) жидкости по отношению к твердому телу - потенциал протекания; б) твердого тела по отношению к жидкости - потенциал оседания. Явления электроосмоса и потенциала протекания, так же как электрофореза и потенциала оседания, являются как бы обратными друг другу.
Будучи связанными с наличием поверхности раздела между фазами, электрокинетические явления, естественно, легче обнаруживаются в системах, у которых величина удельной поверхности относительно велика, т.е. в различного рода дисперсных системах. При соприкосновении двух фаз между ними обычно возникает разность электрических потенциалов. Возникновение межфазной разности потенциалов тесно связано с образованием двойного электрического слоя, т.е. несимметричного распределения заряженных частиц у поверхности раздела: избыток положительных зарядов со стороны одной фазы сообщает ей положительный заряд, а избыток отрицательных зарядов с другой стороны сообщает другой фазе отрицательный заряд [39, 40].
Современные взгляды на механизм электрокинетических явлений основываются на представлении о наличии двойного электрического слоя на границе двух фаз.
Квинке выдвинул идею о наличии двойного электрического слоя на границе раздела твердое тело-жидкость для объяснения механизма потенциала протекания. Она оказалась весьма плодотворной и была использована широко в различных областях знаний. В развитие теории ДЭС внесли вклад: Гельмгольц, Видеман, Гуи, Чэпмен [41].
Из ионной природы двойного электрического слоя для диэлектриков следует необходимость присутствия ионных пар или диполей на границе твердого тела и раствора с определенной ориентацией по отношению к границе раздела [42]. Возможность образования таких ионных пар зависит от химического состава твердого тела и раствора и может происходить, в основном, двумя путями. Первый - адсорбция из раствора компонентов ионной пары с более прочной связью у одного из них и второй - диссоциация поверхностных молекул твердого тела с образованием ионов определенного знака в растворе.
Заряд определяется избыточным количеством ионов одного знака в структурной геометрической единице. Под поверхностным избытком ионов понимается та разность, которая существует между количеством ионов в области, включающей в себя поверхность, и тем количеством, которое находилось бы, если бы фазы были полностью гомогенны вплоть до разделяющей их поверхности.
Вопрос о тонкой структуре двойного электрического слоя приобретает особенно большое значение, и накопление сведений в области строения двойного слоя в значительной мере связано с развитием исследований по электрокинетическим явлениям. В нашей стране развитием электрокинетических явлений занимались такие ученые как, Жуков И.И., Григоров О.Н, Козьмина З.П., Маркович А.В., Фридрихсберг Д.А., Духин С.С., Тихомолова К.П. [43,44,45].
Итак, электрокинетические микронасосы основаны на использовании эффекта образования двойного электрического слоя на границе раздела полярная жидкость - твердый диэлектрик. Рассмотрим схемы процессов, происходящих в указанных системах (схема двойного электрического слоя в единичном стеклянном микроканале, заполненном водой, показана на Рис.1. В результате процессов адсорбции и десорбции, происходящих на границе раздела фаз, на поверхности стекла образуется некоторое количество отрицательных зарядов, которые компенсируются положительно заряженными ионами (ионами гидроксония), которые для простоты будем называть протонами. Часть протонов иммобилизована на поверхности твердого тела и образует т.н. Штерновский слой. Остальная их часть находится в диффузионном слое, который может простираться до центра каналов. Протоны в этом слое могут находиться в относительно свободном движении, однако, в любом микрообъеме канала, ограниченном двумя сечениями, расстояние между которыми не меньше чем несколько атомных радиусов, сохраняется электронейтральность [46].
Теоретические подходы к изучению ионитной электрохимической системы
До 60-х годов прошлого столетия электрохимические свойства ионообменных колонок исследовались сравнительно мало. Текущие измерения сопротивления или потенциала течения на ионите, например, во время хроматографического разделения, позволяют следить за процессом и осуществлять производственный контроль.
