אלקטרו-אוסמוזה

מתוך ויקיפדיה, האנציקלופדיה החופשית
קפיצה אל: ניווט, חיפוש

אלקטרו-אוסמוזה (או זרימה אלקטרו-אוסמוטית) הינה תנועה של זורם עקב הפעלת שדה חשמלי בצינור קפילרי, ממברנות או מיקרו-תעלות. חשיבותה של תופעה זו נובעת מכך שגודל המהירות בזרימה אלקטרו-אוסמוטית תלוי באופן לינארי בעוצמת השדה שהופעל, בחומר ממנו עשויה התעלה וסוג של נוזל עצמו, אך לא בממדי התעלה. אלקטרו-אוסמוזה הינה מרכיב חיוני בטכניקות הפרדה כימיות, בעיקר באלקטרופורזה קפילרית. אלקטרו-אוסמוזה יכולה להתרחש במים לא מסוננים טבעיים, וגם בתמיסות בופר.

איור סכמתי של זרימה אלקטרו-אוסמוטית

היסטוריה[עריכת קוד מקור | עריכה]

אולקטרו-אוסמוזה מתרחשת בין כל אלקוטרוליט ומוצק מבודד

תופעת אלקטרו-אוסמוזה תוארה לראשונה בשנת 1809 על ידי פ. פ. רויס מאגודת מוסקבה לחקר טבע (רוסית: Московское общество испытателей природы).

הוא הראה כי מים יכולים לזרום דרך פקק העשוי מחרסינה כתוצאה מהפעלת מתח חשמלי. חרסינה מורכבת מחלקיקים צפופים של סיליקה ומינרלים אחרים, ומים זורמים ברווחים הצרים שבין חלקיקים אלה בדיוק כפי שזה היה קורה דרך שפופרת זכוכית. כל שילוב של אלקטרוליט (נוזל המכיל יונים חופשיים) ומוצק מבודד יגרום לאלקטרו-אוסמוזה, אך לשילוב של מים וסיליקה ההשפעה של האפקט היא ניכרת במיוחד, אם כי מתקבלות בדרך כלל מהירויות זרימה נמוכות- רק כמה מילימטרים לשנייה.

הגורם להיווצרות הזרימה[עריכת קוד מקור | עריכה]

בגלל שיווי משקל כימי הקיים בין משטח המוצק ותמיסת אלקטרוליט, נוצרת שכבה של יונים ניידים בעלי מטען חשמלי נטו קבוע קרוב למשטח המוצק, המכונה שכבה חשמלית הכפולה (ראו Electrical double layer). כאשר שדה חשמלי מופעל על הנוזל המטען חשמלי נטו בשכבה חשמלית הכפולה מתחיל לנוע הודות לכוח קולון וגורם לזרימה של כל הנוזל. זאת הסיבה למקור השם: אלקטרו-אוסמוזה.

משוואות הזרימה לזרימה אלקטרו-אוסמוטית[עריכת קוד מקור | עריכה]

נכתוב את משוואות נאוויה-סטוקס ואת משואת הרציפות למקרה של אלקטרו-אוסמוזה. עבור נוזל בלתי-דחיס :
משוואת הרציפות היא:

\nabla \cdot \vec{U}=0

משוואת התנע, בכתיב וקטורי, קרוב למשטח:

\rho \frac{D\vec{U}}{Dt}=-\nabla p+\mu {{\nabla }^{2}}\vec{U}+{{\rho }_{E}}{{\vec{E}}_{ext}}

כאשר \vec{U} מהירות הנוזל, \rho צפיפות הנוזל, \mu צמיגות הנוזל, \frac{D\vec{U}}{Dt} נגזרת מלווה, {{\rho }_{E}} צפיפות מטען החשמלי בשכבה חשמלית הכפולה ו{{\vec{E}}_{ext}} עוצמת השדה החשמלי.
כמו כן מתקיים: {{\vec{E}}_{ext}}=-\nabla (\phi +\psi ) כאשר \phi הוא פוטנציאל חשמלי הודות לשדה חיצוני שהופעל ו\psi הוא פוטנציאל זטה על פני המשטח המוצק.

