电解质浓度梯度下的纳流体输运特性研究

摘要

电解质浓度梯度作为纳米沟道中离子与流体输运的一种调控手段在海水淡化、分子检测及筛选、发电等有重要应用，能有效进行离子选择性及物质输运控制，与电压及压强控制共同起作用。海水与淡水的浓度差能用来进行能量转换，潜在能源丰富且无污染，有望成为下一种有效的绿色能源，因此浓度梯度下的纳流体输运的研究有重要意义。本文用空间电荷模型计算了电解质浓度梯度下纳米沟道中的离子浓度、电势以及流速分布，分析了沟道的各种参数对自建电势和平均流速的影响，然后基于空间电荷模型提出了弱电解质情况下的计算方法，讨论了它的适用范围。 研究结果显示平衡状态下，随着盐浓度梯度的增加，自建电势先增加后不变，沟道中溶液的平均流速先增大后减小，浓度梯度引发的电渗透还可能会使水流从高浓度流向低浓度方向，与通常的渗透作用结果相反。沟道的三种参数中，半径和长度对电势的影响不大，对流速影响明显，半径越大或长度越小则溶液平均流速越大，沟道的固定电荷密度对电势和流速都起重要作用，固定电荷密度越大，自建电势越高，流速越大。对于弱电解质溶液，本文先将计算的自建电势和平均流速与实验对比，发现两者很相符，然后通过粒子流计算了磷酸从高浓度端向低浓度端扩散时的两种离子产生速率和磷酸分子电离速率，发现三者也吻合，证明了计算方法的合理性。最后文中计算了纳米沟道自建电势和平均流速随磷酸浓度梯度的变化。在实际应用上，本工作为纳流体发电机研发等提供了一套理论与模拟计算框架。

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