close

Вход

Забыли?

вход по аккаунту

?

электрокинетический микронасос

код для вставки
РОССИЙСКАЯ ФЕДЕРАЦИЯ
RU
(19)
(11)
2 300 024
(13)
C2
(51) МПК
F04F 11/00
(2006.01)
ФЕДЕРАЛЬНАЯ СЛУЖБА
ПО ИНТЕЛЛЕКТУАЛЬНОЙ СОБСТВЕННОСТИ,
ПАТЕНТАМ И ТОВАРНЫМ ЗНАКАМ
(12)
ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ К ПАТЕНТУ
(21), (22) За вка: 2005121231/06, 07.07.2005
(24) Дата начала отсчета срока действи патента:
07.07.2005
(43) Дата публикации за вки: 20.01.2007
(45) Опубликовано: 27.05.2007 Бюл. № 15
(73) Патентообладатель(и):
Общество с ограниченной ответственностью
"Институт рентгеновской оптики" (RU)
2 3 0 0 0 2 4
(56) Список документов, цитированных в отчете о
поиске: US 3923426 A, 02.12.1975. RU 31859 U1,
27.08.2003. 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.
R U
(72) Автор(ы):
Хамизов Руслан Хасжетович (RU),
Кумахов Мурадин Абубекирович (RU),
Бастрыкина Наталь Сергеевна (RU),
Воронов Александр Александрович (RU),
Никитина Светлана Васильевна (RU)
Адрес дл переписки:
123060, Москва, 1-й Волоколамский пр-д, 10,
ПМЗР, Институт рентгеновской оптики, пат.
пов. М.Е. Васильевой
2 3 0 0 0 2 4
R U
(57) Реферат:
Устройство предназначено дл использовани в
средствах дл перекачивани малых количеств
жидкости, в микронасосах без движущихс механических
частей,
использующих
электрокинетический
эффект.
Микронасос
содержит
многоканальную
структуру
из
неэлектропроводного материала, например отрезок
поликапилл рного столбика. К входному и
выходному торцам этой структуры примыкают
электродные секции, имеющие каналы дл входа и
выхода перекачиваемой жидкости. Эти секции
разделены ионообменными мембранами на камеры
дл протекани перекачиваемой жидкости,
сообщающиес с торцами многоканальной
структуры,
и
камеры,
заполн емые
вспомогательной
средой
дл переноса
электрических зар дов. В последних размещены
электроды. Одна из мембран - монопол рна , и ее
тип соответствует пол рности ближайшего к ней
электрода. Друга мембрана бипол рна и
обращена к ближайшему к ней электроду своей
стороной, соответствующей пол рности этого
электрода. По одну или по обе стороны каждой
ионообменной мембраны могут быть установлены
баромембраны дл нанофильтрации или обратного
осмоса. В качестве вспомогательной среды могут
быть использованы, в частности, перекачиваема жидкость или гранулированный ионообменный
материал. Изобретение направлено на исключение
изменени химического состава перекачиваемой
жидкости,
вызываемого
внесением
в
нее
посторонних компонентов или модификацией
исходных компонентов, а также на обеспечение
возможности использовани электродов первого
рода дл повышени производительности,
уменьшени габаритов и стоимости микронасоса.
29 з.п.ф-лы, 17 ил.
Страница: 1
RU
C 2
C 2
(54) ЭЛЕКТРОКИНЕТИЧЕСКИЙ МИКРОНАСОС
C 2
C 2
2 3 0 0 0 2 4
2 3 0 0 0 2 4
R U
R U
Страница: 2
RUSSIAN FEDERATION
(19)
RU
(11)
2 300 024
(13)
C2
(51) Int. Cl.
F04F 11/00
(2006.01)
FEDERAL SERVICE
FOR INTELLECTUAL PROPERTY,
PATENTS AND TRADEMARKS
(12)
ABSTRACT OF INVENTION
(21), (22) Application: 2005121231/06, 07.07.2005
(24) Effective date for property rights: 07.07.2005
(43) Application published: 20.01.2007
(45) Date of publication: 27.05.2007 Bull. 15
(73) Proprietor(s):
Obshchestvo s ogranichennoj otvetstvennost'ju
"Institut rentgenovskoj optiki" (RU)
2 3 0 0 0 2 4
faces the nearest electrode.
EFFECT: enhanced efficiency and reduced sizes
and cost.
29 cl, 17 dwg
R U
(57) Abstract:
FIELD: pump engineering.
SUBSTANCE: electric pump comprises multichannel structure made of a nonconductive
material.
The electrode sections abut against
the inlet and outlet faces of the structure and
have passages for inflowing and outflowing the
fluid to be pumped. The sections are separated
by the ion exchange diaphragms into chambers for
flowing the fluid that are in communication with
the faces of the multi-channel structure and
chambers filled with the auxiliary fluid for
transporting electric charges.
The chambers
receive electrodes.
One of the diaphragms is
monopolar.
The other diaphragm is bipolar and
Страница: 3
EN
C 2
C 2
(54) ELECTRIC MICRO-PUMP
2 3 0 0 0 2 4
Mail address:
123060, Moskva, 1-j Volokolamskij pr-d, 10,
PMZR, Institut rentgenovskoj optiki, pat.
pov. M.E. Vasil'evoj
R U
(72) Inventor(s):
Khamizov Ruslan Khaszhetovich (RU),
Kumakhov Muradin Abubekirovich (RU),
Bastrykina Natal'ja Sergeevna (RU),
Voronov Aleksandr Aleksandrovich (RU),
Nikitina Svetlana Vasil'evna (RU)
RU 2 300 024 C2
5
10
15
20
25
30
35
40
45
50
Изобретение относитс к средствам дл перекачивани малых количеств жидкости,
более конкретно - к микронасосам без движущихс механических частей, а именно к
микронасосам, основанным на использовании электрокинетического эффекта.
Известны электрокинетические (электроосмотические) микронасосы [1-4], основанные на
использовании эффекта образовани двойного электрического сло на границе раздела
пол рна жидкость - твердый диэлектрик. При наложении внешнего электрического пол на
высокопористые тела, наход щиес в контакте с пол рной жидкостью и обладающие
развитой поверхностью такого контакта, имеет место небольшое смещение подвижной
(диффузной) части двойного электрического сло относительно его неподвижной
(пристеночной) части, за счет чего происходит принудительное перемещение жидкости в
направлении, параллельном внешнему электрическому полю. Такие микронасосы имеют
р д ограничений, главными из которых вл ютс 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 перекачивани жидкости [4].
Указанные недостатки устран ютс в электрокинетическом микронасосе [5], в котором
используютс два пористых тела с противоположным знаком зар да 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 вл ютс сложность подбора пористых материалов или модификации их
поверхностей, а также дороговизна устройства. В таком микронасосе также требуетс использование электродов второго рода и солевых мостиков дл того, чтобы полностью
исключить возможность блокировки перекачивани жидкости пузырьками газа, а также
модификации химического состава перекачиваемой жидкости за счет электролиза, что, в
свою очередь, ограничивает возможности создани компактных устройств.
