Изобретение относится к средствам для перекачивания малых количеств жидкости, более конкретно - к микронасосам без движущихся механических частей, а именно к микронасосам, основанным на использовании электрокинетического эффекта.
Известны электрокинетические (электроосмотические) микронасосы [1-4], основанные на использовании эффекта образования двойного электрического слоя на границе раздела полярная жидкость - твердый диэлектрик. При наложении внешнего электрического поля на высокопористые тела, находящиеся в контакте с полярной жидкостью и обладающие развитой поверхностью такого контакта, имеет место небольшое смещение подвижной (диффузной) части двойного электрического слоя относительно его неподвижной (пристеночной) части, за счет чего происходит принудительное перемещение жидкости в направлении, параллельном внешнему электрическому полю. Такие микронасосы имеют ряд ограничений, главными из которых являются электролиз перекачиваемого раствора, что может привести к изменению его химического состава, а также образование пузырьков газов в непосредственном контакте с пористым телом, что может привести к ухудшению или прекращению перекачивания жидкости [4].
Указанные недостатки устраняются в электрокинетическом микронасосе [5], в котором используются два пористых тела с противоположным знаком заряда поверхности пор, одно из которых функционирует при перекачивании жидкости от катода к аноду, а второе - при перекачивании от анода к катоду. При этом к каждому из пористых тел примыкает только один из электродов со стороны внешней части микронасоса, пористые тела соединены так, что создают общий поток во внутренней части микронасоса. Недостатками такого устройства являются сложность подбора пористых материалов или модификации их поверхностей, а также дороговизна устройства. В таком микронасосе также требуется использование электродов второго рода и солевых мостиков для того, чтобы полностью исключить возможность блокировки перекачивания жидкости пузырьками газа, а также модификации химического состава перекачиваемой жидкости за счет электролиза, что, в свою очередь, ограничивает возможности создания компактных устройств.
От указанных недостатков свободен также электрокинетический микронасос [6], при использовании которого в перекачиваемую жидкость вводятся микроколичества буферного вещества (например, гидрохинона), характеризующегося небольшими величинами окислительно-восстановительного потенциала и препятствующего электролитическому разложению воды или других газообразующих компонентов на электродах. Однако недостатком такого устройства является необходимость "загрязнения" перекачиваемой жидкости буферным веществом.
Микронасос, свободный от указанных недостатков, описан в [7]. В этом микронасосе в качестве электрода используется электропроводящий полимерный гель в контакте с металлической платиной. Вместо образования газов в результате электролиза в таком устройстве имеет место химическая перегруппировка органических веществ в составе полимерного геля. Однако недостатком такого устройства является то, что плотность электрического тока, которую можно обеспечивать с помощью таких электродов, настолько низкая, что устройство может быть использовано только для целей химического анализа с применением аналитических микрочипов.
Еще один электрокинетический микронасос, свободный от указанных недостатков, описан в патенте [8]. Устройство имеет полый цилиндрический корпус из неэлектропроводного материала. В корпусе размещены анодный и катодный электроды, подключенные к источнику постоянного тока. Между электродами расположено высокопористое керамическое тело с развитой внутренней поверхностью. Вплотную к каждому из электродов между ним и высокопористым телом размещена катионообменная мембрана. В стенке корпуса между торцами высокопористого тела и катионообменными мембранами выполнены каналы для протекания перекачиваемой жидкости. Оба электрода - хлорсеребряные.
Этот электрокинетический микронасос, выполненный на основе многоканальной структуры, которой является высокопористое керамическое тело, наиболее близок к предлагаемому.
Однако такое устройство имеет ряд недостатков.
Использование монополярных мембран одного и того же типа (например, катионообменных мембран) возле анодного и катодного электродов не защищает перекачиваемую жидкость от ионных загрязнений, в том числе, связанных с попаданием в эту жидкость загрязнений из электродов. Это связано с тем, что любая электрохимическая система, содержащая пару одинаковых ионообменных мембран между катодом и анодом, независимо от типа применяемого электрода, всегда проницаема по отношению к ионам определенного заряда, движущимся к одному из электродов. В случае катионообменных мембран система проницаема по отношению к катионам, движущимся к катоду.
В указанном устройстве используются электроды второго рода, а именно хлорсеребряные электроды, с целью предотвращения процессов электролиза. Однако в связи с вышеуказанным использование таких электродов приводит к непрерывному образованию и попаданию в перекачиваемую жидкость ионных компонентов электродной системы даже в отсутствие электролиза в перекачиваемой жидкости. В частности, в случае использования хлорсеребряных электродов постоянно образуются на анодном электроде и переносятся к катодному электроду ионы серебра, а также постоянно образуются на катодном электроде ионы хлора. При этом в пространстве между катодным электродом и ближайшей к нему катионообменной мембраной имеет место образование кристаллов малорастворимого соединения - хлорида серебра, которые необходимо непрерывно удалять для поддержания постоянных характеристик работы микронасоса. Кроме того, после попадания ионов серебра в перекачиваемую жидкость через ближайшую к анодному электроду катионообменную мембрану в дальнейшем переносе катионов к катодному электроду, помимо ионов серебра, могут участвовать все катионные компоненты перекачиваемой жидкости, например ионы водорода из воды. При этом в перекачиваемом растворе возможно образование гидроксида серебра и оксида серебра и других соединений, которые не только химически загрязняют перекачиваемую жидкость, но могут также блокировать работу микронасоса, забивая многоканальную структуру.
Попытка отказаться от использования электродов второго рода и заменить их электродами первого рода в известном микронасосе не могла бы привести к успеху, так как и в этом случае две одинаковые монополярные мембраны не защищали бы перекачиваемую среду от всех ионных загрязнений. Кроме того, возникли бы проблемы, связанные с процессами электролиза внутри перекачиваемой жидкости.
Использование хлорсеребряных электродов, как и любых других электродов второго рода, приводит, кроме того, к уменьшению допустимой плотности тока и вследствие этого - к уменьшению производительности насоса (электроды второго рода используют обычно для аналитических целей, а не для подвода электроэнергии). При одной и той же производительности это приводит к увеличению габаритов и удорожанию микронасоса.
Предлагаемое изобретение направлено на достижение технического результата, заключающегося в исключении возможности изменения химического состава перекачиваемой жидкости из-за внесения в нее посторонних компонентов или модификации исходных компонентов этой жидкости. Техническим результатом предлагаемого изобретения является также обеспечение возможности использования электродов первого рода для повышения производительности, уменьшения габаритов и стоимости микронасоса.
Ниже при изложении сущности предлагаемого изобретения и описании частных случаев его выполнения будут названы и другие виды достигаемого технического результата.
Для достижения названного технического результата предлагаемый электрокинетический микронасос содержит многоканальную структуру из неэлектропроводного материала со сквозными микроканалами, входы и выходы которых образуют входной и выходной торцы многоканальной структуры. К каждому из этих торцов многоканальной структуры примыкает электродная секция. В одной из электродных секций размещен анодный, а в другой - катодный электрод. Анодный и катодный электроды предназначены для подключения к соответствующим полюсам внешнего источника электрического тока. В каждой из электродных секций между размещенным в ней электродом и торцом многоканальной структуры установлено по одной ионообменной мембране. Ионообменные мембраны разделяют каждую из электродных секций, в которых они установлены, на две камеры. Камеры, расположенные по одну сторону каждой из ионообменных мембран, сообщаются с торцом многоканальной структуры, а камеры, расположенные по другую сторону каждой из ионообменных мембран, содержат указанные анодный и катодный электроды. Камеры обеих электродных секций, сообщающиеся с торцом многоканальной структуры, предназначены для протекания перекачиваемой жидкости. Одна из таких камер имеет канал для входа, а другая - для выхода перекачиваемой жидкости. Камеры, в которых расположены анодный и катодный электроды, предназначены для заполнения вспомогательной средой для переноса электрических зарядов. Одна из указанных ионообменных мембран является монополярной, а другая - биполярной. При этом тип монополярной ионообменной мембраны соответствует полярности ближайшего к ней электрода, а биполярная ионообменная мембрана обращена к ближайшему к ней электроду своей стороной, соответствующей полярности этого электрода.
Иначе говоря, если монополярная ионообменная мембрана является анионообменной, то она должна быть установлена в электродной секции, содержащей анодный электрод. В этом случае биполярная ионообменная мембрана должна быть установлена в электродной секции, содержащей катодный электрод, и обращена к нему своей катионитной стороной. И наоборот, если монополярная ионообменная мембрана является катионообменной, то она должна быть установлена в электродной секции, содержащей катодный электрод. В этом случае биполярная ионообменная мембрана должна быть установлена в электродной секции, содержащей анодный электрод, и обращена к нему своей анионитной стороной.
Предлагаемый электрокинетический микронасос объединяет с наиболее близким к нему, известным из патента [8], наличие многоканальной структуры, расположенной между анодным и катодным электродами, предназначенными для подключения к внешнему источнику электрического тока, наличие ионообменных мембран, установленных между указанными электродами и торцами многоканальной структуры, а также наличие каналов для входа и выхода перекачиваемой жидкости, протекающей в промежутках между торцами многоканальной структуры и ионообменными мембранами.
