Una corriente de flujo y un potencial de flujo son dos fenómenos electrocinéticos interrelacionados estudiados en las áreas de química de superficies y electroquímica . Son una corriente o potencial eléctrico que se origina cuando un electrolito es impulsado por un gradiente de presión a través de un canal o tapón poroso con paredes cargadas. [1] [2] [3]
La primera observación del potencial de transmisión generalmente se atribuye al físico alemán Georg Hermann Quincke en 1859.
Aplicaciones
Las corrientes de flujo en geometrías bien definidas son un método sensible para caracterizar el potencial zeta de las superficies, lo cual es importante en los campos de la ciencia de los coloides y las interfaces . [1] En geología, las mediciones de potencial espontáneo relacionado se utilizan para evaluaciones de formaciones. Se debe considerar el potencial de flujo en el diseño para el flujo de fluidos poco conductores (por ejemplo, líneas de gasolina) debido al peligro de acumulación de altos voltajes. El monitor de corriente de flujo (SCM) es una herramienta fundamental para monitorear la coagulación en plantas de tratamiento de aguas residuales . El grado de coagulación del agua cruda puede controlarse mediante el uso de un SCM para proporcionar un control de retroalimentación positiva de la inyección de coagulante. A medida que aumenta la corriente de agua residual, se inyecta más agente coagulante en la corriente. Los niveles más altos de agente coagulante hacen que las pequeñas partículas coloidales se coagulen y sedimenten fuera de la corriente. Dado que hay menos partículas coloidales en la corriente de aguas residuales, el potencial de transmisión disminuye. El SCM reconoce esto y posteriormente reduce la cantidad de agente coagulante inyectado en la corriente de aguas residuales. La implementación del control de retroalimentación SCM ha llevado a una reducción significativa del costo de los materiales, una que no se realizó hasta principios de la década de 1980. [4] Además de las capacidades de monitoreo, la corriente de flujo podría, en teoría, generar energía eléctrica utilizable . Sin embargo, este proceso aún no se ha aplicado, ya que el potencial de transmisión típico de las eficiencias mecánicas a eléctricas son de alrededor del 1%. [5]
Origen
Adyacente a las paredes del canal, la neutralidad de carga del líquido se viola debido a la presencia de la doble capa eléctrica : una capa delgada de contraiones atraídos por la superficie cargada. [1] [6]
El transporte de contraiones junto con el flujo de fluido impulsado por presión da lugar a un transporte de carga neta: la corriente de flujo. El efecto inverso, que genera un flujo de fluido aplicando una diferencia de potencial, se denomina flujo electroosmótico . [6] [7] [8]
Método de medida
Una configuración típica para medir corrientes de flujo consiste en dos electrodos reversibles colocados a cada lado de una geometría fluídica a través de los cuales se aplica una diferencia de presión conocida. Cuando ambos electrodos se mantienen al mismo potencial, la corriente de flujo se mide directamente como la corriente eléctrica que fluye a través de los electrodos. Alternativamente, los electrodos se pueden dejar flotando, permitiendo que se acumule un potencial de flujo entre los dos extremos del canal.
Un potencial de flujo se define como positivo cuando el potencial eléctrico es mayor en el extremo de alta presión del sistema de flujo que en el extremo de baja presión.
El valor de la corriente de flujo observado en un capilar suele estar relacionado con el potencial zeta a través de la relación: [9]
- .
La corriente de conducción , que es igual en magnitud a la corriente de flujo en estado estable, es:
En estado estable, el potencial de transmisión acumulado en el sistema de flujo viene dado por:
Simbolos:
- I str - corriente de flujo en condiciones de cortocircuito, A
- U str - potencial de transmisión en condiciones de corriente neta cero, V
- I c - corriente de conducción, A
- ε rs - permitividad relativa del líquido, adimensional
- ε 0 - permitividad eléctrica del vacío, F · m −1
- η - viscosidad dinámica del líquido, kg · m −1 · s −1
- ζ - potencial zeta, V
- ΔP - diferencia de presión, Pa
- L - longitud capilar, m
- a - radio capilar, m
- K L - conductividad específica del líquido a granel, S · m −1
La ecuación anterior generalmente se conoce como la ecuación de Helmholtz-Smoluchowski .
Las ecuaciones anteriores suponen que:
- la doble capa no es demasiado grande en comparación con los poros o capilares (es decir, ), donde κ es el recíproco de la longitud de Debye
- no hay conducción superficial (que normalmente puede volverse importante cuando el potencial zeta es grande, por ejemplo, | ζ |> 50 mV)
- no hay polarización eléctrica de doble capa
- la superficie es homogénea en propiedades [10]
- no hay gradiente de concentración axial
- la geometría es la de un capilar / tubo.
Literatura
- J. Lyklema, Fundamentos de la interfaz y la ciencia coloide
- FHJ van der Heyden y col., Phys. Rev. Lett. 95, 116104 (2005)
- C. Werner y col., J. Colloid Interface Sci. 208, 329 (1998)
- Mansouri y col. La Revista de Química Física C, 112 (42), 16192 (2008)
Referencias
- ↑ a b c Lyklema, J. (1995). Fundamentos de la ciencia de interfaces y coloides . Prensa académica .
- ^ Li, D. (2004). Electrocinética en Microfluídica . Prensa académica .
- ^ Chang, HC, Yeo, L. (2009). Microfluídicos y nanofluídicos impulsados electrocinéticamente . Prensa de la Universidad de Cambridge .CS1 maint: varios nombres: lista de autores ( enlace )
- ^ http://www.waterhouse-bc.ca/Theory%20of%20the%20Streaming%20Current%20Monitor.pdf
- ^ Olthuis, Wouter; Schippers, Bob; Eijkel, Jan; Van Den Berg, Albert (2005). "Energía procedente de streaming actual y potencial". Sensores y actuadores B: Químico . 111–112: 385–389. CiteSeerX 10.1.1.590.7603 . doi : 10.1016 / j.snb.2005.03.039 .
- ^ a b Kirby, BJ (2010). Mecánica de fluidos a micro y nanoescala: transporte en dispositivos microfluídicos . Prensa de la Universidad de Cambridge. ISBN 978-0-521-11903-0.
- ^ Bruus, H. (2007). Microfluídica teórica . Prensa de la Universidad de Oxford .
- ^ Karniadakis, GM, Beskok, A., Aluru, N. (2005). Microflujos y nanoflujos . Springer Verlag .CS1 maint: varios nombres: lista de autores ( enlace )
- ^ "Medición e interpretación de fenómenos electrocinéticos", Unión Internacional de Química Pura y Aplicada, Informe técnico, publicado en Pure Appl. Chem., Vol 77, 10, págs. 1753-1805, 2005 (pdf) .
- ^ Menachem Elimelech y Amy E. Childress, "potencial Zeta de las membranas de ósmosis inversa: implicaciones para el rendimiento de la membrana". Departamento del Interior de los Estados Unidos, Oficina de Reclamación, Oficina de Denver. Informe del Programa de Tecnología de Tratamiento de Agua No. 10. Diciembre de 1996.