От указанных недостатков свободен также электрокинетический микронасос [6], при
использовании которого в перекачиваемую жидкость ввод тс микроколичества буферного
вещества (например, гидрохинона), характеризующегос небольшими величинами
окислительно-восстановительного потенциала и преп тствующего электролитическому
разложению воды или других газообразующих компонентов на электродах. Однако
недостатком такого устройства вл етс необходимость "загр знени " перекачиваемой
жидкости буферным веществом.
Микронасос, свободный от указанных недостатков, описан в [7]. В этом микронасосе в
качестве электрода используетс электропровод щий полимерный гель в контакте с
металлической платиной. Вместо образовани газов в результате электролиза в таком
устройстве имеет место химическа перегруппировка органических веществ в составе
полимерного гел . Однако недостатком такого устройства вл етс то, что плотность
электрического тока, которую можно обеспечивать с помощью таких электродов, настолько
низка , что устройство может быть использовано только дл 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 посто нного тока. Между электродами расположено
высокопористое керамическое тело с развитой внутренней поверхностью. Вплотную к
каждому из электродов между ним и высокопористым телом размещена катионообменна мембрана. В стенке корпуса между торцами высокопористого тела и катионообменными
мембранами выполнены каналы дл протекани перекачиваемой жидкости. Оба
электрода - хлорсеребр ные.
Этот электрокинетический микронасос, выполненный на основе многоканальной
структуры, которой вл етс высокопористое керамическое тело, наиболее близок к
Страница: 4
DE
RU 2 300 024 C2
5
10
15
20
25
30
35
40
45
50
предлагаемому.
Однако такое устройство имеет р д недостатков.
Использование монопол рных мембран одного и того же типа (например,
катионообменных мембран) возле анодного и катодного электродов не защищает
перекачиваемую жидкость от ионных загр знений, в том числе, св занных с попаданием в
эту жидкость загр знений из электродов. Это св зано с тем, что люба электрохимическа система, содержаща пару одинаковых ионообменных мембран между
катодом и анодом, независимо от типа примен емого электрода, всегда проницаема по
отношению к ионам определенного зар да, движущимс к одному из электродов. В случае
катионообменных мембран система проницаема по отношению к катионам, движущимс к
катоду.
В указанном устройстве используютс электроды второго рода, а именно
хлорсеребр ные электроды, с целью предотвращени процессов электролиза. Однако в
св зи 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 использовани хлорсеребр ных электродов посто нно образуютс на анодном
электроде и перенос тс к катодному электроду ионы серебра, а также посто нно
образуютс на катодном электроде ионы хлора. При этом в пространстве между катодным
электродом и ближайшей к нему катионообменной мембраной имеет место образование
кристаллов малорастворимого соединени - хлорида серебра, которые необходимо
непрерывно удал ть дл поддержани посто нных характеристик работы микронасоса.
Кроме того, после попадани 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 загр зн ют перекачиваемую жидкость, но могут
также блокировать работу микронасоса, забива многоканальную структуру.
Попытка отказатьс от использовани 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 монопол рные мембраны не защищали бы
перекачиваемую среду от всех ионных загр знений. Кроме того, возникли бы проблемы,
св занные с процессами электролиза внутри перекачиваемой жидкости.
Использование хлорсеребр ных 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
дл аналитических целей, а не дл подвода электроэнергии). При одной и той же
производительности это приводит к увеличению габаритов и удорожанию микронасоса.
Предлагаемое изобретение направлено на достижение технического результата,
заключающегос в исключении возможности изменени химического состава
перекачиваемой жидкости из-за внесени в нее посторонних компонентов или
модификации исходных компонентов этой жидкости. Техническим результатом
предлагаемого изобретени вл етс также обеспечение возможности использовани электродов первого рода дл повышени производительности, уменьшени габаритов и
стоимости микронасоса.
Ниже при изложении сущности предлагаемого изобретени и описании частных случаев
его выполнени будут названы и другие виды достигаемого технического результата.
Дл достижени 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 электродна секци . В одной из электродных секций
Страница: 5
RU 2 300 024 C2
5
10
15
20
25
30
35
40
45
50
размещен анодный, а в другой - катодный электрод. Анодный и катодный электроды
предназначены дл подключени 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 раздел ют каждую из электродных секций, в которых
они установлены, на две камеры. Камеры, расположенные по одну сторону каждой из
ионообменных мембран, сообщаютс с торцом многоканальной структуры, а камеры,
расположенные по другую сторону каждой из ионообменных мембран, содержат указанные
анодный и катодный электроды. Камеры обеих электродных секций, сообщающиес с
торцом многоканальной структуры, предназначены дл протекани перекачиваемой
жидкости. Одна из таких камер имеет канал дл входа, а друга - дл выхода
перекачиваемой жидкости. Камеры, в которых расположены анодный и катодный
электроды, предназначены дл заполнени вспомогательной средой дл переноса
электрических зар дов. Одна из указанных ионообменных мембран вл етс монопол рной, а друга - бипол рной. При этом тип монопол рной ионообменной
мембраны соответствует пол рности ближайшего к ней электрода, а бипол рна ионообменна мембрана обращена к ближайшему к ней электроду своей стороной,
соответствующей пол рности этого электрода.
Иначе говор , если монопол рна ионообменна мембрана вл етс анионообменной,
то она должна быть установлена в электродной секции, содержащей анодный электрод. В
этом случае бипол рна ионообменна мембрана должна быть установлена в электродной
секции, содержащей катодный электрод, и обращена к нему своей катионитной стороной. И
наоборот, если монопол рна ионообменна мембрана вл етс катионообменной, то она
должна быть установлена в электродной секции, содержащей катодный электрод. В этом
случае бипол рна ионообменна мембрана должна быть установлена в электродной
секции, содержащей анодный электрод, и обращена к нему своей анионитной стороной.
Предлагаемый электрокинетический микронасос объедин ет с наиболее близким к нему,
известным из патента [8], наличие многоканальной структуры, расположенной между
анодным и катодным электродами, предназначенными дл подключени к внешнему
источнику электрического тока, наличие ионообменных мембран, установленных между
указанными электродами и торцами многоканальной структуры, а также наличие каналов
дл входа и выхода перекачиваемой жидкости, протекающей в промежутках между торцами
многоканальной структуры и ионообменными мембранами.
В отличие от указанного наиболее близкого известного, где используютс одинаковые
ионообменные мембраны (монопол рные, причем обе - катионообменные), в
предлагаемом электрокинетическом микронасосе ионообменные мембраны,
установленные между торцами многоканальной структуры и электродами, - разные. При
этом одна из них - не монопол рна , а бипол рна , а тип другой (монопол рной)
ионообменной мембраны определ етс пол рностью ближайшего к ней электрода.