В отличие от указанного наиболее близкого известного, где используются одинаковые ионообменные мембраны (монополярные, причем обе - катионообменные), в предлагаемом электрокинетическом микронасосе ионообменные мембраны, установленные между торцами многоканальной структуры и электродами, - разные. При этом одна из них - не монополярная, а биполярная, а тип другой (монополярной) ионообменной мембраны определяется полярностью ближайшего к ней электрода. Поэтому возле анодного электрода, в отличие от известного из [8] микронасоса, никогда не может быть установлена катионообменная мембрана. Следующей особенностью, наряду с наличием биполярной ионообменной мембраны, является то, что эта мембрана должна быть ориентирована определенным образом, а именно, обращена к ближайшему к ней электроду своей стороной, соответствующей полярности этого электрода. Анодный и катодный электроды размещены в конструктивных частях предлагаемого электрокинетического микронасоса, примыкающих к торцам многоканальной структуры и образующих электродные секции. Каждая из электродных секций разделена монополярной или биполярной ионообменной мембраной на две камеры. Одна камера каждой из указанных секций примыкает к торцу многоканальной структуры. Эта камера служит для протекания перекачиваемой жидкости и снабжена каналом для входа (выхода) перекачиваемой жидкости. По другую сторону той же самой ионообменной мембраны в каждой электродной секции расположена вторая камера. Такие камеры в обеих электродных секциях образованы благодаря тому, что, в отличие от упомянутого известного устройства, ионообменные мембраны установлены не вплотную к электродам. Эти камеры предназначены для заполнения вспомогательной средой, служащей при эксплуатации микронасоса для переноса электрических зарядов между электродом и ближайшей к нему ионообменной мембраной.
Использование пары разных ионообменных мембран - монополярной и биполярной при условии, что ближайшим к катионообменной мембране (или катионитной стороне биполярной мембраны) является катодный электрод, а ближайшим к анионообменной мембране (или анионитной стороне биполярной мембраны) является анодный электрод, а также с учетом того, что биполярная мембрана предназначена не для переноса ионов, а только для разложения воды на ионы водорода и гидроксила, позволяет полностью изолировать друг от друга процессы, происходящие около электродов, и процессы, происходящие в многоканальной структуре, за исключением сбалансированного переноса указанных ионов водорода и гидроксила при сохранении электрической нейтральности среды. Это позволяет устранить возможность загрязнения перекачиваемой жидкости.
Использование такой системы мембран в сочетании с конструктивной особенностью, заключающейся в наличии между каждой из ионообменных мембран и электродом камеры для вспомогательной среды, обеспечивающей перенос зарядов в электродной секции и удаление или нейтрализацию продуктов электролиза, позволяет также исключить возможность изменения химического состава перекачиваемой жидкости.
Кроме того, благодаря этому становится возможным использование простых электродов первого рода с высокой допустимой плотностью тока для повышения производительности микронасоса, уменьшения его габаритов и стоимости.
Указанный выбор комбинации ионообменных мембран и их размещения относительно электродов обеспечивает возможность перекачивания жидкостей с избыточным зарядом того или иного знака в двойном электрическом слое в направлении от анодной электродной секции к катодной или в обратном направлении, в зависимости от знака упомянутого избыточного заряда.
Многоканальная структура может представлять собой, как и в известном электрокинетическом микронасосе по патенту [8], наиболее близком к предлагаемому, высокопористое тело. Однако предпочтительно использовать в составе предлагаемого микронасоса многоканальную структуру, выполненную в виде отрезка поликапиллярного столбика из неэлектропроводного материала со сквозными капиллярами, образующими множество параллельных микроканалов.
Такое выполнение многоканальной структуры обеспечивает наибольшую производительность микронасоса при прочих равных условиях, так как в случае параллельных каналов сумма электрических полей, образованных двойными электрическими слоями в каждом канале, имеет максимальную абсолютную величину. Кроме того, в капиллярном столбике обеспечивается меньший разброс поперечных размеров и длины каналов по сравнению с высокопористым телом, что тоже положительно сказывается на производительности микронасоса.
Предлагаемый микронасос может дополнительно содержать баромембраны для нанофильтрации или обратного осмоса, расположенные по одну или по обе стороны каждой из указанных ионообменных мембран.
Наличие баромембран способствует повышению эффективности перекачивания жидкостей, содержащих растворы электролитов, и позволяет предотвратить попадание ионных компонентов вспомогательной среды на ионообменные мембраны и их химическое "отравление".
Вспомогательная среда для переноса электрических зарядов может представлять собой, в частности, жидкость, идентичную перекачиваемой жидкости.
Это обеспечивает простоту эксплуатации устройства.
Вспомогательная среда для переноса электрических зарядов может представлять собой также раствор, суспензию или пасту смеси веществ, содержащих, по крайней мере, один и тот же химический элемент в разных степенях окисления.
Такой состав вспомогательной среды для переноса электрических зарядов позволяет исключить процессы газовыделения на анодном и катодном электродах. При этом эффективность действия вспомогательной среды для переноса электрических зарядов выше в двух последних случаях, т.е. когда эта среда используется в форме суспензии или пасты.
Вспомогательная среда для переноса электрических зарядов может также представлять собой раствор, по крайней мере, одного электролита, содержащего элемент, входящий в состав материала соответствующего электрода.
Такое выполнение целесообразно для предотвращения образования газообразных продуктов в той камере, заполняемой вспомогательной средой для переноса электрических зарядов, в которой размещен катодный электрод.
Далее, вспомогательная среда для переноса электрических зарядов может представлять собой гранулированный ионообменный материал.
Такое выполнение позволяет исключить попадание растворенных веществ ионного характера, а также газовых пузырьков в перекачиваемую жидкость.
Описанные виды вспомогательной среды для переноса электрических зарядов могут применяться как в микронасосе, не содержащем баромембран для нанофильтрации или обратного осмоса, так и в микронасосе с баромембранами, и сочетаться с любым из названных выше частных случаев их установки.
При любом из описанных выше видов вспомогательной среды для переноса электрических зарядов анодный электрод может быть выполнен из материала, не растворяющегося в этой среде под действием положительного электрического потенциала.
Такое выполнение позволяет длительно эксплуатировать анодный электрод без изменения его свойств.
В случае, когда вспомогательная среда для переноса электрических зарядов представляет собой гранулированный ионообменный материал, анодный электрод может быть выполнен также из материала, растворяющегося в этой среде под действием положительного электрического потенциала.
Это целесообразно для предотвращения образования газообразных продуктов в той камере, заполняемой вспомогательной средой для переноса электрических зарядов, в которой размещен анодный электрод.
При использовании в качестве вспомогательной среды для переноса электрических зарядов гранулированного ионообменного материала или раствора, по крайней мере, одного электролита, содержащего элемент, входящий в состав материала катодного электрода, катодный электрод может быть выполнен из материала, на котором осаждаются компоненты вспомогательной среды для переноса электрических зарядов под действием отрицательного электрического потенциала.
Такое выполнение целесообразно для предотвращения образования газообразных продуктов в той камере, заполняемой вспомогательной средой для переноса электрических зарядов, в которой размещен катодный электрод.
Предлагаемое изобретение иллюстрируется чертежами.
На Фиг.1 и Фиг.2 показаны примеры выполнения электрокинетического микронасоса для перекачивания жидкостей, образующих избыточный положительный или отрицательный заряд в двойном электрическом слое, при заполнении камеры для вспомогательной среды жидкостью, идентичной перекачиваемой, и выполнении многоканальной структуры в виде отрезка поликапиллярного столбика.
На Фиг.3 показан пример выполнения электрокинетического микронасоса по Фиг.2, дополненного баромембранами для нанофильтрации или обратного осмоса, расположенными с тех сторон ионообменных мембран, которые обращены к торцам отрезка поликапиллярного столбика.
На Фиг.4 показан пример выполнения электрокинетического микронасоса по Фиг.2, дополненного баромембранами для нанофильтрации или обратного осмоса, расположенными с тех сторон ионообменных мембран, которые обращены к соответствующим электродам.
На Фиг.5 показан пример выполнения электрокинетического микронасоса по Фиг.2, дополненного баромембранами для нанофильтрации или обратного осмоса, расположенными с обеих сторон ионообменных мембран.
На Фиг.6 показан пример выполнения электрокинетического микронасоса, в котором в качестве вспомогательной среды для переноса электрических зарядов используется гранулированный ионообменный материал.
На Фиг.7 показан пример выполнения электрокинетического микронасоса по фиг.6, дополненного баромембранами для нанофильтрации или обратного осмоса.
На Фиг.8 приведен пример бескорпусного выполнения микронасоса с многоканальной структурой в виде отрезка поликапиллярного столбика.
На Фиг.9 показана схема двойного электрического слоя, который образуется в микроканалах многоканальной структуры.
На Фиг.10 показана зависимость скорости перекачивания различных жидкостей от напряжения постоянного тока на электродах микронасоса, выполненного в соответствии с Фиг.1.
На Фиг.11 показано выполнение микронасоса с разъемными электродными секциями.
Фиг.12 иллюстрирует процесс перестановки камер для вспомогательной среды по окончании цикла работы микронасоса по Фиг.11.