Принципиально иной метод состоит в применении простой модели, свойства которой описываются эмпирическими параметрами. Моделью, позволяющей предсказать электрохимические свойства ионообменной колонки с помощью эмпирических параметров, может служить модель, предложенная Вилли и сотрудниками [92]. Для электропроводности ионита в колонке в состоянии равновесия (следовательно, без концентрационных градиентов внутри колонки) и для электрической разности потенциалов на ионите между двумя электролитами различной концентрации (концентрационный потенциал) в состоянии покоя, т.е. без потока раствора, модель дает значения, хорошо согласующиеся с экспериментальными результатами. Справа: простейшая модель, на основе которой строятся расчеты. Эмпирические параметры d и е задаются: d=d+d2+d3 и е=Є+Є2. (По данным Шпиглера, Иоста и Вилли [92]). 3) попеременно через ионит и раствор. В модели ионит в колонке представлен тремя параллельно включенными элементами, отражающими три возможных пути прохождения тока (Рис. 6). Участки а, б и с трех элементов общего сечения колонны и участки d и е ионита и раствора в первом элементе - постоянны; они должны быть найдены эмпирически (здесь, а+б+с=1 и d+e=l; достаточно три определенных уравнения). Она позволяет рассчитать электропроводность и концентрационный потенциал в ионите, исходя из геометрических параметров, определяемых эмпирически. Эта теория относится только к слою ионита одинакового состава, через который протекает раствор.
Количественная теория электрохимической регенерации рассматривает два случая. В первом противоионы в каждый момент времени равномерно распределяются по объему колонки. Такой вариант реализуется, например, при циркуляции охлаждающего раствора через регенерируемый ионит. В этих условиях зависимость степени регенерации ионита у от безразмерного количества прошедшего электричества О может быть описана соотношением: где г/1 -коэффициент, учитывающий долю тока, переносимого противоионами с отдающей стороны мембраны (77, колеблется между 0,71 и 0,85); Q-безразмерное количество электричества, определяемое из формулы Q = iarFq0 (іа-ток; т- время регенерации; і7-число Фарадея; qQ -количество регенерируемого ионита ); и- отношение подвижностей замещаемого и замещающего ионов.
Вследствие гетерогенности самих ионитов величина и не может быть найдена из соотношения электропроводности ионитов, равновесных с растворами любой концентрации. Так как величина и характеризует отношение подвижностей противоионов в самом ионите, т.е. в его гелевых участках, для вычисления необходимо пользоваться величинами электропроводности рассматриваемых ионных форм в точке изоэлектропроводности. Экспериментальная проверка показала хорошую применимость приведенного соотношения для описания процесса электрохимической регенерации [85].
Анализ уравнений показывает, что продольный массоперенос в ионообменной колонне за счет ионного обмена между различными точками колонны снижает скорость электрохимической регенерации. Действительно, с увеличением скорости циркуляции охлаждающего раствора, ускоряющим ионный обмен между различными точками колонки, снижается скорость регенерации.
При повышении температуры скорость электрохимического замещения увеличивается. В случае сильноэлектролитных ионитов это можно объяснить увеличением и: энергия активации электропроводности для солевых противоионов больше, чем для ионов водорода и гидроксила. Поэтому с увеличением температуры подвижность солевых противоионов растет быстрее, чем ионов водорода и гидроксила, и и увеличивается. В случае слабоэлектролитных ионитов ускорение регенерации может быть связано с увеличением степени гидролиза.
Решение системы уравнений (31), (32) получено в работе Гнусина Н.П., Гребенюка В.Д. и Мигашина В.А.[93]: Таким образом нами, были рассмотрены различные теоретические подходы к изучению ионитных электрохимических систем, начиная с работ Барона, Вилли и заканчивая более современными подходами Гнусина Н.П. и др [94].
Несмотря на то, что разрабатываемые в настоящей диссертационной работе сорбционно-мембранные электрокинетические микронасосы существенно отличаются от приведенных выше электрохимических систем, основные закономерности, связанные с электропроводностью слоев ионитов в колонках, с переходом ионитов из формы в форму под действием электрического поля и другие данные должны быть учтены в дальнейшем при разработке математической модели микронасосов.