Поэтому возле анодного электрода, в отличие от известного из [8] микронасоса, никогда
не может быть установлена катионообменна мембрана. Следующей особенностью,
нар ду с наличием бипол рной ионообменной мембраны, вл етс то, что эта мембрана
должна быть ориентирована определенным образом, а именно, обращена к ближайшему к
ней электроду своей стороной, соответствующей пол рности этого электрода. Анодный и
катодный электроды размещены в конструктивных част х предлагаемого
электрокинетического микронасоса, примыкающих к торцам многоканальной структуры и
образующих электродные секции. Кажда из электродных секций разделена монопол рной
или бипол рной ионообменной мембраной на две камеры. Одна камера каждой из
указанных секций примыкает к торцу многоканальной структуры. Эта камера служит дл протекани перекачиваемой жидкости и снабжена каналом дл входа (выхода)
перекачиваемой жидкости. По другую сторону той же самой ионообменной мембраны в
каждой электродной секции расположена втора камера. Такие камеры в обеих
электродных секци х образованы благодар тому, что, в отличие от упом нутого
Страница: 6
RU 2 300 024 C2
5
10
15
20
25
30
35
40
45
50
известного устройства, ионообменные мембраны установлены не вплотную к электродам.
Эти камеры предназначены дл заполнени вспомогательной средой, служащей при
эксплуатации микронасоса дл переноса электрических зар дов между электродом и
ближайшей к нему ионообменной мембраной.
Использование пары разных ионообменных мембран - монопол рной и бипол рной при
условии, что ближайшим к катионообменной мембране (или катионитной стороне
бипол рной мембраны) вл етс катодный электрод, а ближайшим к анионообменной
мембране (или анионитной стороне бипол рной мембраны) вл етс анодный электрод, а
также с учетом того, что бипол рна мембрана предназначена не дл переноса ионов, а
только дл разложени воды на ионы водорода и гидроксила, позвол ет полностью
изолировать друг от друга процессы, происход щие около электродов, и процессы,
происход щие в многоканальной структуре, за исключением сбалансированного переноса
указанных ионов водорода и гидроксила при сохранении электрической нейтральности
среды. Это позвол ет устранить возможность загр знени перекачиваемой жидкости.
Использование такой системы мембран в сочетании с конструктивной особенностью,
заключающейс в наличии между каждой из ионообменных мембран и электродом камеры
дл вспомогательной среды, обеспечивающей перенос зар дов в электродной секции и
удаление или нейтрализацию продуктов электролиза, позвол ет также исключить
возможность изменени химического состава перекачиваемой жидкости.
Кроме того, благодар этому становитс возможным использование простых электродов
первого рода с высокой допустимой плотностью тока дл повышени производительности
микронасоса, уменьшени его габаритов и стоимости.
Указанный выбор комбинации ионообменных мембран и их размещени относительно
электродов обеспечивает возможность перекачивани жидкостей с избыточным зар дом
того или иного знака в двойном электрическом слое в направлении от анодной
электродной секции к катодной или в обратном направлении, в зависимости от знака
упом нутого избыточного зар да.
Многоканальна структура может представл ть 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 поликапилл рного
столбика из неэлектропроводного материала со сквозными капилл рами, образующими
множество параллельных микроканалов.
Такое выполнение многоканальной структуры обеспечивает наибольшую
производительность микронасоса при прочих равных услови х, так как в случае
параллельных каналов сумма электрических полей, образованных двойными
электрическими сло ми в каждом канале, имеет максимальную абсолютную величину.
Кроме того, в капилл рном столбике обеспечиваетс меньший разброс поперечных
размеров и длины каналов по сравнению с высокопористым телом, что тоже положительно
сказываетс на производительности микронасоса.
Предлагаемый микронасос может дополнительно содержать баромембраны дл нанофильтрации или обратного осмоса, расположенные по одну или по обе стороны
каждой из указанных ионообменных мембран.
Наличие баромембран способствует повышению эффективности перекачивани жидкостей, содержащих растворы электролитов, и позвол ет предотвратить попадание
ионных компонентов вспомогательной среды на ионообменные мембраны и их химическое
"отравление".
Вспомогательна среда дл переноса электрических зар дов может представл ть
собой, в частности, жидкость, идентичную перекачиваемой жидкости.
Это обеспечивает простоту эксплуатации устройства.
Вспомогательна среда дл переноса электрических зар дов может представл ть собой
также раствор, суспензию или пасту смеси веществ, содержащих, по крайней мере, один и
тот же химический элемент в разных степен х окислени .
Страница: 7
RU 2 300 024 C2
5
10
15
20
25
30
35
40
45
50
Такой состав вспомогательной среды дл переноса электрических зар дов позвол ет
исключить процессы газовыделени на анодном и катодном электродах. При этом
эффективность действи вспомогательной среды дл переноса электрических зар дов
выше в двух последних случа х, т.е. когда эта среда используетс в форме суспензии
или пасты.
Вспомогательна среда дл переноса электрических зар дов может также представл ть
собой раствор, по крайней мере, одного электролита, содержащего элемент, вход щий в
состав материала соответствующего электрода.
Такое выполнение целесообразно дл предотвращени образовани газообразных
продуктов в той камере, заполн емой вспомогательной средой дл переноса электрических
зар дов, в которой размещен катодный электрод.
Далее, вспомогательна среда дл переноса электрических зар дов может
представл ть собой гранулированный ионообменный материал.
Такое выполнение позвол ет исключить попадание растворенных веществ ионного
характера, а также газовых пузырьков в перекачиваемую жидкость.
Описанные виды вспомогательной среды дл переноса электрических зар дов могут
примен тьс как в микронасосе, не содержащем баромембран дл нанофильтрации или
обратного осмоса, так и в микронасосе с баромембранами, и сочетатьс с любым из
названных выше частных случаев их установки.
При любом из описанных выше видов вспомогательной среды дл переноса
электрических зар дов анодный электрод может быть выполнен из материала, не
раствор ющегос в этой среде под действием положительного электрического потенциала.
Такое выполнение позвол ет длительно эксплуатировать анодный электрод без
изменени его свойств.
В случае, когда вспомогательна среда дл переноса электрических зар дов
представл ет собой гранулированный ионообменный материал, анодный электрод может
быть выполнен также из материала, раствор ющегос в этой среде под действием
положительного электрического потенциала.
Это целесообразно дл предотвращени образовани газообразных продуктов в той
камере, заполн емой вспомогательной средой дл переноса электрических зар дов, в
которой размещен анодный электрод.
При использовании в качестве вспомогательной среды дл переноса электрических
зар дов гранулированного ионообменного материала или раствора, по крайней мере,
одного электролита, содержащего элемент, вход щий в состав материала катодного
электрода, катодный электрод может быть выполнен из материала, на котором осаждаютс компоненты вспомогательной среды дл переноса электрических зар дов под действием
отрицательного электрического потенциала.
Такое выполнение целесообразно дл предотвращени образовани газообразных
продуктов в той камере, заполн емой вспомогательной средой дл переноса электрических
зар дов, в которой размещен катодный электрод.
Предлагаемое изобретение иллюстрируетс чертежами.