На Фиг.13 показана зависимость скорости перекачивания дистиллированной воды от напряжения на электродах микронасоса, выполненного в соответствии с Фиг.6.
На Фиг.14 показан пример выполнения электрокинетического микронасоса с электродами второго рода.
Фиг.15 - Фиг.17 относятся к примерам выполнения электрокинетического микронасоса с многоканальной структурой, не являющейся отрезком поликапиллярного столбика.
Предлагаемый электрокинетический микронасос в случае, иллюстрируемом Фиг.1, имеет цилиндрический полый корпус, состоящий из соединенных друг с другом двух трубчатых частей 101, 102, и две цилиндрические электродные секции - анодную 103 и катодную 104, с наружных сторон закрытые торцами (соответственно 105, 106). Соединение трубчатых частей 101, 102 корпуса друг с другом осуществлено с помощью втулки 107, а с анодной 103 и катодной 104 секциями - с помощью накидных гаек 108, 109.
Все названные элементы корпуса и обе названные секции выполнены из неэлектропроводного материала, например пластика. В качестве такого пластика могут быть использованы, полиэтилен, полипропилен, поливинилхлорид, полистирол, плексиглас, полиамиды, полиимиды, поликарбонаты и др.
В корпусе размещена многоканальная структура в виде отрезка поликапиллярного столбика 110 из стекла, кварца или иного диэлектрика. Поликапиллярный столбик имеет сотни тысяч параллельных сквозных капилляров (микроканалов) одинакового размера от единиц до сотен микрон в поперечном сечении.
В анодной 103 и катодной 104 секциях размещены, соответственно, анодный 117 и катодный 118 электроды, а также монополярная ионообменная мембрана 111 и биполярная ионообменная мембрана 112. Знаками "+" и "-" на Фиг.1 и других фигурах показано подключение анодного и катодного электродов к соответствующим полюсам источника электрического тока. Мембраны 11, 112 вставлены в соответствующие секции в виде перегородок и разделяют каждую из этих секций на две камеры. Пространство между каждой из ионообменных мембран и ближайшим к ней входным 141 или выходным 142 торцом отрезка поликапиллярного столбика 110 является камерой (113, 114) для протекания перекачиваемой жидкости, а пространство между каждой из ионообменных мембран и ближайшим к ней торцом (105, 106) анодной 103 и катодной 104 секций - камерой (115, 116), заполняемой вспомогательной средой для переноса электрических зарядов. Анодный 117 и катодный 118 электроды размещены в камерах 115, 116, заполняемых вспомогательной средой для переноса электрических зарядов. При этом монополярная ионообменная мембрана 111 является анионообменной мембраной, а биполярная ионообменная мембрана 112 обращена к катодному электроду 118 своей катионитной стороной (для обозначения анионитной мембраны и анионитной стороны биполярной мембраны на Фиг.1 и последующих фигурах использован повторяющийся символ "А", а для обозначения катионитной стороны биполярной мембраны - повторяющийся символ "С"). Анодный электрод 117 выполнен из материала, нерастворимого во вспомогательной среде для переноса электрических зарядов под действием анодного потенциала, например, из платины или графита.
Анодная 103 и катодная 104 секции со стороны камер 113, 114 для протекания перекачиваемой жидкости снабжены штуцерами 119, 120. Осевые сквозные отверстия 121, 122 штуцеров являются каналами соответственно для входа и выхода перекачиваемой жидкости (направления движения жидкости показаны стрелками). Отрезок поликапиллярного столбика 110 вставлен так, что он не перекрывает отверстия 121, 122 штуцеров 119, 120. Со стороны камер 115, 116, заполняемых вспомогательной средой для переноса электрических зарядов, анодная 103 и катодная 104 секции снабжены отверстиями 125, 126 для выхода газов.
Концы трубчатых частей 101, 102 корпуса и примыкающие к ним концы анодной и катодной секций 103, 104 имеют конфигурацию, обеспечивающую их совмещение при соединении. Для обеспечения герметичности устройства и предотвращения протекания жидкости вне отрезка поликапиллярного столбика служат резиновые или силиконовые кольцевые уплотнительные прокладки 123, 124, плотно обжимающие отрезок поликапилдярного столбика 110 и размещенные в зоне стыка трубчатых частей 101, 102 корпуса с анодной 103 и катодной 104 секциями.
Между мембранами 111, 112 и стенками анодной 103 и катодной 104 секций нет зазоров. Это предотвращает протекание жидкостей между соседними камерами, разделенными каждой из этих мембран, за исключением молекулярного переноса воды и переноса анионов через анионитную мембрану 111.
Многоканальная поликапиллярная структура, выполненная в уже описанном и других описываемых ниже частных случаях в виде отрезка поликапиллярного столбика, может быть изготовлена, например, по технологии, описанной в патентах [9-11]. Возможно также использование описанной в патенте [12] технологии, применяемой при изготовлении поликапиллярных хроматографических колонок. Данная технология предпочтительна, так как она обеспечивает малый разброс размеров поперечного сечения микроканалов, а уменьшение разброса при прочих равных условиях положительным образом сказывается на производительности микронасоса. Это объясняется тем, что давление на выходе из более тонких единичных микроканалов многоканальной структуры выше, чем давление на выходе из более широких микроканалов. Уравнивание общего давления на выходном торце многоканальной структуры связано с образованием микроскопических противотоков и замедлением скорости перекачивания через более широкие единичные каналы.
Электрокинетический микронасос, показанный в разрезе на Фиг 2, аналогичен микронасосу, показанному на Фиг.1, за исключением того, что в катодную секцию 204 вставлена катионитная ионообменная мембрана 227, а биполярная ионообменная мембрана 212 вставлена в анодную секцию 203 таким образом, что анионитная сторона этой мембраны обращена к анодному электроду 217. Для обозначения катионитной мембраны на этой и последующих фигурах использован повторяющийся символ "С".
На Фиг.2, кроме уже указанных, использованы также следующие обозначения:
201, 202 - трубчатые части корпуса;
205, 206 - торцы анодной и катодной секций;
207 - втулка для соединения трубчатых частей корпуса;
208, 209 - накидные гайки для соединения трубчатых частей корпуса с анодной и катодной секциями;
210 - многоканальная структура в виде отрезка поликапиллярного столбика;
213, 214 - камеры для протекания перекачиваемой жидкости;
215, 216 - камеры, заполняемые вспомогательной средой для переноса электрических зарядов;
218 - катодный электрод;
219, 220 - штуцеры (соответственно, выходной и входной);
221, 222 - каналы штуцеров соответственно для выхода и входа перекачиваемой жидкости;
223, 224 - кольцевые уплотнительные прокладки;
225, 226 - отверстия в стенках соответственно анодной и катодной секций для выхода газов;
241, 242 - соответственно, входной и выходной торцы многоканальной структуры.
Вспомогательной средой, которой заполняют камеры 115, 116 и 215, 216 микронасосов по Фиг.1 и Фиг.2 соответственно, является жидкость, идентичная перекачиваемой.
Электрокинетический микронасос, показанный в разрезе на Фиг 3, аналогичен микронасосам, показанным на Фиг.1 и Фиг.2, за исключением того, что в анодную 303 и катодную 304 секции дополнительно вставлены баромембраны 327, 328 для нанофильтрации и обратного осмоса. Для обозначения баромембран на данной и последующих фигурах использован повторяющийся символ "В". Указанные баромембраны примыкают к ионообменным мембранам 311, 312 со стороны камер 313, 314 для протекания перекачиваемой жидкости.
На Фиг.3, кроме уже указанных, использованы также следующие обозначения:
301, 302 - трубчатые части корпуса;
305, 306 - торцы анодной и катодной секций;
307 - втулка для соединения трубчатых частей корпуса;
308, 309 - накидные гайки для соединения трубчатых частей корпуса с анодной и катодной секциями;
310 - многоканальная структура в виде отрезка поликапиллярного столбика;
315, 316 - камеры, заполняемые вспомогательной средой для переноса электрических зарядов;
317, 318 - анодный и катодный электроды соответственно;
319, 320 - штуцеры (соответственно, входной и выходной);
321, 322 - каналы штуцеров соответственно для входа и выхода перекачиваемой жидкости;
323, 324 - кольцевые уплотнительные прокладки;
325, 326 - отверстия в стенках соответственно анодной и катодной секций для выхода газов;
341, 342 - соответственно, входной и выходной торцы многоканальной структуры.
В микронасосе по Фиг.3, как и в микронасосах по двум предыдущим фигурам, в качестве вспомогательной среды для переноса электрических зарядов используют жидкость, идентичную перекачиваемой. Ею заполняют камеры 315, 316.
Особенность выполнения электрокинетического микронасоса в варианте, показанном на Фиг.4, состоит в том, что расположенные в анодной 403 и катодной 404 секциях камеры 415, 416, заполняемые вспомогательной средой для переноса электрических зарядов, герметичны и не имеют отверстий для выхода газов. При этом баромембраны 429, 430 примыкают к ионообменным мембранам 411 (анионообменной), и 412 (биполярной) со стороны указанных камер.
