Исследование электроконвекции при однородном течении раствора электролита через ионоселективную область

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 теоретического исследования возникновения и развития электроконвекции около ионоселективной области при наличии однородного течения раствора электролита через эту область. Анализ линейной устойчивости стационарного решения позволил оценить зависимость критической разности электрических потенциалов, при которой возникает электрокинетическая неустойчивость, от интенсивности внешнего течения. Двумерное численное моделирование показало специфику нелинейных режимов электроконвекции. Исследование продемонстрировало, что наличие внешнего потока стабилизирует систему: электроконвекция начинается при больших значениях разности потенциалов, а ее режимы при увеличении разности потенциалов сменяются быстрее. Понимание обнаруженных эффектов полезно в практических приложениях, таких как разработка систем предварительного концентрирования аналита в микролабораториях для химического анализа биологических жидкостей.

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. 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.
  2. 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
  3. 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.
  4. Ouyang W., Han J. Universal amplification-free molecular diagnostics by billion-fold hierarchical nanofluidic concentration // Proc. Natl. Acad. Sci. 2019. V. 116. № 33. P. 16240–16249.
  5. Rubinstein I., Shtilman L. Voltage against current curves of cation-exchange membranes // J. Chem. Soc., Faraday Trans. 2. 1979. V. 75. P. 231–246.
  6. Rubinstein I., Zaltzman B. Electro-osmotically induced convection at a permselective membrane // Phys. Rev. E. 2000. V. 62. № 2. P. 2238–2251.
  7. Nikonenko V.V., Pismenskaya N.D., Belova E.I., Sistat P., Huguet P., Pourcelly G., Larchet C. Intensive current transfer in membrane systems: Modelling, mechanisms and application in electrodialysis // Adv. Colloid Interface Sci. 2010. V. 160. № 1–2. P. 101–123. https://doi.org/10.1016/j.cis.2010.08.001
  8. 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.
  9. Левич В.Г. Физико-химическая гидродинамика. М.: Физматгиз, 1959.
  10. Chen Q., Liu X., Lei Y., Zhu H. An electrokinetic preconcentration trapping pattern in electromembrane microfluidics // Phys. Fluids. 2022. V. 34. № 9. P. 092009. https://doi.org/10.1063/5.0109394
  11. Butylskii D.Yu., Pismenskaya N.D., Apel P.Yu., Sabbatovskiy K.G., Nikonenko V.V. Highly selective separation of singly charged cations by countercurrent electromigration with a track-etched membrane // J. Membr. Sci. 2021. V. 635. P. 119449.
  12. Chang H.-C., Yossifon G., Demekhin E.A. Nanoscale electrokinetics and microvortices: How microhydrodynamics affects nanofluidic ion flux // Annu. Rev. Fluid Mech. 2012. V. 44. № 1. P. 401–426.
  13. 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.
  14. 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.
  15. 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.
  16. Rubinstein I., Zaltzman B. Equilibrium electroconvective instability // Phys. Rev. Lett. 2015. V. 114. № 11. P. 114502.
  17. 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.
  18. 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
  19. Schiffbauer J., Demekhin E., Ganchenko G. Transitions and instabilities in imperfect ion-selective membranes // Int. J. Mol. Sci. 2020. V. 21. № 18. P. 6526.
  20. Филиппов А.Н. Ячеечная модель ионообменной мембраны. Гидродинамическая проницаемость // Коллоидный журнал. 2018. Т. 80. № 6. С. 745–757.
  21. 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.
  22. Филиппов А.Н. Ячеечная модель ионообменной мембраны. Электродиффузионный коэффициент и диффузионная проницаемость // Коллоидный журнал. 2021. Т. 83. № 3. С. 360–372.
  23. Филиппов А.Н. Ячеечная модель ионообменной мембраны. Капиллярно-осмотический и обратноосмотический коэффициенты // Коллоидный журнал. 2022. Т. 84. № 3. С. 350–362.
  24. Ганченко Г.С., Шелистов В.С., Ольберг И.И., Моршнева И.В., Демехин Е.А. Моделирование влияния конвективных течений через ионоселективную область на токовые режимы в бинарных растворах электролитов // Коллоидный журнал. 2025. № 4. С. 282–289.
  25. Филиппов А.Н. Числа переноса противоионов в ячеечной модели заряженной мембраны // Мембраны и мембранные технологии. 2023. Т. 13. № 5. С. 393–401.
  26. Shelistov V.S., Demekhin E.A., Ganchenko G.S. Electrokinetic instability near charge-selective hydrophobic surfaces // Phys. Rev. E. 2014. V. 90. № 1. P. 013001.
  27. Demekhin E.A., Shelistov V.S., Polyanskikh S.V. Linear and nonlinear evolution and diffusion layer selection in electrokinetic instability // Phys. Rev. E. 2011. V. 84. № 3. P. 036318.
  28. Demekhin E.A., Nikitin N.V., Shelistov V.S. Direct numerical simulation of electrokinetic instability and transition to chaotic motion // Phys. Fluids. 2013. V. 25. № 12. P. 122001. https://doi.org/10.1063/1.4843095
  29. Druzgalski C.L., Andersen M.B., Mani, A. Direct numerical simulation of electroconvective instability and hydrodynamic chaos near an ion-selective surface // Physics of Fluids. 2013. V. 25. № 11. P. 110804. https://doi.org/10.1063/1.4818995
  30. Demekhin E.A., Nikitin N.V., Shelistov V.S. Three-dimensional coherent structures of electrokinetic instability // Phys. Rev. E. 2014. V. 90. № 1. P. 013031.
  31. Шелистов В.С., Демехин Е.А., Ганченко Г.С. Автомодельное решение задачи об электрокинетической неустойчивости в полупроницаемых мембранах // Вестник Московского университета. Серия 1: Математика. Механика. 2014. № 5. С. 62–65.

Дополнительные файлы

Доп. файлы
Действие
1. JATS XML
Скачать

© Российская академия наук, 2025