Prąd strumieniowy

Prąd strumieniowy i potencjał strumieniowy to dwa powiązane ze sobą zjawiska elektrokinetyczne badane w dziedzinie chemii powierzchni i elektrochemii . Są to lub potencjał elektryczny , który powstaje, gdy elektrolit jest napędzany gradientem ciśnienia przez kanał lub porowatą zatyczkę z naładowanymi ścianami.

Pierwsza obserwacja potencjału strumieniowego jest generalnie przypisywana niemieckiemu fizykowi Georgowi Hermannowi Quincke w 1859 roku.

Aplikacje

Prądy strumieniowe w dobrze zdefiniowanych geometriach są czułą metodą charakteryzowania potencjału zeta powierzchni, co jest ważne w dziedzinie nauki o koloidach i interfejsach . W geologii do oceny formacji wykorzystuje się pomiary związanego z nimi potencjału spontanicznego . Potencjał strumienia musi być brany pod uwagę przy projektowaniu przepływu słabo przewodzących płynów (np. przewody benzynowe) ze względu na niebezpieczeństwo nagromadzenia się wysokiego napięcia. Streaming current monitor (SCM) jest podstawowym narzędziem do monitorowania krzepnięcia w oczyszczalnie ścieków . Stopień koagulacji wody surowej można monitorować za pomocą SCM w celu zapewnienia dodatniego sprzężenia zwrotnego kontroli wstrzykiwania koagulantu. Wraz ze wzrostem prądu strumienia ścieków, do strumienia wtryskiwana jest większa ilość koagulantu. Wyższe poziomy środka koagulującego powodują koagulację małych cząstek koloidalnych i sedymentację ze strumienia. Ponieważ w strumieniu ścieków znajduje się mniej cząstek koloidalnych, zmniejsza się potencjał przepływu. SCM rozpoznaje to i następnie zmniejsza ilość koagulantu wtryskiwanego do strumienia ścieków. Wdrożenie kontroli sprzężenia zwrotnego SCM doprowadziło do znacznej redukcji kosztów materiałów, której nie osiągnięto aż do wczesnych lat 80-tych. Oprócz możliwości monitorowania prąd strumieniowy mógłby teoretycznie generować użyteczność energia elektryczna . Proces ten nie został jednak jeszcze zastosowany, ponieważ typowy potencjał przepływu mechanicznego do elektrycznego wynosi około 1%.

Pochodzenie

Przylegająca do ścianek kanału neutralność ładunku cieczy jest naruszona z powodu obecności podwójnej warstwy elektrycznej : cienkiej warstwy przeciwjonów przyciąganych przez naładowaną powierzchnię.

Transport przeciwjonów wraz z przepływem płynu pod ciśnieniem powoduje transport ładunku netto: prąd strumieniowy. Odwrotny efekt, generujący przepływ płynu przez zastosowanie różnicy potencjałów, nazywany jest przepływem elektroosmotycznym .

Metoda pomiaru

Typowa konfiguracja do pomiaru prądów strumieniowych składa się z dwóch odwracalnych elektrod umieszczonych po obu stronach geometrii płynu, na które przykładana jest znana różnica ciśnień. Gdy obie elektrody są utrzymywane na tym samym potencjale, prąd strumieniowy jest mierzony bezpośrednio jako prąd elektryczny przepływający przez elektrody. Alternatywnie, elektrody można pozostawić w pozycji pływającej, co pozwala na narastanie strumieniowego potencjału między dwoma końcami kanału.

Potencjał strumienia jest definiowany jako dodatni, gdy potencjał elektryczny jest wyższy po stronie wysokiego ciśnienia układu przepływowego niż po stronie niskiego ciśnienia.

Wartość strumienia prądu obserwowana w kapilarze jest zwykle związana z potencjałem zeta za pomocą zależności:

${\ Displaystyle I_ {str} = - {\ Frac {\ epsilon _ {rs} \ epsilon _ {0} a ^ {2} \ pi }{\eta}}{\frac {\Delta P}{L}}\zeta}$ .

Prąd przewodzenia , który jest równy co do wielkości prądowi strumieniowemu w stanie ustalonym, wynosi:

${\ Displaystyle I_ {c} = K_ {L} a ^ {2} \ pi {\ Frac {U_ {str}} {L}}}$

W stanie ustalonym potencjał przesyłania strumieniowego narastający w systemie przepływu jest określony przez:

${\ Displaystyle U_ {str} = {\ Frac {\ epsilon _ {rs} \ epsilon _ {0} \ zeta} {\ eta K_ {L}} }\Delta P}$

Symbolika:

• I _str - prąd płynący w warunkach zwarcia, A
• U _str - potencjał strumieniowy przy zerowych warunkach prądu netto, V
• I _c - prąd przewodzenia, A
• ε _rs - przenikalność względna cieczy, bezwymiarowa
• ₀ ε - przenikalność elektryczna próżni, F·m ⁻¹
• η - lepkość dynamiczna cieczy, kg·m ⁻¹ ·s ⁻¹
• ζ - potencjał zeta, V
• ΔP - różnica ciśnień, Pa
• L - długość kapilary, m
• a - promień kapilary, m
• K _L - przewodnictwo właściwe cieczy w masie, S·m ⁻¹

Powyższe równanie jest zwykle określane jako równanie Helmholtza-Smoluchowskiego .

Powyższe równania zakładają, że:

• $κ$ , jest odwrotnością długości Debye'a
• nie ma przewodnictwa powierzchniowego (co zwykle może stać się ważne, gdy potencjał zeta jest duży, np. |ζ| > 50 mV)
• nie ma elektrycznej polaryzacji dwuwarstwowej
• powierzchnia jest jednorodna pod względem właściwości
• nie ma osiowego gradientu stężeń
• geometria jest geometrią kapilary/rurki.

Literatura

1. J. Lyklema, Podstawy interfejsu i nauki o koloidach
2. FHJ van der Heyden i in., Phys. Wielebny Lett. 95, 116104 (2005)
3. C. Werner i in., J. Colloid Interface Sci. 208, 329 (1998)
4. Mansouri i in. The Journal of Physical Chemistry C, 112(42), 16192 (2008)