На Фиг.1 и Фиг.2 показаны примеры выполнени электрокинетического микронасоса дл перекачивани жидкостей, образующих избыточный положительный или отрицательный
зар д в двойном электрическом слое, при заполнении камеры дл вспомогательной среды
жидкостью, идентичной перекачиваемой, и выполнении многоканальной структуры в виде
отрезка поликапилл рного столбика.
На Фиг.3 показан пример выполнени электрокинетического микронасоса по Фиг.2,
дополненного баромембранами дл нанофильтрации или обратного осмоса,
расположенными с тех сторон ионообменных мембран, которые обращены к торцам
отрезка поликапилл рного столбика.
На Фиг.4 показан пример выполнени электрокинетического микронасоса по Фиг.2,
дополненного баромембранами дл нанофильтрации или обратного осмоса,
расположенными с тех сторон ионообменных мембран, которые обращены к
Страница: 8
RU 2 300 024 C2
5
10
15
20
25
30
35
40
45
50
соответствующим электродам.
На Фиг.5 показан пример выполнени электрокинетического микронасоса по Фиг.2,
дополненного баромембранами дл нанофильтрации или обратного осмоса,
расположенными с обеих сторон ионообменных мембран.
На Фиг.6 показан пример выполнени электрокинетического микронасоса, в котором в
качестве вспомогательной среды дл переноса электрических зар дов используетс гранулированный ионообменный материал.
На Фиг.7 показан пример выполнени электрокинетического микронасоса по фиг.6,
дополненного баромембранами дл нанофильтрации или обратного осмоса.
На Фиг.8 приведен пример бескорпусного выполнени микронасоса с многоканальной
структурой в виде отрезка поликапилл рного столбика.
На Фиг.9 показана схема двойного электрического сло , который образуетс в
микроканалах многоканальной структуры.
На Фиг.10 показана зависимость скорости перекачивани различных жидкостей от
напр жени посто нного тока на электродах микронасоса, выполненного в соответствии с
Фиг.1.
На Фиг.11 показано выполнение микронасоса с разъемными электродными секци ми.
Фиг.12 иллюстрирует процесс перестановки камер дл вспомогательной среды по
окончании цикла работы микронасоса по Фиг.11.
На Фиг.13 показана зависимость скорости перекачивани дистиллированной воды от
напр жени на электродах микронасоса, выполненного в соответствии с Фиг.6.
На Фиг.14 показан пример выполнени электрокинетического микронасоса с
электродами второго рода.
Фиг.15 - Фиг.17 относ тс к примерам выполнени электрокинетического микронасоса с
многоканальной структурой, не вл ющейс отрезком поликапилл рного столбика.
Предлагаемый электрокинетический микронасос в случае, иллюстрируемом Фиг.1, имеет
цилиндрический полый корпус, состо щий 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 секци ми - 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 многоканальна структура в виде отрезка поликапилл рного
столбика 110 из стекла, кварца или иного диэлектрика. Поликапилл рный столбик имеет
сотни тыс ч параллельных сквозных капилл ров (микроканалов) одинакового размера от
единиц до сотен микрон в поперечном сечении.
В анодной 103 и катодной 104 секци х размещены, соответственно, анодный 117 и
катодный 118 электроды, а также монопол рна ионообменна мембрана 111 и
бипол рна ионообменна 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 раздел ют каждую из этих секций на две камеры. Пространство между
каждой из ионообменных мембран и ближайшим к ней входным 141 или выходным 142
торцом отрезка поликапилл рного столбика 110 вл етс камерой (113, 114) дл протекани 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), заполн емой вспомогательной средой дл переноса электрических
зар дов. Анодный 117 и катодный 118 электроды размещены в камерах 115, 116,
заполн емых вспомогательной средой дл переноса электрических зар дов. При этом
монопол рна ионообменна мембрана 111 вл етс анионообменной мембраной, а
Страница: 9
RU 2 300 024 C2
5
10
15
20
25
30
35
40
45
50
бипол рна ионообменна мембрана 112 обращена к катодному электроду 118 своей
катионитной стороной (дл обозначени анионитной мембраны и анионитной стороны
бипол рной мембраны на Фиг.1 и последующих фигурах использован повтор ющийс символ "А", а дл обозначени катионитной стороны бипол рной мембраны повтор ющийс символ "С"). Анодный электрод 117 выполнен из материала,
нерастворимого во вспомогательной среде дл переноса электрических зар дов под
действием анодного потенциала, например, из платины или графита.
Анодна 103 и катодна 104 секции со стороны камер 113, 114 дл протекани перекачиваемой жидкости снабжены штуцерами 119, 120. Осевые сквозные отверсти 121,
122 штуцеров вл ютс каналами соответственно дл входа и выхода перекачиваемой
жидкости (направлени движени жидкости показаны стрелками). Отрезок
поликапилл рного столбика 110 вставлен так, что он не перекрывает отверсти 121, 122
штуцеров 119, 120. Со стороны камер 115, 116, заполн емых вспомогательной средой дл переноса электрических зар дов, анодна 103 и катодна 104 секции снабжены
отверсти ми 125, 126 дл 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. Дл обеспечени герметичности устройства и предотвращени протекани жидкости вне отрезка поликапилл рного столбика служат резиновые или силиконовые
кольцевые уплотнительные прокладки 123, 124, плотно обжимающие отрезок
поликапилд рного столбика 110 и размещенные в зоне стыка трубчатых частей 101, 102
корпуса с анодной 103 и катодной 104 секци ми.
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 молекул рного переноса воды и переноса
анионов через анионитную мембрану 111.
Многоканальна поликапилл рна структура, выполненна в уже описанном и других
описываемых ниже частных случа х в виде отрезка поликапилл рного столбика, может
быть изготовлена, например, по технологии, описанной в патентах [9-11]. Возможно
также использование описанной в патенте [12] технологии, примен емой при изготовлении
поликапилл рных хроматографических колонок. Данна технологи предпочтительна, так
как она обеспечивает малый разброс размеров поперечного сечени микроканалов, а
уменьшение разброса при прочих равных услови х положительным образом сказываетс на производительности микронасоса. Это объ сн етс тем, что давление на выходе из
более тонких единичных микроканалов многоканальной структуры выше, чем давление на
выходе из более широких микроканалов. Уравнивание общего давлени на выходном
торце многоканальной структуры св зано с образованием микроскопических противотоков
и замедлением скорости перекачивани 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 катионитна ионообменна мембрана 227, а бипол рна ионообменна мембрана 212 вставлена в анодную секцию 203 таким образом, что анионитна сторона
этой мембраны обращена к анодному электроду 217. Дл обозначени катионитной
мембраны на этой и последующих фигурах использован повтор ющийс символ "С".