На Фиг.4, кроме уже указанных, использованы также следующие обозначения:
401, 402 - трубчатые части корпуса;
405, 406 - торцы анодной и катодной секций;
407 - втулка для соединения трубчатых частей корпуса;
408, 409 - накидные гайки для соединения трубчатых частей корпуса с анодной и катодной секциями;
410 - многоканальная структура в виде отрезка поликапиллярного столбика;
413, 414 - камеры для протекания перекачиваемой жидкости;
417, 418 - анодный и катодный электроды соответственно;
419, 420 - штуцеры (соответственно, входной и выходной);
421, 422 - каналы штуцеров соответственно для входа и выхода перекачиваемой жидкости;
423, 424 - кольцевые уплотнительные прокладки;
441, 442 - соответственно, входной и выходной торцы многоканальной структуры.
В качестве вспомогательной среды для переноса электрических зарядов в микронасосе, показанном на Фиг.4, может быть использован раствор смеси веществ, содержащих, по крайней мере, один и тот же химический элемент в разных степенях окисления. Например, это может быть кислый раствор смеси двухвалентного и трехвалентного железа или щелочной раствор смеси перманганата и манганата калия.
В качестве вспомогательной среды для переноса электрических зарядов в микронасосе, показанном на Фиг.4, может быть использована также суспензия или паста смеси веществ, содержащих, по крайней мере, один и тот же химический элемент в разных степенях окисления. Например, это может быть смесь солей двухвалентного и трехвалентного железа, двухвалентного и трехвалентного кобальта, смесь перманганата и манганата калия, перманганата калия и диоксида марганца, манганата калия и диоксида марганца, смесь солей хрома в разных степенях окисления и др.
Во всех случаях выполнения электрокинетического микронасоса, относящихся к варианту, показанному на Фиг.4, особенностью вспомогательной среды для переноса электрических зарядов, помещаемой в камеру 415 анодной секции 403, является избыточное содержание элемента в восстановленной форме в смеси соединений одного и того же элемента в разных степенях окисления.
Во всех случаях выполнения электрокинетического микронасоса, относящихся к варианту, показанному на Фиг.4, особенностью вспомогательной среды для переноса электрических зарядов, помещаемой в камеру 416 катодной секции, является избыточное содержание соединения элемента в окисленной форме в смеси соединений одного и того же элемента в разных степенях окисления.
Таким образом, вспомогательная среда для переноса электрических зарядов в обеих камерах 415, 416 во всех этих случаях удовлетворяет одному и тому же условию: в ее состав входит смесь веществ, содержащих, по крайней мере, один и тот же химический элемент в разных степенях окисления.
Электрокинетический микронасос, который показан в разрезе на Фиг 5, аналогичен микронасосу, показанному на Фиг.4, за исключением того, что в анодную 503 и катодную 504 секции вставлены по две баромембраны (соответственно, 527, 529 и 528, 530), примыкающие к ионообменным мембранам 511(анионитной) и 512 (биполярной) с обеих сторон.
На Фиг.5, кроме уже указанных, использованы также следующие обозначения:
501, 502 - трубчатые части корпуса;
505, 506 - торцы анодной и катодной секций;
507 - втулка для соединения трубчатых частей корпуса;
508, 509 - накидные гайки для соединения трубчатых частей корпуса с анодной и катодной секциями;
510 - многоканальная структура в виде отрезка поликапиллярного столбика;
513, 514 - камеры для протекания перекачиваемой жидкости;
515, 516 - камеры, заполняемые вспомогательной средой для переноса электрических зарядов;
517, 518 - анодный и катодный электроды соответственно;
519, 520 - штуцеры (соответственно, входной и выходной);
521, 522 - каналы штуцеров соответственно для входа и выхода перекачиваемой жидкости;
523, 524 - кольцевые уплотнительные прокладки;
541, 542 - соответственно, входной и выходной торцы многоканальной структуры.
Электрокинетический микронасос, который показан в разрезе на Фиг 6, близок по своему выполнению к микронасосу, показанному на Фиг.4, но имеет следующие особенности:
- он не содержит баромембран;
- в качестве вспомогательной среды для переноса электрических зарядов, помещаемой в камеры 615, 616 анодной 603 и катодной 604 секций, используется гранулированный ионообменный материал;
- анодный электрод 617 выполнен из материала, растворяющегося во вспомогательной среде для переноса электрических зарядов под действием положительного электрического потенциала;
- катодный электрод 618 выполнен из материала, на котором осаждаются компоненты вспомогательной среды для переноса электрических зарядов под действием отрицательного электрического потенциала.
На Фиг.6, кроме уже указанных, использованы также следующие обозначения:
601, 602 - трубчатые части корпуса;
605, 606 - торцы анодной и катодной секций;
607 - втулка для соединения трубчатых частей корпуса;
608, 609 - накидные гайки для соединения трубчатых частей корпуса с анодной и катодной секциями;
610 - многоканальная структура в виде отрезка поликапиллярного столбика;
611, 612 - соответственно анионитная и биполярная ионообменные мембраны;
613, 614 - камеры для протекания перекачиваемой жидкости;
619, 620 - штуцеры (соответственно, входной и выходной);
621, 622 - каналы штуцеров соответственно для входа и выхода перекачиваемой жидкости;
623, 624 - кольцевые уплотнительные прокладки;
631, 632 и 633, 634, 635 - слои гранулированного ионообменного материала, являющегося вспомогательной средой для переноса электрических зарядов, заполняющей соответствующие камеры анодной и катодной секций (подробнее см. ниже);
641, 642 - соответственно, входной и выходной торцы многоканальной структуры.
В качестве гранулированного ионообменного материала в микронасосе, показанном на Фиг.6, может быть использован, например, катионит, в том числе, сульфокатионит, карбоксильный или фосфоновокислый катионит, а в качестве материала для анодного и катодного электродов могут быть использованы металлы с хорошей электропроводностью, например медь, серебро, цинк, никель и др. При этом катионит в камерах, заполняемых вспомогательной средой для переноса электрических зарядов, образует несколько слоев. Слой 631 катионита, примыкающий к анодному электроду 617 в камере 615 анодной секции 603, а также средний слой 634 в камере 616 катодной секции 604 представляют собой катионит в форме иона соответствующего металла. Слой 632 катионита в камере 615 анодной секции 604, примыкающий к анионитной ионообменной мембране 611, а также периферийные слои 633 и 635 в камере 616 катодной секции 604, примыкающие, соответственно, к биполярной ионообменной мембране 612 и к катодному электроду 618, представляют собой катионит в форме ионов водорода.
Электрокинетический микронасос, который показан в разрезе на Фиг.7, аналогичен микронасосу, показанному на Фиг.6, за исключением того, что возле ионообменных мембран 711, 712 установлены баромембраны 727, 728 для нанофильтрации или обратного осмоса. Эти баромембраны размещены с той стороны указанных ионообменных мембран, которая обращена к соответствующему торцу отрезка поликапиллярного столбика 710.
На Фиг.7, кроме упомянутых, использованы следующие обозначения:
701, 702 - трубчатые части корпуса;
703, 704 - соответственно, анодная и катодная секции;
705, 706 - торцы анодной и катодной секций;
707 - втулка для соединения трубчатых частей корпуса;
708, 709 - накидные гайки для соединения трубчатых частей корпуса с анодной и катодной секциями;
713, 714 - камеры для протекания перекачиваемой жидкости;
715, 716 - камеры, заполняемые вспомогательной средой для переноса электрических зарядов;
717, 718 - анодный и катодный электроды соответственно;
719, 720 - штуцеры (соответственно, входной и выходной);
721, 722 - каналы штуцеров соответственно для входа и выхода перекачиваемой жидкости;
723, 724 - кольцевые уплотнительные прокладки;
731, 732 и 733, 734, 735 - слои гранулированного ионообменного материала в камерах, заполняемых вспомогательной средой для переноса электрических зарядов, соответственно в анодной и катодной секциях, аналогичные соответствующим слоям, показанным на Фиг.6 и описанным выше;
741, 742 - соответственно, входной и выходной торцы многоканальной структуры.
Возможно выполнение предлагаемого микронасоса, показанное на Фиг.8, отличающееся от показанного на предыдущих фигурах отсутствием корпуса как несущей основы конструкции микронасоса. При таком выполнении анодная 803 и катодная 804 секции зафиксированы непосредственно на концах отрезка поликапиллярного столбика 810 вблизи его входного 841 и выходного 842 торцов (например, приклеены). Поликапиллярный столбик для большей механической прочности может быть изготовлен с защитной оболочкой в соответствии с технологией, описанной, например, в патентах [11], [12]. При этом поликапиллярный столбик не обязательно должен быть круглым в поперечном сечении, а анодная и катодная секции - цилиндрическими. За исключением отсутствия корпуса и элементов для соединения его частей друг с другом и электродными секциями, микронасос по Фиг.8 аналогичен микронасосу по Фиг.4. Подобное выполнение могут иметь и микронасосы по Фиг.1 - Фиг.3, Фиг.5 - Фиг.7.