Определение характеристик поликапиллярных структур
Для измерения потенциалов и токов течения через стеклянные поликапиллярные структуры, а также измерения соответствующих характеристик электрокинетического (электроосмотического) перекачивания жидкостей были использованы экспериментальные установки, схемы которых приведены на Рис. 8 и Рис.9. Экспериментальные установки были сконструированы и изготовлены А.А.Вороновым (ГЕОХИ РАН).
Установка (Рис. 8) включает в себя баллон со сжатым аргоном (1); специальную емкость (3), заполненную дистиллированной водой и представляющую собой герметичный сосуд с запорным краном (7), который соединен с поликапиллярным столбиком (5) длиной 100 мм и внешним диаметром 9,8 мм, диаметром капилляров 10 мкм, с общим числом капилляров - 360000; электроды (4) в виде спиралевидных колец из серебряной проволоки, механически прижатых к торцам столбика. Все соединения производились при помощи гибких шлангов (2). Давление измеряли с помощью газового манометра (6) с делением шкалы 0,5 кг/см", установленного на редукторе баллона со сжатым аргоном. Измерения тока проводили с использованием специального наноамперметра, изготовленного в ИРО Ю. С. Озеровым. Измерение напряжения между электродами проводили с помощью электронного мультиметра с RBHyTp 10 Ом (8).
Ход эксперимента. В напорную емкость из баллона (1) подавали инертный газ, выдавливая жидкость через исследуемый поликапиллярный столбик. Давление газа варьировали таким образом, чтобы установить заданную скорость протекания. Интервал исследованных скоростей составлял 10-70 мл/мин. Скорость пропускания жидкости измеряли с помощью мерного цилиндра с делением шкалы 0,2 мл, замеряя объемы, набираемые в течение 30 сек. При каждом заданном значении скорости потока измеряли значения возникающей разности потенциалов между электродами и соответствующей силы тока. Для каждой измеряемой величины проводили 2 параллельных определения и рассчитывали средние значения.
Установка для определения характеристик электроосмотического переноса (Рис. 9.) включала емкость (1) для рабочей жидкости (5).Соединения с поликапиллярным столбиком производили с помощью гибких шлангов (2). Электроды (3) представляли собой два спиралевидных кольца из серебряной проволоки, механически прижатых к торцам столбика. Эксперименты проводили при помощи источника постоянного тока (6).
Ход эксперимента. Поликапиллярный столбик соединяли при помощи гибких шлангов с емкостью для рабочей жидкости. На электроды подавали заданное рабочее напряжение. При каждом заданном значении напряжения измеряли значения соответствующей силы тока. Скорость пропускания жидкости измеряли с помощью мерного цилиндра с делением шкалы 0,2 мл, замеряя объемы, набираемые, в течение 30 сек. Для каждой измеряемой величины проводили 2 параллельных определения и рассчитывали средние значения.
После сборки микронасос помещали в крепежное устройство (струбцину) (3), подсоединяли с помощью шлангов к специальной емкости для перекачиваемых жидкостей (1). Выход соединяли шлангами с устройством для измерения скорости (4). В том случае, если производили измерение давления, создаваемого насосом, выход насоса присоединяли к соответствующему устройству (5). Напряжение подавали с помощью аналогового прибора Б5-49. На описанной установке могут быть исследованы системы с различными параметрами капилляров и сборками мембран.
Ход эксперимента. После заполнения микронасоса жидкостью для перекачивания и подачи напряжения насос начинал работу. Для определения скорости при больших напряжениях, использовали цилиндр с ценой деления 0,2 мл, замеряли объемы, набираемые, в течение 30 сек. При каждом заданном значении скорости потока измеряли значения силы тока. Для каждой полученной величины проводили 2 параллельных определения и рассчитывали средние значения. Если скорость потока была маленькой, измерение проводили при помощи пипетки с ценой деления 0,001 мл, которую закрепляли в специальное устройство для определения скорости и подсоединяли к насосу при помощи шланга. Проводили два параллельных измерения и рассчитывали среднее значение.
В случае измерения давления шланги со стороны выхода из насоса жидкости присоединяли к устройству (5), происходило постепенное заполнение капилляра. Давление измеряли в единицах максимальной высоты вертикального столба воды, нагнетаемой насосом, т.е. предельной высоты, которая достигается при падении до нуля скорости перекачивания воды.
