Моделирование влияния конвективных течений через ионоселективную область на токовые режимы в бинарных растворах электролитов

Обложка

Цитировать

Полный текст

Открытый доступ Открытый доступ
Доступ закрыт Доступ предоставлен
Доступ закрыт Доступ платный или только для подписчиков

Аннотация

В работе представлены результаты численного моделирования ячейки с ионоселективной областью в одномерной постановке. Математическая модель учитывает неидеальную селективность ионообменной области и наличие конвективного течения раствора электролита через нее. Было обнаружено, что течение может влиять на степень селективности ионообменной области, причем электрический ток через систему может как увеличиваться, так и уменьшаться в зависимости от того, какой токовый режим реализуется: допредельный или предельный. Понимание обнаруженного эффекта будет полезно в практических приложениях, таких как системы предварительного концентрирования аналита в микролабораториях для химического анализа биологических жидкостей или электробаромембранные системы разделения.

Об авторах

Г. С. Ганченко

Лаборатория электро- и гидродинамики микро- и наномасштабов, Финансовый университет при Правительстве Российской Федерации

Ленинградский пр-т, 49/2, Москва, 125167 Россия

В. С. Шелистов

Лаборатория электро- и гидродинамики микро- и наномасштабов, Финансовый университет при Правительстве Российской Федерации

Email: shelistov_v@mail.ru
Ленинградский пр-т, 49/2, Москва, 125167 Россия

И. И. Ольберг

Институт математики, механики и компьютерных наук им. И.И. Воровича, Южный федеральный университет

ул. Мильчакова, 8А, Ростов-на-Дону, 344090 Россия

И. В. Моршнева

Институт математики, механики и компьютерных наук им. И.И. Воровича, Южный федеральный университет

ул. Мильчакова, 8А, Ростов-на-Дону, 344090 Россия

Е. А. Демехин

Лаборатория электро- и гидродинамики микро- и наномасштабов, Финансовый университет при Правительстве Российской Федерации; Лаборатория общей аэродинамики, НИИ механики МГУ им. М.В. Ломоносова

Ленинградский пр-т, 49/2, Москва, 125167 Россия; Мичуринский пр-т, 1, Москва, 119192 Россия