Кроме уже указанных, на Фиг.8 использованы следующие обозначения:
805, 806 - торцы анодной и катодной секций;
811, 812- соответственно анионитная и биполярная ионообменные мембраны;
813, 814 - камеры для протекания перекачиваемой жидкости;
815, 816 - камеры, заполняемые вспомогательной средой для переноса электрических зарядов;
817, 818 - анодный и катодный электроды соответственно;
819, 820 - штуцеры (соответственно, входной и выходной);
821, 822 - каналы штуцеров соответственно для входа и выхода перекачиваемой жидкости;
829, 830 - баромембраны для нанофильтрации или обратного осмоса;
841, 842 - соответственно, входной и выходной торцы многоканальной структуры (отрезка поликапиллярного столбика).
Электрокинетический микронасос, выполненный в соответствии с Фиг.1, функционирует следующим образом.
В условиях контакта стекла или кварца, из которых изготовлена многоканальная структура в виде отрезка поликапиллярного столбика 110, с водой или водным раствором в каждом микроканале многоканальной структуры на границе фаз твердое тело-жидкость (т.е. у стенок микроканала) возникает двойной электрический слой, имеющий схему, показанную на Фиг.9. Внутренняя поверхность твердого тела в указанных условиях, как правило, несет избыточный отрицательный заряд, возникающий за счет адсорбции ее активными центрами ОН--ионов или других анионов из раствора и/или за счет десорбции Н+-ионов или других катионов в раствор. Избыточные отрицательные заряды на твердой поверхности нейтрализованы положительными ионами, например протонами из раствора или твердого тела. Часть указанных протонов, входящая в так называемый Штерновский слой, сильно адсорбирована и не может перемещаться при движении жидкости внутри микроканала. Положительный потенциал Штерновского слоя на поверхности тела обозначен на Фиг.9 как ϕ. Указанный слой вместе со слоем отрицательных зарядов на поверхности твердого тела образует внутреннюю часть 938 двойного электрического слоя. Остальная часть протонов, необходимая для нейтрализации избыточного отрицательного заряда, образует диффузионный, или Дебаевский слой, т.е. внешнюю часть 939 двойного электрического слоя. Практически все количество протонов (и других положительно заряженных ионов из раствора), входящих в диффузионный слой, может перемещаться при перемещении жидкости внутри микроканала. Потенциал на границе скольжения между перемещаемой и не перемещаемой частями двойного электрического слоя (так называемый дзетта-потенциал) обозначен на Фиг.9 как ξ. Величины потенциалов за пределами двойного электрического слоя равны нулю, т.е. во всей остальной жидкости внутри микроканала соблюдается электрическая нейтральность, и количества отрицательных и положительных зарядов равны друг другу. Эти катионы и анионы на Фиг.9 не показаны.
Таким образом, если рассматривать только перемещаемую часть жидкости внутри микроканала (т.е. только жидкость внутри границ скольжения), то она, как показано на Фиг.9, имеет избыточный положительный электрический заряд, сосредоточенный, в основном, вблизи внутренних стенок микроканала. Под действием разности электрических потенциалов на торцах многоканальной структуры имеет место перемещение катионов в сторону катодного электрода 118 и анионов в сторону анодного электрода 117. На электродах имеет место разряд протонов с выделением газообразного водорода и эквивалентный разряд гидроксил-ионов с выделением газообразного кислорода в соответствии с полуреакциями:
на катодном электроде: 4Н++4е→2H2↑,
на анодном электроде: 40Н--4е→О2↑+2Н2О.
С учетом диссоциации воды: 4Н2О=4OH-+4Н+
суммарный процесс имеет вид: 2Н2O=2H2↑+О2↑.
Очевидно, что анионы и катионы переносятся в противоположные стороны в эквивалентных количествах. Однако распределение переносимых ионов внутри микроканала неравномерное. Двойной электрический слой и избыточный положительный заряд внутри границ скольжения всегда сохраняются (под действием внешнего продольного поля мгновенная картина отличается только тем, что имеет место смещение диффузной части двойного слоя на дистанцию, сравнимую с молекулярными размерами, в сторону катодного электрода 118). Это означает, что вблизи стенок идет перенос, в основном, катионов. За счет сил трения совокупность переносимых гидратированных катионов захватывает еще и свободные молекулы воды, что, в конечном итоге, приводит к перемещению в сторону катодного электрода всей прилегающей к стенкам массы воды. В центральной части микроканала должна была бы наблюдаться противоположная картина. Однако поперечные размеры диффузной части двойного слоя настолько малы по сравнению с диаметром микроканала, что плотность избыточных отрицательных зарядов, переносимых в сторону анодного электрода 117, пренебрежимо мала, и результирующего перемещения сравнимых масс воды в сторону анодного электрода не происходит.
При использовании устройства, показанного на Фиг.1, имеют место следующие процессы:
1) перенос анионов (например ОН-) в камере 115 для вспомогательной среды в сторону анодного электрода 117;
2) перенос анионов через анионообменную мембрану 111;
3) разряд ОН--ионов на анодном электроде 117 с выделением газообразного кислорода;
4) перенос катионов (например, Н+) в камере 116 для вспомогательной среды в сторону катодного электрода 118;
5) вырабатывание эквивалентного количества ОН-ионов анионитной стороной биполярной мембраны 112 и их перенос в направлении к анодному электроду 117;
6) реакция нейтрализации между протонами, выносимыми из многоканальной структуры 110 и ионами гидроксила, вырабатываемыми биполярной мембраной 112:Н++ОН-=H2O;
7) вырабатывание эквивалентного количества Н+-ионов катионитной стороной биполярной мембраны 112 и их перенос к катодному электроду 118;
8) разряд протонов на катодном электроде 118 с выделением газообразного водорода.
Таким образом, в процессе работы электрокинетического микронасоса, показанного на Фиг.1, результирующими эффектами являются перекачивание жидкости (воды или водного раствора), а также разложение небольшой доли переносимых молекул воды на электродах с выделением кислорода и водорода в количествах, эквивалентных перенесенному количеству электрических зарядов, в соответствии с законом Фарадея.
Особенности работы такого устройства заключаются в следующем:
- катодный и анодный электроды непосредственно не контактируют с перекачиваемой жидкостью;
- содержание воды в водном растворе остается неизменным;
- пузырьки воздуха, возникающие при разряде на электродах, не могут попасть в камеры для протекания перекачиваемой жидкости, так как они изолированы мембранами.
Если бы электроды не были отделены анионообменной и биполярной мембранами от торцов 141, 142 многоканальной структуры, то имели бы место следующие эффекты: образование пузырьков воздуха; блокирование ими перекачивания или нарушение устойчивости режима перекачивания; окисление или восстановление на электродах компонентов, содержащихся в водном растворе; как следствие этого - подкисление или подщелачивание перекачиваемого раствора.
На Фиг.10 показаны зависимости скорости перекачивания дистиллированной воды (кривая 1051), а также растворов хлорида натрия различной концентрации (30 мг/л - кривая 1052 и 50 мг/л - кривая 1053) от напряжения постоянного тока на электродах микронасоса, выполненного в соответствии с Фиг.1. Длина многоканальной структуры (отрезка поликапиллярного столбика) - 30 мм, внешний диаметр - 10 мм, диаметр единичного канала - 10 мкм, число каналов - 400000. Как видно, увеличение концентрации растворенных солей приводит к уменьшению скорости перекачивания жидкости. Это связано с тем, что при увеличении концентрации солей увеличивается доля переноса электрического тока ионами, не участвующими в образовании двойного электрического слоя, являющегося причиной перекачивания жидкости в микронасосе.
Электрокинетический микронасос, выполненный в соответствии с вариантом, показанным на Фиг.2, функционирует аналогично описанному выше микронасосу, однако перекачивание жидкости происходит в направлении от катодной секции 204 к анодной 203. Этот микронасос соответствует случаю, когда заряды всех слоев имеют знаки, противоположные показанным на Фиг.9. Этот случай возможен, например, при контакте воды или водных растворов, с поверхностями многоканальной структуры, выполненной из таких пластических материалов, как полиамиды или полиимины.
Электрокинетический микронасос, выполненный в соответствии с Фиг.3, функционирует полностью аналогично микронасосу, показанному на Фиг.1, однако используемые в данном устройстве баромембраны 327, 328 предотвращают или существенно уменьшают перенос каких-либо других анионов, кроме ионов гидроксила, к анионообменной мембране 311 и далее к анодному электроду 317 и каких-либо катионов, кроме протонов, к биполярной мембране 312 и катодному электроду 318. Особенностью функционирования этого микронасоса является возможность поддержания высоких скоростей перекачивания жидкости в виде концентрированных растворов солей, а также предотвращение разряда иных катионов или анионов, кроме гидроксония и гидроксила, на электродах.
Это позволяет избежать изменения рН среды в анодной и/или катодной секциях, а именно в камерах 313 и 314 для перекачиваемой жидкости.