Электрокинетические эффекты на простейших многоканальных системах
Потенциал и ток течения могут быть обнаружены при перекачивании жидкости через любые пористые среды, в том числе через слои тонких порошков. Однако при прочих равных условиях, максимальные значения этих параметров получены и измерены нами с использованием многоканальных поликапиллярных структур с параллельно расположенными одинаковыми каналами (Рис. 12). Это связано с тем, что благодаря геометрии используемого пористого материала, разности потенциалов на любых участках вдоль всей длины канала складываются по абсолютной величине (из-за параллельности векторов электрического поля). Кроме того, общий ток течения через поликапиллярный столбик представляет собой сумму абсолютных максимальных значений токов во всех единичных каналах.
Результаты экспериментов по измерению потенциалов и токов течения при перекачивании деионизованнои воды и растворов хлорида натрия различной концентрации через открытые поликапиллярные стеклянные столбики показаны на Рис. 13 и Рис. 14. Эксперименты были проведены с использованием лабораторной установки, показанной на Рис. 8. Как видно из этих рисунков, зависимости имеют линейный характер, максимальное значение тока течения для деионизованнои воды при скорости ее пропускания через поликапиллярную систему, содержащую 360000 единичных каналов с диаметром по 10 мкм, составляет 7,5 мкА. Максимальное значение разности потенциалов, возникающей на концах поликапиллярного столбика высотой 10 см, равно 11 В. Из приведенных зависимостей видно также, что токи течения и потенциалы течения уменьшаются при переходе от чистой воды к разбавленным солевым растворам. При этом уменьшение измеряемого параметра с увеличением концентрации хлорида натрия в большей степени сказывается на величине соответствующих потенциалов течения.
На Рис. 15 показаны величины скорости перекачивания воды и растворов хлорида натрия через поликапиллярные структуры в зависимости от напряжения постоянного тока от внешнего источника. Эксперименты были проведены с использованием лабораторной установки, показанной на Рис. 9. Зависимость для скорости перекачивания воды не имеет строго линейного характера. Указанный эффект можно объяснить влиянием продуктов электролиза, в частности, пузырьков газов, которые могут попадать в пористую среду. Кроме того, видно, что интенсивность перекачивания растворов значительно ниже, чем скорость для деионизованной воды. Она существенно уменьшается с повышением концентрации хлорида натрия в растворе. Хорошее совпадение величин - потенциалов, полученных при измерении потенциала и тока течения, с литературными данными [45] свидетельствует о том, что многоканальные поликапиллярные структуры можно использовать как идеальную электрокинетическую систему для создания микронасосов. Для проведения расчетов использовали формулу (3) с учетом значения динамической вязкости воды rj = 1,10" Н с/м . Оценку величины -потенциала проводили для среднего значения tga = V ./UeB области напряжений от 400 В до 500 В. Более низкая величина электрокинетического потенциала, полученная при измерении электроосмотического эффекта, определяется также влиянием процессов электролиза на измеряемые величины. Механизм такого влияния также связан с образованием пузырьков газа на входе в поликапиллярную систему, а кроме того, с загрязнением перекачиваемой воды ионными компонентами, образующимися на аноде.
Простейший электрокинетический микронасос показан на Рис. 16. Такой насос можно назвать открытой электрокинетической системой. Здесь и далее под словом открытая система будем понимать систему, которая может "сообщаться" с окружающим пространством продуктами электролиза. Микронасос содержит многоканальную структуру (1) из неэлектропроводного материала со сквозными микроканалами, входы и выходы которых образуют входной и выходной торцы многоканальной структуры. К каждому из этих торцов многоканальной структуры примыкает электродная секция - анодная (2) и катодная (4). В одной из электродных секций размещен анодный (3), а в другой - катодный (5) электрод. Анодный и катодный электроды предназначены для подключения к соответствующим полюсам внешнего источника электрического тока. Например, при перекачивании чистой воды такими продуктами электролиза являются газообразные кислород и водород, которые после некоторого времени работы насоса тормозили, а затем останавливали процесс перекачивания.