На Фиг.2, кроме уже указанных, использованы также следующие обозначени :
201, 202 - трубчатые части корпуса;
205, 206 - торцы анодной и катодной секций;
207 - втулка дл соединени трубчатых частей корпуса;
208, 209 - накидные гайки дл соединени трубчатых частей корпуса с анодной и
катодной секци ми;
210 - многоканальна структура в виде отрезка поликапилл рного столбика;
213, 214 - камеры дл протекани перекачиваемой жидкости;
215, 216 - камеры, заполн емые вспомогательной средой дл переноса электрических
Страница: 10
RU 2 300 024 C2
5
10
15
20
25
30
35
40
45
50
зар дов;
218 - катодный электрод;
219, 220 - штуцеры (соответственно, выходной и входной);
221, 222 - каналы штуцеров соответственно дл выхода и входа перекачиваемой
жидкости;
223, 224 - кольцевые уплотнительные прокладки;
225, 226 - отверсти в стенках соответственно анодной и катодной секций дл выхода
газов;
241, 242 - соответственно, входной и выходной торцы многоканальной структуры.
Вспомогательной средой, которой заполн ют камеры 115, 116 и 215, 216 микронасосов
по Фиг.1 и Фиг.2 соответственно, вл етс жидкость, идентична 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 дл нанофильтрации и обратного осмоса. Дл обозначени баромембран на данной и
последующих фигурах использован повтор ющийс символ "В". Указанные баромембраны
примыкают к ионообменным мембранам 311, 312 со стороны камер 313, 314 дл протекани перекачиваемой жидкости.
На Фиг.3, кроме уже указанных, использованы также следующие обозначени :
301, 302 - трубчатые части корпуса;
305, 306 - торцы анодной и катодной секций;
307 - втулка дл соединени трубчатых частей корпуса;
308, 309 - накидные гайки дл соединени трубчатых частей корпуса с анодной и
катодной секци ми;
310 - многоканальна структура в виде отрезка поликапилл рного столбика;
315, 316 - камеры, заполн емые вспомогательной средой дл переноса электрических
зар дов;
317, 318 - анодный и катодный электроды соответственно;
319, 320 - штуцеры (соответственно, входной и выходной);
321, 322 - каналы штуцеров соответственно дл входа и выхода перекачиваемой
жидкости;
323, 324 - кольцевые уплотнительные прокладки;
325, 326 - отверсти в стенках соответственно анодной и катодной секций дл 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 дл переноса электрических зар дов используют жидкость,
идентичную перекачиваемой. Ею заполн ют камеры 315, 316.
Особенность выполнени электрокинетического микронасоса в варианте, показанном на
Фиг.4, состоит в том, что расположенные в анодной 403 и катодной 404 секци х камеры
415, 416, заполн емые вспомогательной средой дл переноса электрических зар дов,
герметичны и не имеют отверстий дл выхода газов. При этом баромембраны 429, 430
примыкают к ионообменным мембранам 411 (анионообменной), и 412 (бипол рной) со
стороны указанных камер.
На Фиг.4, кроме уже указанных, использованы также следующие обозначени :
401, 402 - трубчатые части корпуса;
405, 406 - торцы анодной и катодной секций;
407 - втулка дл соединени трубчатых частей корпуса;
408, 409 - накидные гайки дл соединени трубчатых частей корпуса с анодной и
катодной секци ми;
410 - многоканальна структура в виде отрезка поликапилл рного столбика;
413, 414 - камеры дл протекани перекачиваемой жидкости;
417, 418 - анодный и катодный электроды соответственно;
Страница: 11
RU 2 300 024 C2
5
10
15
20
25
30
35
40
45
50
419, 420 - штуцеры (соответственно, входной и выходной);
421, 422 - каналы штуцеров соответственно дл входа и выхода перекачиваемой
жидкости;
423, 424 - кольцевые уплотнительные прокладки;
441, 442 - соответственно, входной и выходной торцы многоканальной структуры.
В качестве вспомогательной среды дл переноса электрических зар дов в микронасосе,
показанном на Фиг.4, может быть использован раствор смеси веществ, содержащих, по
крайней мере, один и тот же химический элемент в разных степен х окислени . Например,
это может быть кислый раствор смеси двухвалентного и трехвалентного железа или
щелочной раствор смеси перманганата и манганата кали .
В качестве вспомогательной среды дл переноса электрических зар дов в микронасосе,
показанном на Фиг.4, может быть использована также суспензи или паста смеси веществ,
содержащих, по крайней мере, один и тот же химический элемент в разных степен х
окислени . Например, это может быть смесь солей двухвалентного и трехвалентного
железа, двухвалентного и трехвалентного кобальта, смесь перманганата и манганата
кали , перманганата кали и диоксида марганца, манганата кали и диоксида марганца,
смесь солей хрома в разных степен х окислени и др.
Во всех случа х выполнени электрокинетического микронасоса, относ щихс к
варианту, показанному на Фиг.4, особенностью вспомогательной среды дл переноса
электрических зар дов, помещаемой в камеру 415 анодной секции 403, вл етс избыточное содержание элемента в восстановленной форме в смеси соединений одного и
того же элемента в разных степен х окислени .
Во всех случа х выполнени электрок??нетического микронасоса, относ щихс к
варианту, показанному на Фиг.4, особенностью вспомогательной среды дл переноса
электрических зар дов, помещаемой в камеру 416 катодной секции, вл етс избыточное
содержание соединени элемента в окисленной форме в смеси соединений одного и того
же элемента в разных степен х окислени .
Таким образом, вспомогательна среда дл переноса электрических зар дов в обеих
камерах 415, 416 во всех этих случа х удовлетвор ет одному и тому же условию: в ее
состав входит смесь веществ, содержащих, по крайней мере, один и тот же химический
элемент в разных степен х окислени .
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 (бипол рной) с обеих
сторон.
На Фиг.5, кроме уже указанных, использованы также следующие обозначени :
501, 502 - трубчатые части корпуса;
505, 506 - торцы анодной и катодной секций;
507 - втулка дл соединени трубчатых частей корпуса;
508, 509 - накидные гайки дл соединени трубчатых частей корпуса с анодной и
катодной секци ми;
510 - многоканальна структура в виде отрезка поликапилл рного столбика;
513, 514 - камеры дл протекани перекачиваемой жидкости;
515, 516 - камеры, заполн емые вспомогательной средой дл переноса электрических
зар дов;
517, 518 - анодный и катодный электроды соответственно;
519, 520 - штуцеры (соответственно, входной и выходной);
521, 522 - каналы штуцеров соответственно дл 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
Страница: 12
RU 2 300 024 C2
5
10
15
20
25
30
35
40
45
50
своему выполнению к микронасосу, показанному на Фиг.4, но имеет следующие
особенности:
- он не содержит баромембран;
- в качестве вспомогательной среды дл переноса электрических зар дов, помещаемой
в камеры 615, 616 анодной 603 и катодной 604 секций, используетс гранулированный
ионообменный материал;
- анодный электрод 617 выполнен из материала, раствор ющегос во вспомогательной
среде дл переноса электрических зар дов под действием положительного электрического
потенциала;
- катодный электрод 618 выполнен из материала, на котором осаждаютс компоненты
вспомогательной среды дл переноса электрических зар дов под действием
отрицательного электрического потенциала.