Особенностью электрокинетического микронасоса, выполненного в соответствии с Фиг.4, является то, что в процессе его работы не образуются газообразные продукты. Анодная 403 и катодная 404 секции герметичны, и камеры 415, 416, заполняемые вспомогательной средой для переноса электрических зарядов, содержат в качестве такой среды раствор или суспензию либо пасту смеси веществ, содержащих, по крайней мере, один и тот же химический элемент в разных степенях окисления. Например, в качестве вспомогательной среды для переноса электрических зарядов может быть использована смесь растворимых солей железа в степенях окисления (II), (III). В частности, при использовании смеси сульфатов Fe(II) и Fe(III) на электродах не успевают выделяться кислород и водород. При меньших абсолютных значениях электрохимических потенциалов имеют место следующие электрохимические процессы окисления и восстановления:
на катодном электроде (восстановительный процесс):
Fe2(SO4)3+2H++2е⇒2FeSO4+H2SO4
на анодном электроде (окислительный процесс):
2FeSO4+H2SO4+2OH--2е⇒Fe2(SO4)3+2Н2О.
Результирующим итогом работы такого электрокинетического микронасоса, помимо перекачивания жидкости, является обогащение вспомогательной среды для переноса электрических зарядов в катодной секции соединением двухвалентного железа, а в анодной секции - соединением трехвалентного железа.
В качестве вспомогательной среды для переноса электрических зарядов может быть также использована, например, суспензия смеси соединений марганца в степенях окисления (IV), (VI) и (VII). В частности, при использовании смеси перманганата калия, манганата калия и диоксида марганца на электродах имеют место следующие электрохимические процессы окисления и восстановления:
на катодном электроде (восстановительный процесс):
2КMnO4+4H++4е⇒К2MnO4+MnO2+2Н2O,
на анодном электроде (окислительный процесс):
K2MnO4+MnO2+4OH--4e⇒2KMnO4+2H2O.
Результирующим итогом работы электрокинетического микронасоса, помимо перекачивания жидкости, является обогащение вспомогательной среды для переноса электрических зарядов в камере 416 катодной секции соединениями марганца в степенях окисления IV и VI, а в камере 415 анодной секции - соединением марганца в степени окисления VII.
При всех вариантах функционирования микронасоса, показанного на Фиг.4, баромембраны 429, 430 предотвращают загрязнение ионообменных мембран 411, 412 компонентами вспомогательной среды для переноса электрических зарядов.
По истечении определенного времени, соответствующего одному циклу работы микронасоса, а именно после исчерпания соединений марганца в восстановленной форме (в степенях окисления IV и VI) в анодной секции, и одновременного эквивалентного исчерпания соединений марганца в окисленной форме в (степени окисления VII) в катодной секции, микронасос перестает функционировать.
Для восстановления его работоспособности достаточно поменять местами камеры анодной и катодной секций, заполненные вспомогательной средой для переноса электрических зарядов. Для того чтобы такая перестановка была возможна, анодная и катодная электродные секции выполняются разъемными с возможностью отделения камер, заполняемых вспомогательной жидкостью для переноса электрических зарядов. Длительность одного цикла работы (между двумя перестановками камер для вспомогательной среды) определяется количеством активных компонентов вспомогательной среды для переноса электрических зарядов (объемом и концентрацией этих компонентов).
Пример микронасоса, в котором электродные камеры имеют такое выполнение, показан на Фиг.11. Этот микронасос, аналогично показанному на Фиг.8, выполнен в бескорпусном варианте. Части 1135 и 1136 катодной секции, соответствующие камере 1114 для протекания перекачиваемой жидкости и камере 1116 для вспомогательной среды, выполнены с резьбовым соединением 1137. Для обеспечения герметичности это соединение может быть снабжено подходящим уплотнением (не показано). Разделение частей катодной секции может быть осуществлено простым отвинчиванием правой по Фиг.11 части 1136 этой секции, содержащей камеру 1116 для вспомогательной среды и катодный электрод 1118. При этом биполярная мембрана 1112 и баромембрана 1130 остаются в левой по Фиг.11 части 1135 катодной секции, содержащей камеру 1114 для протекания перекачиваемой жидкости. Аналогичны устройство и смысл обозначений 1138, 1139 частей анодной секции и резьбового соединения 1140. Анионитная мембрана 1111 и баромембрана 1129 при разделении анодной секции остаются в ее правой по Фиг.11 части 1138, содержащей камеру 1113 для протекания перекачиваемой жидкости. Благодаря этому при перестановке камер 1115, 1116 со вспомогательной средой после разделения частей 1138, 1139 и 1135, 1136 ионообменные мембраны 1111, 1112 местами не меняются. Остаются на своих прежних местах и баромембраны 1129, 1130.
Кроме уже перечисленных, на Фиг.11 использованы следующие обозначения:
1105, 1106 - торцы анодной и катодной секций;
1110 - многоканальная структура в виде отрезка поликапиллярного столбика;
1117 - анодный электрод;
1119, 1120- штуцеры (соответственно, входной и выходной);
1121, 1122 - каналы штуцеров соответственно для входа и выхода перекачиваемой жидкости;
1141, 1142 - соответственно, входной и выходной торцы многоканальной структуры (отрезка поликапиллярного столбика).
Стадии процесса перестановки камер для вспомогательной среды схематически показаны на Фиг.12, где использованы следующие обозначения:
1210 - многоканальная структура в виде отрезка поликапиллярного столбика;
1217, 1218 - электроды, являющиеся до перестановки камер соответственно анодным и катодным, а после перестановки - катодным и анодным;
1235, 1236 - две части катодной (до перестановки камер) секции, первая из которых содержит камеру для протекания перекачиваемой жидкости, а вторая - камеру со вспомогательной средой для переноса электрических зарядов;
1238, 1239 - две части анодной (до перестановки камер) секции, первая из которых содержит камеру для протекания перекачиваемой жидкости, а вторая - камеру со вспомогательной средой для переноса электрических зарядов.
Подлежащие перестановке части 1236 и 1239 катодной и анодной камер имеют на Фиг.12 разную штриховку.
Стадии (1)-(7) процесса перестановки заключаются в следующем:
(1) - микронасос установлен в вертикальное положение, отсоединен от внешнего источника электрического тока и (необязательно при наличии гибких соединительных шлангов достаточной длины) от источника и потребителя перекачиваемой жидкости;
(2) - отделена, как показано прямыми стрелками, нижняя по чертежу часть 1236, содержащая камеру со вспомогательной средой и электрод 1218; круговой стрелкой показано, что микронасос может быть перевернут (см. следующую стадию);
(3) - микронасос, от которого отделена часть 1236, перевернут таким образом, что снизу находятся части 1238 и 1239;
(4) - отделена, как показано прямыми стрелками, нижняя по чертежу часть 1239, содержащая камеру со вспомогательной средой и электрод 1217; дуговой стрелкой показано, что часть 1236 может быть соединена с частью 1238, т.е. установлена на место части 1239 (см. следующую стадию);
(5) - часть 1236, содержащая камеру со вспомогательной средой и электрод 1218, соединена с частью 1238, т.е. установлена на место части 1239; круговой стрелкой показано, что микронасос может быть перевернут (см. следующую стадию);
(6) - микронасос с присоединенной частью 1236 перевернут таким образом, что эта часть находится сверху; прямыми стрелками показано, что часть 1239 может быть соединена с частью 1235 (см. следующую стадию);
(7) - часть 1239, содержащая камеру со вспомогательной средой и электрод 1217, соединена с частью 1235, т.е. установлена на место части 1236.
Таким образом, в результате осуществления действий, составляющих описанные стадии, части 1236 и 1239, каждая из которых содержит камеру со вспомогательной средой и электрод, поменялись местами. Микронасос может быть снова соединен с внешним источником электрического тока и с источником и потребителем перекачиваемой жидкости (если он был отсоединен от них), причем через те же, что и ранее, каналы для входа и выхода перекачиваемой жидкости, обозначенные соответствующим образом ориентированными стрелками. При этом с положительным полюсом этого источника должен быть соединен верхний по чертежу электрод 1218, а с отрицательным - нижний по чертежу электрод 1217, т.е. после перестановки камер поменялись местами и изменили свою роль электроды: электрод 1217, который ранее был анодным, стал катодным, а бывший катодный электрод 1218 стал анодным.
Электрокинетический микронасос, выполненный в соответствии с Фиг.5. функционирует аналогично микронасосу, показанному на Фиг.4, однако используемые в данном устройстве дополнительные баромембраны 527, 528 предотвращают или существенно уменьшают перенос из перекачиваемой жидкости каких-либо других анионов, кроме ионов гидроксила к анионообменной мембране 511 и каких-либо катионов, кроме протонов, к биполярной мембране 512. Особенностью функционирования этого микронасоса является возможность поддержания высоких скоростей перекачивания жидкости в виде концентрированных растворов солей.
Электрокинетический микронасос, выполненный в соответствии с Фиг.6. имеет следующие особенности функционирования. Вместо образования газообразных продуктов происходит растворение материала анодного электрода 617 с образованием иона металла, взаимодействующего с катионитом в водородной форме, загруженным в герметичную камеру 615 для вспомогательной среды. Одновременно имеет место переход иона металла из катионита, загруженного в герметичную камеру 616 для вспомогательной среды, в раствор и последующее осаждение его на катодном электроде 618.
