Везде

ОХНМКоллоидный журнал Colloid Journal

  • ISSN (Print) 0023-2912
  • ISSN (Online) 3034-543X

ИССЛЕДОВАНИЕ ЭЛЕКТРОКОНВЕКЦИИ ПРИ ОДНОРОДНОМ ТЕЧЕНИИ РАСТВОРА ЭЛЕКТРОЛИТА ЧЕРЕЗ ИОНОСЕЛЕКТИВНУЮ ОБЛАСТЬ

Вы можете
Код статьи
S3034543X25040034-1
DOI
10.7868/S3034543X25040034
Тип публикации
Статья
Статус публикации
Опубликовано
Авторы
Ганченко Г.С.
  • Аффилиация: Лаборатория электро- и гидродинамики микро- и наномасштабов, Финансовый университет при Правительстве Российской Федерации
Шелистов В. С.
  • Аффилиация: Лаборатория электро- и гидродинамики микро- и наномасштабов, Финансовый университет при Правительстве Российской Федерации
Ольберг И.И.
  • Аффилиация: Институт математики, механики и компьютерных наук им. И.И. Воронина, Южный федеральный университет
Моршнева И.В.
  • Аффилиация: Институт математики, механики и компьютерных наук им. И.И. Воронина, Южный федеральный университет
Демехин Е.А.
  • Аффилиация:
    Лаборатория электро- и гидродинамики микро- и наномасштабов, Финансовый университет при Правительстве Российской Федерации
    Лаборатория общей аэродинамики, НИИ механики МГУ им. М.В. Ломоносова
Том/ Выпуск
Том 87 / Номер выпуска 4
Страницы
289-298
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 анализа в микролабораториях для химического анализа биологических жидкостей.
Ключевые слова
электрокинетика ионообменная мембрана концентрационная поляризация численное моделирование электрокинетическая неустойчивость электроконвекция лаборатория на чипе
Дата публикации
29.04.2025
Год выхода
2025
Всего подписок
0
Всего просмотров
27

Библиография

  1. 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. https://doi.org/10.1021/ac050321z
  2. 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. 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. https://doi.org/10.1039/c8m02170h
  4. 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. https://doi.org/10.1073/pnas.1904513116
  5. 5. Rubinstein I., Shulman L. Voltage against current curves of cation-exchange membranes // J. Chem. Soc., Faraday Trans. 2. 1979. V. 75. P. 231–246. https://doi.org/10.1039/f29797500231
  6. 6. Rubinstein I., Zaltzman B. Electro-osmotically induced convection at a permeslective membrane // Phys. Rev. E. 2000. V. 62. № 2. P. 2238–2251. https://doi.org/10.1103/physreve.62.2238
  7. 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. 8. Шеменов 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. 9. Левич В.Г. Физико-химическая гидродинамика. М.: Физматгиз, 1959.
  10. 10. Chen Q., Liu X., Lei Y., Zhu H. An electrokinetic pre-concentration trapping pattern in electromembrane microfluidics // Phys. Fluids. 2022. V. 34. № 9. P. 092009. https://doi.org/10.1063/5.0109394
  11. 11. Butykski D.Yu., Pismenskaya N.D., Apel P.Yu., Sabbatovsky 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. https://doi.org/10.1016/j.memsci.2021.119449
  12. 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. https://doi.org/10.1146/annurev-fluid-120710-101046
  13. 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. https://doi.org/10.1016/j.aca.2020.06.021
  14. 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. https://doi.org/10.1134/s2517751620050066
  15. 15. Butykski D., Troitsky V., Chupynina D., Danmak 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
  16. 16. Rubinstein I., Zaltzman B. Equilibrium electroconvective instability // Phys. Rev. Lett. 2015. V. 114. № 11. P. 114502. https://doi.org/10.1103/physrevlett.114.114502
  17. 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. https://doi.org/10.7868/s0869565217150063
  18. 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. 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. https://doi.org/10.3390/jims21186526
  20. 20. Филиппов А.Н. Ячеечная модель ионообменной мембраны. Гидродинамическая проницаемость // Коллоидный журнал. 2018. Т. 80. № 6. С. 745–757. https://doi.org/10.1134/S0023291218060034.
  21. 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. https://doi.org/10.1134/s0023291219050045.
  22. 22. 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.
  23. 23. 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.
  24. 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. 25. 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
  26. 26. Shellstov V.S., Demekhin E.A., Ganchenko G.S. Electrokinetic instability near charge-selective hydrophobic surfaces // Phys. Rev. E. 2014. V. 90. № 1. P. 013001. https://doi.org/10.1103/PhysRevE.90.013001
  27. 27. Demekhin E.A., Shellstov 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. https://doi.org/10.1103/physreve.84.036318
  28. 28. Demekhin E.A., Nikitin N.V., Shellstov 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. 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. 30. Demekhin E.A., Nikitin N.V., Shellstov V.S. Three-dimensional coherent structures of electrokinetic instability // Phys. Rev. E. 2014. V. 90. № 1. P. 013031. https://doi.org/10.1103/physreve.90.013031
  31. 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.
QR
Перевести

Индексирование

Scopus

Scopus

Scopus

Crossref

Scopus

Высшая аттестационная комиссия

При Министерстве образования и науки Российской Федерации

Scopus

Научная электронная библиотека