На Фиг.6, кроме уже указанных, использованы также следующие обозначени :
601, 602 - трубчатые части корпуса;
605, 606 - торцы анодной и катодной секций;
607 - втулка дл соединени трубчатых частей корпуса;
608, 609 - накидные гайки дл соединени трубчатых частей корпуса с анодной и
катодной секци ми;
610 - многоканальна структура в виде отрезка поликапилл рного столбика;
611, 612 - соответственно анионитна и бипол рна ионообменные мембраны;
613, 614 - камеры дл протекани перекачиваемой жидкости;
619, 620 - штуцеры (соответственно, входной и выходной);
621, 622 - каналы штуцеров соответственно дл входа и выхода перекачиваемой
жидкости;
623, 624 - кольцевые уплотнительные прокладки;
631, 632 и 633, 634, 635 - слои гранулированного ионообменного материала,
вл ющегос вспомогательной средой дл переноса электрических зар дов, заполн ющей
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 дл анодного и
катодного электродов могут быть использованы металлы с хорошей электропроводностью,
например медь, серебро, цинк, никель и др. При этом катионит в камерах, заполн емых
вспомогательной средой дл переноса электрических зар дов, 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 представл ют 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 бипол рной ионообменной мембране 612 и к катодному электроду 618,
представл ют 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 дл нанофильтрации или
обратного осмоса. Эти баромембраны размещены с той стороны указанных ионообменных
мембран, котора обращена к соответствующему торцу отрезка поликапилл рного
столбика 710.
На Фиг.7, кроме упом нутых, использованы следующие обозначени :
701, 702 - трубчатые части корпуса;
703, 704 - соответственно, анодна и катодна секции;
705, 706 - торцы анодной и катодной секций;
707 - втулка дл соединени трубчатых частей корпуса;
Страница: 13
RU 2 300 024 C2
5
10
15
20
25
30
35
40
45
50
708, 709 - накидные гайки дл соединени трубчатых частей корпуса с анодной и
катодной секци ми;
713, 714 - камеры дл протекани перекачиваемой жидкости;
715, 716 - камеры, заполн емые вспомогательной средой дл переноса электрических
зар дов;
717, 718 - анодный и катодный электроды соответственно;
719, 720 - штуцеры (соответственно, входной и выходной);
721, 722 - каналы штуцеров соответственно дл входа и выхода перекачиваемой
жидкости;
723, 724 - кольцевые уплотнительные прокладки;
731, 732 и 733, 734, 735 - слои гранулированного ионообменного материала в камерах,
заполн емых вспомогательной средой дл переноса электрических зар дов,
соответственно в анодной и катодной секци х, аналогичные соответствующим сло м,
показанным на Фиг.6 и описанным выше;
741, 742 - соответственно, входной и выходной торцы многоканальной структуры.
Возможно выполнение предлагаемого микронасоса, показанное на Фиг.8, отличающеес от показанного на предыдущих фигурах отсутствием корпуса как несущей основы
конструкции микронасоса. При таком выполнении анодна 803 и катодна 804 секции
зафиксированы непосредственно на концах отрезка поликапилл рного столбика 810 вблизи
его входного 841 и выходного 842 торцов (например, приклеены). Поликапилл рный
столбик дл большей механической прочности может быть изготовлен с защитной
оболочкой в соответствии с технологией, описанной, например, в патентах [11], [12].
При этом поликапилл рный столбик не об зательно должен быть круглым в поперечном
сечении, а анодна и катодна секции - цилиндрическими. За исключением отсутстви корпуса и элементов дл соединени его частей друг с другом и электродными секци ми,
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 обозначени :
805, 806 - торцы анодной и катодной секций;
811, 812- соответственно анионитна и бипол рна ионообменные мембраны;
813, 814 - камеры дл протекани перекачиваемой жидкости;
815, 816 - камеры, заполн емые вспомогательной средой дл переноса электрических
зар дов;
817, 818 - анодный и катодный электроды соответственно;
819, 820 - штуцеры (соответственно, входной и выходной);
821, 822 - каналы штуцеров соответственно дл входа и выхода перекачиваемой
жидкости;
829, 830 - баромембраны дл нанофильтрации или обратного осмоса;
841, 842 - соответственно, входной и выходной торцы многоканальной структуры
(отрезка поликапилл рного столбика).
Электрокинетический микронасос, выполненный в соответствии с Фиг.1, функционирует
следующим образом.
В услови х контакта стекла или кварца, из которых изготовлена многоканальна структура в виде отрезка поликапилл рного 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. Внутренн поверхность твердого тела в указанных услови х, как
правило, несет избыточный отрицательный зар д, 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 зар ды на
твердой поверхности нейтрализованы положительными ионами, например протонами из
раствора или твердого тела. Часть указанных протонов, вход ща в так называемый
Штерновский слой, сильно адсорбирована и не может перемещатьс при движении
Страница: 14
RU 2 300 024 C2
5
10
15
20
25
30
35
40
45
50
жидкости внутри микроканала. Положительный потенциал Штерновского сло на
поверхности тела обозначен на Фиг.9 как ?. Указанный слой вместе со слоем
отрицательных зар дов на поверхности твердого тела образует внутреннюю часть 938
двойного электрического сло . Остальна часть протонов, необходима дл нейтрализации
избыточного отрицательного зар да, образует диффузионный, или Дебаевский слой, т.е.
внешнюю часть 939 двойного электрического сло . Практически все количество протонов
(и других положительно зар женных ионов из раствора), вход щих в диффузионный слой,
может перемещатьс при перемещении жидкости внутри микроканала. Потенциал на
границе скольжени между перемещаемой и не перемещаемой част ми двойного
электрического сло (так называемый дзетта-потенциал) обозначен на Фиг.9 как ?.
Величины потенциалов за пределами двойного электрического сло равны нулю, т.е. во
всей остальной жидкости внутри микроканала соблюдаетс электрическа нейтральность,
и количества отрицательных и положительных зар дов 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 скольжени ), то она, как показано на
Фиг.9, имеет избыточный положительный электрический зар д, 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 разр д протонов с выделением газообразного водорода и
эквивалентный разр д гидроксил-ионов с выделением газообразного кислорода в
соответствии с полуреакци ми:
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 перенос тс в противоположные стороны в
эквивалентных количествах. Однако распределение переносимых ионов внутри
микроканала неравномерное. Двойной электрический слой и избыточный положительный
зар д внутри границ скольжени всегда сохран ютс (под действием внешнего
продольного пол мгновенна картина отличаетс только тем, что имеет место смещение
диффузной части двойного сло на дистанцию, сравнимую с молекул рными размерами, в
сторону катодного электрода 118). Это означает, что вблизи стенок идет перенос, в
основном, катионов. За счет сил трени 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 наблюдатьс противоположна картина.