בנוסף מתקיימת משוואת לפלס המתארת את הפוטנציאל החשמלי הודות לשדה חיצוני שהופעל:

{{\nabla }^{2}}\phi =0

כמו כן, מתקיימת משוואת פואסון המתארת את הפוטנציאל החשמלי הודות לשדה הפנימי שנובע מפוטנציאל זטה:

{{\nabla }^{2}}\psi =-\frac{{{\rho }_{E}}}{\varepsilon } כאשר \varepsilon הוא קבוע דיאלקטרי.

  • עבור מקרה חד ממדי נקבל שהמהירות רחוק מהמשטח היא קבועה ואחידה בחתך:

u=-\frac{\varepsilon \xi }{\mu }E כאשר \xi הוא סימון חילופי לפוטנציאל זטה. הביטוי האחרון נקרא משאוות הלמולץ-שמולוצ'ובסקי.

  • נהוג להגדיר את המוביליות האלקטרו-אוסמוטית בצורה הבאה:

{{\mu }_{EO}}=-\frac{\varepsilon \xi }{\mu } ואז מקבלים שעבור מוביליות קבועה - המהירות הינה יחסית לעוצמת השדה שהופעל: u={{\mu }_{EO}}E.

  • הסדר גודל של מוביליות ,{{\mu }_{EO}}, הוא {{10}^{-8}}[\frac{{{m}^{2}}}{V}].

שימושים[עריכת קוד מקור | עריכה]

באפקט של אלקטרו-אוסמוזה משתמשים בדרך כלל במכשירים של מיקרו-זרימה (ראו מיקרופלואידיקה)‏[1][2], אנליזה ועיבוד של קרקע‏[3] ואנליזה כימית‏[4], והמאפיין המייחד של כל המערכות האלו הינו נוכחות של משטחים טעונים, העשויים בדרך כלל מתחמוצת. להלן מספר שימושים:

  • אחד היישומים הבולטים של שימוש באלקטרו-אוסמוזה במכשירים של מיקרופלואידיקה הוא לצורך מחקר רפואי. אחד הקשיים של מחקר רפואי הינו ערבוב והפרדה של נוזלים ברמה האטומית. ברגע שבקרת הזרימה בעזרת אלקטרו-אוסמוזה תהיה מובנת במלואה וחוקרים יצליחו לערבב ולהפריד נוזלים ברמה האטומית, האנושות תצליח להלחם במחלות רבות.‏[5]
  • משאבה אלקטרו-אוסמוטית (ראו Electroosmotic pump) הינו מכשיר הגורם להיווצרות זרימה או מפל לחץ עקב הפעלת שדה חשמלי. אחד השימושים של משאבה אלקטרו-אוסמוטית הינו שאיבת מים מאזורים מוצפים.
  • משתמשים באלקטרו-אוסמוזה לייבוש של כבול, חומר שמשמש כחומר דלק במדינות רבות.
  • בתא דלק אפקט האלקטרו-אוסמוזה גורם לפרוטונים לנוע דרך ממברנת אלקטרוליט פולימרי‏ (PEM) על ידי כך להעברת של מולקולות מים מאנודה לקתודה.

ראו גם[עריכת קוד מקור | עריכה]

הערות שוליים[עריכת קוד מקור | עריכה]

  1. ^ Bruus, H.. Theoretical Microfluidics, 2007. ISBN 0-19-923509-0. 
  2. ^ Kirby, B.J.. Micro- and Nanoscale Fluid Mechanics: Transport in Microfluidic Devices: Chapter 6: Electroosmosis. Cambridge University Press, 2010. 
  3. ^ Wise, D.L. and Trantolo, D.J., eds.. Remediation of Hazardous Waste Contaminated Soils. 
  4. ^ Skoog. Principles of Instrumental Analysis. ISBN 0-495-12570-9. 
  5. ^ Ducree, Jen. {{{title}}}.