Transmisión de corriente

Fenómenos electrocinéticos

Una corriente de flujo y un potencial de flujo son dos fenómenos electrocinéticos interrelacionados que se estudian 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 flujo se atribuye generalmente 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 de las interfaces . ^[1] En geología, las mediciones del potencial espontáneo relacionado se utilizan para evaluaciones de formaciones. El potencial de flujo debe considerarse 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 se puede controlar 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 se sedimenten fuera de la corriente. Dado que en la corriente de aguas residuales hay menos partículas coloidales, el potencial de corriente 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 de los costos de materiales, una reducción que no se logró hasta principios de los años 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 las eficiencias mecánicas a eléctricas del potencial de transmisión típica 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 una doble capa eléctrica : una fina capa de contraiones atraídos por la superficie cargada. ^{[ dieciséis]}

El transporte de contraiones junto con el flujo de fluido impulsado por la presión da lugar a un transporte de carga neto: la corriente de flujo. El efecto inverso, generar 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 consta de dos electrodos reversibles colocados a cada lado de una geometría fluídica a través de la cual se aplica una diferencia de presión conocida. Cuando ambos electrodos se mantienen al mismo potencial, la corriente que fluye 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 que fluye observado en un capilar generalmente está relacionado con el potencial zeta a través de la relación: ^[9]

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

La corriente de conducción , que es igual en magnitud a la corriente de flujo en estado estacionario, es:

${\displaystyle I_{c}=K_{L}a^{2}\pi {\frac {U_{str}}{L}}}$

En estado estacionario, el potencial de flujo acumulado a lo largo del sistema de flujo viene dado por:

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

Símbolos:

• 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 del capilar, m
• a - radio capilar, m
• K _L - conductividad específica del líquido a granel, S·m ⁻¹

La ecuación anterior suele denominarse 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 ${\displaystyle \kappa a\gg 1}$
• no hay conducción superficial (lo 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

1. J. Lyklema, Fundamentos de la interfaz y la ciencia de los coloides.
2. FHJ van der Heyden et al., Phys. Rev. Lett. 95, 116104 (2005)
3. C. Werner et al., J. Colloid Interface Sci. 208, 329 (1998)
4. Mansouri et al. La Revista de Química Física C, 112 (42), 16192 (2008)

Referencias

1. Lyklema, J. (1995). Fundamentos de la interfaz y la ciencia de los coloides . Prensa académica .
2. Li, D. (2004). Electrocinética en Microfluídica . Prensa académica .
3. Chang, HC, Yeo, L. (2009). Microfluídica y nanofluídica impulsada electrocinéticamente . Prensa de la Universidad de Cambridge .{{cite book}}: CS1 maint: multiple names: authors list (link)
4. "Copia archivada" (PDF) . Archivado desde el original (PDF) el 4 de marzo de 2016 . Consultado el 7 de mayo de 2013 .{{cite web}}: CS1 maint: archived copy as title (link)
5. Olthuis, Wouter; Schippers, Bob; Eijkel, enero; Van Den Berg, Albert (2005). "Energía procedente del flujo de corriente y potencial". Sensores y Actuadores B: Químicos . 111–112: 385–389. CiteSeerX 10.1.1.590.7603 . doi :10.1016/j.snb.2005.03.039. 
6. 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.
7. Bruus, H. (2007). Microfluidos Teóricos . Prensa de la Universidad de Oxford .
8. Karniadakis, GM, Beskok, A., Aluru, N. (2005). Microflujos y Nanoflujos . Springer Verlag .{{cite book}}: CS1 maint: multiple names: authors list (link)
9. "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).
10. Menachem Elimelech y Amy E. Childress, "Potencial Zeta de las membranas de ósmosis inversa: implicaciones para el rendimiento de las membranas". Departamento del Interior de EE. UU., Oficina de Reclamación, Oficina de Denver. Informe del Programa de Tecnología de Tratamiento de Agua No. 10. Diciembre de 1996.