Список литературы

  1. Kumar S., Maniya N., Wang C., Senapati S., Chang H.-C. Quantifying PON1 on HDL with nanoparticle-gated electrokinetic membrane sensor for accurate cardiovascular risk assessment // Nat. Commun. 2023. V. 14. № 1. P. 557. https://doi.org/10.1038/s41467-023-36258-w
  2. Жуков М.Ю., Юдович В.И. Математическая модель изотахофореза // Доклады Академии наук СССР. 1982. Т. 267. № 2. С. 334–338.
  3. Ramachandran A., Santiago J.G. Isotachophoresis: theory and microfluidic applications // Chem. Rev. 2022. V. 122. № 15. P. 12904–12976. https://doi.org/10.1021/acs.chemrev.1c00640
  4. Wang Y.-C., Stevens A.L., Han J. Million-fold preconcentration of proteins and peptides by nanofluidic filter // Anal. Chem. 2005. V. 77. № 14. P. 4293–4299. https://doi.org/10.1021/ac050321z
  5. Wang S.-C., Wei H.-H., Chen H.-P., Tsai M.-H., Yu C.-C., Chang H.-C. Dynamic superconcentration at critical-point double-layer gates of conducting nanoporous granules due to asymmetric tangential fluxes // Biomicrofluidics. 2008. V. 2. № 1. P. 014102. https://doi.org/10.1063/1.2904640
  6. Berzina B., Anand R.K. Tutorial review: Enrichment and separation of neutral and charged species by ion concentration polarization focusing // Anal. Chim. Acta. 2020. V. 1128. P. 149–173. https://doi.org/10.1016/j.aca.2020.06.021
  7. Ouyang W., Ye X., Li Z., Han J. Deciphering ion concentration polarization-based electrokinetic molecular concentration at the micro-nanofluidic interface: theoretical limits and scaling laws // Nanoscale. 2018. V. 10. № 32. P. 15187–15194. https://doi.org/10.1039/c8nr02170h
  8. Sarapulova V.V., Pasechnaya E.L., Titorova V.D., Pismenskaya N.D., Apel P.Yu., Nikonenko V.V. Electrochemical properties of ultrafiltration and nanofiltration membranes in solutions of sodium and calcium chloride // Membr. Membr. Technol. 2020. V. 2. № 5. P. 332–350. https://doi.org/10.1134/s2517751620050066
  9. Butylskii D., Troitskiy V., Chuprynina D., Dammak L., Larchet C., Nikonenko V. Application of hybrid electrobaromembrane process for selective recovery of lithium from cobalt- and nickel-containing leaching solutions // Membranes. 2023. V. 13. № 5. P. 509. https://doi.org/10.3390/membranes13050509
  10. Ryzhkov I.I., Lebedev D.V., Solodovnichenko V.S., Shiverskiy A.V., Simunin M.M. Induced-charge enhancement of the diffusion potential in membranes with polarizable nanopores // Phys. Rev. Lett. 2017. V. 119. № 22. P. 226001. https://doi.org/10.1103/physrevlett.119.226001
  11. Rubinstein I., Shtilman L. Voltage against current curves of cation-exchange membranes // J. Chem. Soc., Faraday Trans. 1979. V. 75. P. 231–246. https://doi.org/10.1039/f29797500231
  12. Ganchenko G.S., Kalaydin E.N., Schiffbauer J., Demekhin E.A. Modes of electrokinetic instability for imperfect electric membranes // Phys. Rev. E. 2016. V. 94. № 6. P. 063106. https://doi.org/10.1103/physreve.94.063106
  13. Ганченко Г.С., Калайдин Е.Н., Чакраборти С., Демехин Е.А. Гидродинамическая неустойчивость при омических режимах в несовершенных электрических мембранах // Доклады Академии наук. 2017. Т. 474. № 3. С. 296–300. https://doi.org/10.7868/s0869565217150063
  14. Demekhin E.A., Ganchenko G.S., Kalaydin E.N. Transition to electrokinetic instability near imperfect charge-selective membranes // Phys. Fluids. 2018. V. 30. № 8. P. 082006. https://doi.org/10.1063/1.5038960
  15. Schiffbauer J., Demekhin E., Ganchenko G. Transitions and instabilities in imperfect ion-selective membranes // Int. J. Mol. Sci. 2020. V. 21. № 18. P. 6526. https://doi.org/10.3390/ijms21186526
  16. Филиппов А.Н. Ячеечная модель ионообменной мембраны. Гидродинамическая проницаемость // Коллоидный журнал. 2018. Т. 80. № 6. С. 745–757. https://doi.org/10.1134/S0023291218060034
  17. Филиппов А.Н., Шкирская С.А. Верификация ячеечной (гетерогенной) модели ионообменной мембраны и ее сравнение с гомогенной моделью // Коллоидный журнал. 2019. Т. 81. № 5. С. 650–659. https://doi.org/10.1134/s0023291219050045
  18. Филиппов А.Н. Ячеечная модель ионообменной мембраны. Электродиффузионный коэффициент и диффузионная проницаемость // Коллоидный журнал. 2021. Т. 83. № 3. С. 360–372. https://doi.org/10.31857/S002329122103006X
  19. Филиппов А.Н. Ячеечная модель ионообменной мембраны. Капиллярно-осмотический и обратноосмотический коэффициенты // Коллоидный журнал. 2022. Т. 84. № 3. С. 350–362. https://doi.org/10.31857/S0023291222030053
  20. Filippov A.N. Control of electrolyte filtration through a charged porous layer (membrane) using a combination of pressure drop and an external electric field // Colloids Interfaces. 2022. V. 6. № 2. P. 34. https://doi.org/10.3390/colloids6020034
  21. Rubinstein I., Zaltzman B. Electro-osmotically induced convection at a permselective membrane // Phys. Rev. E. 2000. V. 62. № 2. P. 2238–2251. https://doi.org/10.1103/physreve.62.2238
  22. Шелистов В.С., Никитин Н.В., Ганченко Г.С., Демехин Е.А. Численное моделирование электрокинетической неустойчивости в полупроницаемых мембранах // Доклады Российской академии наук. 2011. Т. 440. № 5. С. 625–630.
  23. Apel P., Bondarenko M., Yamauchi Yu., Yaroshchuk A. Osmotic pressure and diffusion of ions in charged nanopores // Langmuir. 2021. V. 37. № 48. P. 14089–14095. https://doi.org/10.1021/acs.langmuir.1c02267
  24. Филиппов А.Н. Числа переноса противоионов в ячеечной модели заряженной мембраны // Мембраны и мембранные технологии. 2023. Т. 13. № 5. С. 393–401. https://doi.org/10.31857/S2218117223050036

Дополнительные файлы

Доп. файлы
Действие
1. JATS XML
Скачать

© Российская академия наук, 2025