Однако поперечные размеры диффузной части двойного сло настолько малы по
сравнению с диаметром микроканала, что плотность избыточных отрицательных зар дов,
переносимых в сторону анодного электрода 117, пренебрежимо мала, и результирующего
перемещени 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 дл вспомогательной среды в сторону
анодного электрода 117;
2) перенос анионов через анионообменную мембрану 111;
3) разр д ОН --ионов на анодном электроде 117 с выделением газообразного кислорода;
4) перенос катионов (например, Н +) в камере 116 дл вспомогательной среды в сторону
катодного электрода 118;
5) вырабатывание эквивалентного количества ОН -ионов анионитной стороной
бипол рной мембраны 112 и их перенос в направлении к анодному электроду 117;
Страница: 15
RU 2 300 024 C2
5
10
15
20
25
30
35
40
45
50
6) реакци нейтрализации между протонами, выносимыми из многоканальной структуры
110 и ионами гидроксила, вырабатываемыми бипол рной мембраной 112:Н ++ОН -=H2O;
7) вырабатывание эквивалентного количества Н +-ионов катионитной стороной
бипол рной мембраны 112 и их перенос к катодному электроду 118;
8) разр д протонов на катодном электроде 118 с выделением газообразного водорода.
Таким образом, в процессе работы электрокинетического микронасоса, показанного на
Фиг.1, результирующими эффектами вл ютс 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 зар дов, в соответствии с законом Фараде .
Особенности работы такого устройства заключаютс в следующем:
- катодный и анодный электроды непосредственно не контактируют с перекачиваемой
жидкостью;
- содержание воды в водном растворе остаетс неизменным;
- пузырьки воздуха, возникающие при разр де на электродах, не могут попасть в
камеры дл протекани перекачиваемой жидкости, так как они изолированы мембранами.
Если бы электроды не были отделены анионообменной и бипол рной мембранами от
торцов 141, 142 многоканальной структуры, то имели бы место следующие эффекты:
образование пузырьков воздуха; блокирование ими перекачивани или нарушение
устойчивости режима перекачивани ; окисление или восстановление на электродах
компонентов, содержащихс в водном растворе; как следствие этого - подкисление или
подщелачивание перекачиваемого раствора.
На Фиг.10 показаны зависимости скорости перекачивани дистиллированной воды
(крива 1051), а также растворов хлорида натри различной концентрации (30 мг/л крива 1052 и 50 мг/л - крива 1053) от напр жени посто нного тока на электродах
микронасоса, выполненного в соответствии с Фиг.1. Длина многоканальной структуры
(отрезка поликапилл рного 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 перекачивани жидкости. Это св зано с тем, что при увеличении концентрации солей увеличиваетс дол переноса электрического тока ионами, не участвующими в образовании двойного
электрического сло , вл ющегос причиной перекачивани 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 зар ды всех слоев имеют знаки,
противоположные показанным на Фиг.9. Этот случай возможен, например, при контакте
воды или водных растворов, с поверхност ми 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 бипол рной
мембране 312 и катодному электроду 318. Особенностью функционировани этого
микронасоса вл етс возможность поддержани высоких скоростей перекачивани жидкости в виде концентрированных растворов солей, а также предотвращение разр да
иных катионов или анионов, кроме гидроксони и гидроксила, на электродах.
Это позвол ет избежать изменени рН среды в анодной и/или катодной секци х, а
именно в камерах 313 и 314 дл перекачиваемой жидкости.
Особенностью электрокинетического микронасоса, выполненного в соответствии с Фиг.4,
вл етс то, что в процессе его работы не образуютс газообразные продукты. Анодна 403 и катодна 404 секции герметичны, и камеры 415, 416, заполн емые вспомогательной
Страница: 16
RU 2 300 024 C2
5
10
15
20
25
30
35
40
45
50
средой дл переноса электрических зар дов, содержат в качестве такой среды раствор
или суспензию либо пасту смеси веществ, содержащих, по крайней мере, один и тот же
химический элемент в разных степен х окислени . Например, в качестве вспомогательной
среды дл переноса электрических зар дов может быть использована смесь растворимых
солей железа в степен х окислени (II), (III). В частности, при использовании смеси
сульфатов Fe(II) и Fe(III) на электродах не успевают выдел тьс кислород и водород.
При меньших абсолютных значени х электрохимических потенциалов имеют место
следующие электрохимические процессы окислени и восстановлени :
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
перекачивани жидкости, вл етс обогащение вспомогательной среды дл переноса
электрических зар дов в катодной секции соединением двухвалентного железа, а в
анодной секции - соединением трехвалентного железа.
В качестве вспомогательной среды дл переноса электрических зар дов может быть
также использована, например, суспензи смеси соединений марганца в степен х
окислени (IV), (VI) и (VII). В частности, при использовании смеси перманганата
кали , манганата кали и диоксида марганца на электродах имеют место следующие
электрохимические процессы окислени и восстановлени :
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
перекачивани жидкости, вл етс обогащение вспомогательной среды дл переноса
электрических зар дов в камере 416 катодной секции соединени ми марганца в степен х
окислени IV и VI, а в камере 415 анодной секции - соединением марганца в степени
окислени VII.
При всех вариантах функционировани микронасоса, показанного на Фиг.4,
баромембраны 429, 430 предотвращают загр знение ионообменных мембран 411, 412
компонентами вспомогательной среды дл переноса электрических зар дов.
По истечении определенного времени, соответствующего одному циклу работы
микронасоса, а именно после исчерпани соединений марганца в восстановленной форме
(в степен х окислени IV и VI) в анодной секции, и одновременного эквивалентного
исчерпани соединений марганца в окисленной форме в (степени окислени VII) в
катодной секции, микронасос перестает функционировать.
Дл восстановлени его работоспособности достаточно помен ть местами камеры
анодной и катодной секций, заполненные вспомогательной средой дл переноса
электрических зар дов. Дл того чтобы така перестановка была возможна, анодна и
катодна электродные секции выполн ютс разъемными с возможностью отделени камер,
заполн емых вспомогательной жидкостью дл переноса электрических зар дов.
Длительность одного цикла работы (между двум перестановками камер дл вспомогательной среды) определ етс количеством активных компонентов
вспомогательной среды дл переноса электрических зар дов (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 дл протекани перекачиваемой жидкости и камере 1116 дл вспомогательной среды,
выполнены с резьбовым соединением 1137. Дл обеспечени герметичности это
Страница: 17
RU 2 300 024 C2
5
10
15
20
25
30
35
40
45
50
соединение может быть снабжено подход щим уплотнением (не показано). Разделение
частей катодной секции может быть осуществлено простым отвинчиванием правой по
Фиг.11 части 1136 этой секции, содержащей камеру 1116 дл вспомогательной среды и
катодный электрод 1118. При этом бипол рна мембрана 1112 и баромембрана 1130
остаютс в левой по Фиг.11 части 1135 катодной секции, содержащей камеру 1114 дл протекани перекачиваемой жидкости. Аналогичны устройство и смысл обозначений 1138,
1139 частей анодной секции и резьбового соединени 1140. Анионитна мембрана 1111 и
баромембрана 1129 при разделении анодной секции остаютс в ее правой по Фиг.11 части
1138, содержащей камеру 1113 дл протекани перекачиваемой жидкости. Благодар этому при перестановке камер 1115, 1116 со вспомогательной средой после разделени частей 1138, 1139 и 1135, 1136 ионообменные мембраны 1111, 1112 местами не мен ютс .