При использовании микронасоса, показанного на Фиг.6, в котором анодный 617 и катодный 618 электроды выполнены из металлической меди, в камеру 615 для вспомогательной среды анодной секции 603 загружен катионит в водородной форме, а в камеру 616 для вспомогательной среды катодной секции 604 - катионит частично в водородной и частично в медной форме, имеют место следующие процессы:
1) перенос анионов в многоканальной структуре 610 (например ОН") в сторону анодного электрода;
2) перенос ионов гидроксила через анионообменную мембрану 611 в камеру 615 для вспомогательной среды;
3) растворение медного анодного электрода 617 под действием анодного потенциала в соответствии с полуреакцией: Cu→Cu2++2е;
4) взаимодействие полученных ионов меди с катионитом в Н-форме и образование медной формы катионита по реакции: Cu2++2R-H=R2-Cu+2H+;
5) перенос протонов через слой катионита в Н-форме в сторону катодного электрода и их взаимодействие с ионами гидроксила, перенесенными через анионообменную мембрану 611 (см. выше, п.2) по реакции: Н++ОН-=Н2O;
6) перенос протонов в многоканальной структуре 610 в сторону катодного электрода 618;
7) вырабатывание эквивалентного количества ОН--ионов анионитной стороной биполярной мембраны 612 и их перенос от катодной секции в направлении к анодному электроду 617;
8) реакция нейтрализации между протонами, выносимыми из многоканальной структуры 610, и ионами гидроксила, вырабатываемыми биполярной мембраной 612, по реакции: Н++ОН-=Н2O;
9) вырабатывание эквивалентного количества Н+-ионов катионитной стороной биполярной мембраны 612 и их перенос к катоду 618 через слой катионита в Н-форме, находящийся в камере 614 для вспомогательной среды;
10) взаимодействие ионов водорода с катионитом в медной форме в соответствии с реакцией: R2-Cu+2H+=Cu2++2R-H;
11) разряд ионов меди и осаждение их на катодном электроде 618 в соответствии с полуреакцией: Cu2++2е→Cu.
Таким образом, в процессе работы электрокинетического микронасоса, показанного на Фиг.6, результирующими эффектами являются перекачивание жидкости (воды или водного раствора), частичное растворение анодного электрода 617 и осаждение эквивалентного количества меди на катодном электроде 618.
По истечении определенного времени, соответствующего одному циклу работы микронасоса, а именно после того как граница между слоями 631 и 632 катионита в камере 615 дойдет до анионообменной мембраны 611, микронасос перестает функционировать. Для восстановления работоспособности микронасоса камеры для вспомогательной среды анодной и катодной секций нужно поменять местами, аналогично тому, как было описано выше и проиллюстрировано Фиг.11 и Фиг.12. Длительность одного цикла работы (между двумя перестановками камер) определяется количеством катионита, загруженного в камеры для вспомогательной среды анодной и катодной секций.
В этом и во всех приведенных выше случаях ход процессов после перестановки камер полностью аналогичен ходу процессов предшествовавшего цикла.
На Фиг.13 показана зависимость скорости перекачивания дистиллированной воды от напряжения постоянного тока на электродах микронасоса, выполненного в соответствии с Фиг.6. Длина многоканальной структуры (поликапиллярного столбика) - 30 мм, внешний диаметр - 9,6 мм, диаметр единичного канала - 10 мкм, число каналов - 360000. Как видно, удается достичь минимальных регулируемых скоростей перекачивания порядка 10 мкл/мин.
Электрокинетический микронасос, показанный на Фиг.7, функционирует аналогично описанному выше микронасосу по Фиг.6. Особенность состоит только в том, что достигаются более высокие скорости перекачивания концентрированных растворов и предотвращается попадание иных компонентов раствора, помимо ионов гидроксония и гидроксила, на ионообменные мембраны 711, 712. Это происходит благодаря тому, что возле ионообменных мембран с той стороны, которой они обращены к соответствующим торцам 741, 742 отрезка поликапиллярного столбика 710, расположены баромембраны 727, 728 для нанофильтрации или обратного осмоса.
В предлагаемом электрическом микронасосе во всех описанных выше частных случаях его выполнения, иллюстрируемых Фиг.1 - Фиг.8, не является обязательным использование электродов первого рода. Возможно также использование электродов второго рода. На Фиг.14 показан пример выполнения микронасоса, аналогичного микронасосу по Фиг.6, но имеющего хлорсеребряные анодный 1417 и катодный 1418 электроды и бескорпусное выполнение, аналогичное микронасосу, показанному на Фиг.8.
Камера 1415 для вспомогательной среды анодной секции 1403 заполнена гранулированным ионообменным материалом, которым является катионит, а камера 1416 катодной секции 1404 - ионообменным материалом, которым является анионит.
На Фиг.14, кроме названных выше, использованы также следующие обозначения:
1405, 1406 - торцы анодной и катодной секций;
1410 - многоканальная структура в виде отрезка поликапиллярного столбика;
1411 и 1412 - соответственно, анионитная и биполярная ионообменные мембраны;
1413, 1414 - камеры для протекания перекачиваемой жидкости;
1419, 1420 - штуцеры (соответственно, входной и выходной);
1421, 1422 - каналы штуцеров соответственно для входа и выхода перекачиваемой жидкости;
1441, 1442 - соответственно, входной и выходной торцы многоканальной структуры (отрезка поликапиллярного столбика).
При работе этого микронасоса происходят следующие процессы:
1) образование ионов серебра на анодном электроде 1417: Ag-e→Ag+;
2) выход ионов серебра из хлорсеребряного электрода 1417 и их взаимодействие с анионитом в камере 1415 анодной секции 1403:
R-H+Ag+=R-Ag+H+;
3) перенос ионов гидроксила через анионообменную мембрану 1411;
4) взаимодействие ионов водорода, образующихся в процессе 2, с ионами гидроксила с образованием воды: Н++ОН-=Н2О;
5) перенос протонов в многоканальной структуре 1410 в сторону катодного электрода 1418;
6) вырабатывание эквивалентного количества ионов ОН- анионитной стороной биполярной мембраны 1412;
7) реакция нейтрализации между протонами, выносимыми из многоканальной структуры 1410, и ионами гидроксила, вырабатываемыми биполярной мембраной 1412 по реакции: Н2О=Н++ОН-;
8) вырабатывание эквивалентного количества Н+ ионов катионитной стороной биполярной мембраны 1412;
9) образование ионов хлора на катодном электроде 1418:
AgCl+e=Ag0+Cl-;
10) выход ионов хлора из катодного электрода;
11) взаимодействие ионов водорода и ионов хлора с анионитом:
R-OH+Н++Cl=R-Cl+H2O.
Таким образом, в процессе работы электрокинетического микронасоса, показанного на фиг 14, результирующими эффектами являются:
- перекачивание жидкости;
- образование катионита в Ag+-форме;
- образование анионита в Cl--форме.
Как видно, процессы с использованием электродов второго рода не являются симметричными. Поэтому после отработки ионитов нельзя переставлять местами камеры для вспомогательной среды 1415, 1416 анодной и катодной секций, и, следовательно, нет необходимости в выполнении анодной и катодной секций разъемными, как показано на Фиг.11. Недостатком использования электродов второго рода является также меньшая допустимая плотность тока.
Как уже отмечалось, выполнение многоканальной структуры в виде отрезка поликапиллярного столбика является предпочтительным, но не обязательным. На Фиг.15 и Фиг.17 показаны примеры микронасосов, в которых многоканальная структура имеет иное выполнение.
В микронасосе по Фиг.15 многоканальная структура представляет собой контейнер 1543 с проницаемыми для перекачиваемой жидкости торцевыми поверхностями 1541, 1542, наполненный порошкообразным материалом 1544.
Выполнение контейнера для порошкообразного материала показано на Фиг.16. Контейнер представляет собой полый цилиндр 1661 со съемными герметично приворачиваемыми к нему крышками 1662, 1663 (крышка 1663 показана в неприсоединенном положении). В крышках размещены микрофильтрационные мембраны 1666, 1667 (мембрана 1666 показана в положении, которое она должна занимать по завершении сборки контейнера, а мембрана 1667 - в промежуточном положении). Торцевые части крышек 1662, 1663, к которым по завершении сборки контейнера должны вплотную прилегать микрофильтрационные мембраны (как на Фиг.16 показано для мембраны 1666), образуют торцы многоканальной структуры. На Фиг.15 им соответствуют обозначения 1541, 1542. С помощью кольцевых прокладок 1664, 1665 из резины или силикона обеспечивается герметичность контейнера после сборки. Полый цилиндр 1661 и крышки 1662, 1663 контейнера выполнены из неэлектропроводного материала, преимущественно, из пластика, например полипропилена, полиэтилена, плексигласа, тефлона, капролона или др.
В торцевых частях крышек 1662, 1663 контейнера равномерно просверлены отверстия 1668 диаметром 0,5-1 мм. Требуемая проницаемость микро-фильтрационных мембран 1666, 1667 зависит от крупности частиц используемого порошка. Например, при крупности частиц более 5,5-10 мкм целесообразно использовать полиацетатные мембраны с отверстиями 5 мкм производства фирмы "Миллипор".
Порошкообразный материал, которым наполнен контейнер 1543 (Фиг.15), представляет собой неэлектропроводный материал неорганической или органической природы (керамика, стекло, кварц, поливинилхлорид, полиацетат и др.).
Многоканальную структуру в описываемом случае собирают следующим образом:
- привинчивают к полому цилиндру 1661 одну из крышек (например, крышку 1662, как показано на Фиг.16);
- на дно полученного сосуда укладывают микрофильтрационную мембрану (например, мембрану 1666, как показано на Фиг.16);
- полученный сосуд плотно загружают водной суспензией порошкообразного материала, давая в ходе загрузки оседать осадку и сливая при этом лишнюю жидкость;
- накрывают слой смоченного порошка второй микрофильтрационной мембраной и плотно привинчивают вторую крышку.
В микронасосе по Фиг.17 многоканальная структура представляет собой пористое тело 1745, полученное спеканием порошкообразного материала. В качестве такого материала может быть использована силикатная, алюмосиликатная, фосфатная, титанатная керамика, а также керамика, содержащая смеси оксидов металлов.
Боковую поверхность пористого тела покрывают слоем полимеризующегося герметика, преимущественно, на основе силикона.
В остальном микронасосы, показанные на Фиг.15 и Фиг.17, аналогичны микронасосу, показанному на Фиг.6 (за исключением бескорпусного выполнения; в этом отношении они аналогичны микронасосу, показанному на Фиг.8).
На Фиг.15 и Фиг.17, кроме приведенных выше, использованы следующие обозначения:
1503, 1703 и 1504, 1704 - соответственно, анодные и катодные секции;
1505, 1705 и 1506, 1706 - соответственно, торцы анодных и катодных секций;
1511, 1711 и 1512, 1712 - соответственно, анионитные и биполярные ионообменные мембраны;
1513, 1514, 1713, 1714 - камеры для протекания перекачиваемой жидкости;
1515, 1516, 1715, 1716 - камеры, заполняемые вспомогательной средой для переноса электрических зарядов;
1517, 1717 и 1518, 1718 - анодные и катодные электроды соответственно;
1519, 1719 и 1520, 1720 - штуцеры (соответственно, входные и выходные);
1521, 1721 и 1522, 1722 - каналы штуцеров соответственно для входа и выхода перекачиваемой жидкости;
1531, 1532, 1731, 1732 и 1533, 1534, 1535, 1733, 1734, 1735 - слои гранулированного ионообменного материала в камерах, заполняемых вспомогательной средой для переноса электрических зарядов, соответственно в анодной и катодной секциях, аналогичные соответствующим слоям, показанным на Фиг.6 и описанным выше;
1741 и 1742 - соответственно, входной и выходной торцы многоканальной структуры.
При использовании предлагаемого электрокинетического микронасоса во всех частных случаях его выполнения внешний источник электрического тока, к которому подключают анодный и катодный электроды, не обязательно должен быть источником постоянного тока. Достаточно, чтобы это был униполярный источник, например источник пульсирующего тока после одно- или двухполупериодного выпрямления переменного тока. Это может быть также источник постоянных по полярности импульсов другой формы. Более того, приемлем источник, напряжение на выходе которого не имеет постоянной полярности. Важно лишь, чтобы разность потенциалов между выходными полюсами источника имела постоянную составляющую (среднее по времени значение) определенного знака, в зависимости от которого осуществляют выбор полюсов для подключения к ним анодного и катодного электродов.
Предлагаемый электрокинетический микронасос может быть использован для создания микродозаторов непрерывного действия - миниатюрных устройств для перекачивания жидкостей с контролируемой скоростью. Он может быть использован в химическом и биологическом микроанализе, а также для введения в организм животных и людей лекарств с тонким их дозированием, в том числе, по заданной программе.
Источники информации
1. A.Manz, C.S.Effenhauser, N.Burggraf, D.J.Harrison, K.Seiler, K.Fluri, Electroosmotic pumping and electrophoretic separations for miniaturized chemical analysis systems, J.Micromech. Microeng., 1994, v.4, pp.257-265.
2. Chuan-Hua Chen, Juan Santiago, A Planar Electroosmotic Micropump, J.Electromechanical Systems, 2002, v.11. No.6, pp.672-683.
3. Патент США №6770183, опубл. 03.08.2004.
4. Oliver Geschke, Henning Klank, Pieter Telleman, Microsystem Engineering of Lab-on-a-chip Devices, Willey-VCH Verlag GmbH & Co.KGaA, Weinheim, 2004, pp.46-50.
5. Патент США №6287440, опубл. 11.09.2001.
6. M.Moini, P.Cao, A.J.Bard, Hydroquinone as a Buffer Additive for suppression of bubbles formed by Electrochemical oxidation, Anal. Chemistry, 1999, v.71, pp.l658-1661.
7. Y.Takamura, H.Onoda, H.Inokuchi, S.Adachi, A.Oki, Y.Horiike, Lowvoltage electroosmosis pump for stand-alone microfluidic devices, Electrophoresis, 2003, 24, pp.185-192.
8. Патент США №3923426, опубл. 02.12.1975.
9. Патент Российской Федерации №2096353, опубл. 20.11.97.
10. Патент ФРГ №4411330, опубл. 14.08.2003.
11. Патент США №3923426, опубл. 02.12.1975.
12. Патент Российской Федерации на полезную модель №31859, опубл. 27.08.2003.
| название | год | авторы | номер документа |
|---|---|---|---|
| ФИЛЬТР-ПРЕССУЮЩЕЕ УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЭЛЕКТРООСАЖДЕНИЯ МЕТАЛЛОВ ИЗ РАСТВОРОВ, СОСТОЯЩЕЕ ИЗ ОТДЕЛЬНЫХ ЭЛЕМЕНТОВ, ОБРАЗОВАННЫХ ИОНООБМЕННЫМИ МЕМБРАНАМИ, ФОРМИРУЮЩИМИ МНОЖЕСТВО АНОЛИТНЫХ И КАТОЛИТНЫХ КАМЕР, В КОТОРОМ ЭЛЕКТРОДЫ СОЕДИНЕНЫ ПОСЛЕДОВАТЕЛЬНО С АВТОМАТИЧЕСКИМ ОТДЕЛЕНИЕМ МЕТАЛЛИЧЕСКОГО ПРОДУКТА | 2016 |
|
RU2725871C2 |
| ЭЛЕКТРОДНОЕ УСТРОЙСТВО | 2000 |
|
RU2223347C2 |
| СПОСОБ ОБРАБОТКИ ПИТЬЕВОЙ ВОДЫ | 1999 |
|
RU2149835C1 |
| СПОСОБ РАЗДЕЛЕНИЯ АМИНОКИСЛОТ И УГЛЕВОДОВ ЭЛЕКТРОДИАЛИЗОМ | 2009 |
|
RU2426584C2 |
| ДЕКАЛЬЦИНИРУЮЩЕЕ УСТРОЙСТВО | 2015 |
|
RU2682544C2 |
| Электролизер с укреплённой мембраной | 2021 |
|
RU2757206C1 |
| Электродиализатор для обессоливания водных растворов | 1983 |
|
SU1119708A1 |
| БИОЭЛЕКТРОХИМИЧЕСКИЙ РЕАКТОР | 2012 |
|
RU2496187C1 |
| УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЭЛЕКТРОХИМИЧЕСКОЙ ОЧИСТКИ ВОДЫ | 2007 |
|
RU2440302C2 |
| АКУСТОЭЛЕКТРОННЫЙ МИКРОНАСОС | 2008 |
|
RU2408795C2 |
Устройство предназначено для использования в средствах для перекачивания малых количеств жидкости, в микронасосах без движущихся механических частей, использующих электрокинетический эффект. Микронасос содержит многоканальную структуру из неэлектропроводного материала, например отрезок поликапиллярного столбика. К входному и выходному торцам этой структуры примыкают электродные секции, имеющие каналы для входа и выхода перекачиваемой жидкости. Эти секции разделены ионообменными мембранами на камеры для протекания перекачиваемой жидкости, сообщающиеся с торцами многоканальной структуры, и камеры, заполняемые вспомогательной средой для переноса электрических зарядов. В последних размещены электроды. Одна из мембран - монополярная, и ее тип соответствует полярности ближайшего к ней электрода. Другая мембрана биполярная и обращена к ближайшему к ней электроду своей стороной, соответствующей полярности этого электрода. По одну или по обе стороны каждой ионообменной мембраны могут быть установлены баромембраны для нанофильтрации или обратного осмоса. В качестве вспомогательной среды могут быть использованы, в частности, перекачиваемая жидкость или гранулированный ионообменный материал. Изобретение направлено на исключение изменения химического состава перекачиваемой жидкости, вызываемого внесением в нее посторонних компонентов или модификацией исходных компонентов, а также на обеспечение возможности использования электродов первого рода для повышения производительности, уменьшения габаритов и стоимости микронасоса. 29 з.п.ф-лы, 17 ил.
| US 3923426 A, 02.12.1975 | |||
| Копировальное приспособление к фрезерном у станку | 1932 |
|
SU31859A1 |
| US 5858193 A, 12.01.1999 | |||
| US 6572749 A, 03.06.2003 | |||
| US 2004074768 A, 22.04.2004 | |||
| WO 2004036040 A, 29.04.2004 | |||
| WO 2004027262 A, 01.04.2004. | |||