Остаютс на своих прежних местах и баромембраны 1129, 1130.
Кроме уже перечисленных, на Фиг.11 использованы следующие обозначени :
1105, 1106 - торцы анодной и катодной секций;
1110 - многоканальна структура в виде отрезка поликапилл рного столбика;
1117 - анодный электрод;
1119, 1120- штуцеры (соответственно, входной и выходной);
1121, 1122 - каналы штуцеров соответственно дл входа и выхода перекачиваемой
жидкости;
1141, 1142 - соответственно, входной и выходной торцы многоканальной структуры
(отрезка поликапилл рного столбика).
Стадии процесса перестановки камер дл вспомогательной среды схематически
показаны на Фиг.12, где использованы следующие обозначени :
1210 - многоканальна структура в виде отрезка поликапилл рного столбика;
1217, 1218 - электроды, вл ющиес до перестановки камер соответственно анодным и
катодным, а после перестановки - катодным и анодным;
1235, 1236 - две части катодной (до перестановки камер) секции, перва из которых
содержит камеру дл протекани перекачиваемой жидкости, а втора - камеру со
вспомогательной средой дл переноса электрических зар дов;
1238, 1239 - две части анодной (до перестановки камер) секции, перва из которых
содержит камеру дл протекани перекачиваемой жидкости, а втора - камеру со
вспомогательной средой дл переноса электрических зар дов.
Подлежащие перестановке части 1236 и 1239 катодной и анодной камер имеют на
Фиг.12 разную штриховку.
Стадии (1)-(7) процесса перестановки заключаютс в следующем:
(1) - микронасос установлен в вертикальное положение, отсоединен от внешнего
источника электрического тока и (необ зательно при наличии гибких соединительных
шлангов достаточной длины) от источника и потребител перекачиваемой жидкости;
(2) - отделена, как показано пр мыми стрелками, нижн по чертежу часть 1236,
содержаща 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 наход тс части 1238 и 1239;
(4) - отделена, как показано пр мыми стрелками, нижн по чертежу часть 1239,
содержаща 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, содержаща 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 находитс сверху; пр мыми стрелками показано, что часть 1239 может быть
соединена с частью 1235 (см. следующую стадию);
Страница: 18
RU 2 300 024 C2
5
10
15
20
25
30
35
40
45
50
(7) - часть 1239, содержаща камеру со вспомогательной средой и электрод 1217,
соединена с частью 1235, т.е. установлена на место части 1236.
Таким образом, в результате осуществлени действий, составл ющих описанные
стадии, части 1236 и 1239, кажда из которых содержит камеру со вспомогательной
средой и электрод, помен лись 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 дл 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 помен лись 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 бипол рной
мембране 512. Особенностью функционировани этого микронасоса вл етс возможность
поддержани высоких скоростей перекачивани жидкости в виде концентрированных
растворов солей.
Электрокинетический микронасос, выполненный в соответствии с Фиг.6. имеет
следующие особенности функционировани . Вместо образовани газообразных продуктов
происходит растворение материала анодного электрода 617 с образованием иона металла,
взаимодействующего с катионитом в водородной форме, загруженным в герметичную
камеру 615 дл вспомогательной среды. Одновременно имеет место переход иона
металла из катионита, загруженного в герметичную камеру 616 дл 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 дл вспомогательной среды анодной секции 603 загружен катионит в водородной форме, а в
камеру 616 дл 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 дл вспомогательной среды;
3) растворение медного анодного электрода 617 под действием анодного потенциала в
соответствии с полуреакцией: Cu?Cu 2++2е;
4) взаимодействие полученных ионов меди с катионитом в Н-форме и образование
медной формы катионита по реакции: Cu 2++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
бипол рной мембраны 612 и их перенос от катодной секции в направлении к анодному
электроду 617;
8) реакци нейтрализации между протонами, выносимыми из многоканальной структуры
610, и ионами гидроксила, вырабатываемыми бипол рной мембраной 612, по реакции:
Н ++ОН -=Н2O;
9) вырабатывание эквивалентного количества Н +-ионов катионитной стороной
бипол рной мембраны 612 и их перенос к катоду 618 через слой катионита в Н-форме,
Страница: 19
RU 2 300 024 C2
5
10
15
20
25
30
35
40
45
50
наход щийс в камере 614 дл вспомогательной среды;
10) взаимодействие ионов водорода с катионитом в медной форме в соответствии с
реакцией: R2-Cu+2H +=Cu 2++2R-H;
11) разр д ионов меди и осаждение их на катодном электроде 618 в соответствии с
полуреакцией: Cu 2++2е?Cu.
Таким образом, в процессе работы электрокинетического микронасоса, показанного на
Фиг.6, результирующими эффектами вл ютс 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 сло ми 631 и 632 катионита в
камере 615 дойдет до анионообменной мембраны 611, микронасос перестает
функционировать. Дл восстановлени работоспособности микронасоса камеры дл вспомогательной среды анодной и катодной секций нужно помен ть местами, аналогично
тому, как было описано выше и проиллюстрировано Фиг.11 и Фиг.12. Длительность одного
цикла работы (между двум перестановками камер) определ етс количеством катионита,
загруженного в камеры дл вспомогательной среды анодной и катодной секций.
В этом и во всех приведенных выше случа х ход процессов после перестановки камер
полностью аналогичен ходу процессов предшествовавшего цикла.
На Фиг.13 показана зависимость скорости перекачивани дистиллированной воды от
напр жени посто нного тока на электродах микронасоса, выполненного в соответствии с
Фиг.6. Длина многоканальной структуры (поликапилл рного столбика) - 30 мм, внешний
диаметр - 9,6 мм, диаметр единичного канала - 10 мкм, число каналов - 360000. Как
видно, удаетс достичь минимальных регулируемых скоростей перекачивани пор дка 10
мкл/мин.
Электрокинетический микронасос, показанный на Фиг.7, функционирует аналогично
описанному выше микронасосу по Фиг.6. Особенность состоит только в том, что
достигаютс более высокие скорости перекачивани концентрированных растворов и
предотвращаетс попадание иных компонентов раствора, помимо ионов гидроксони и
гидроксила, на ионообменные мембраны 711, 712. Это происходит благодар тому, что
возле ионообменных мембран с той стороны, которой они обращены к соответствующим
торцам 741, 742 отрезка поликапилл рного столбика 710, расположены баромембраны 727,
728 дл нанофильтрации или обратного осмоса.
В предлагаемом электрическом микронасосе во всех описанных выше частных случа х
его выполнени , иллюстрируемых Фиг.1 - Фиг.8, не вл етс об зательным использование
электродов первого рода. Возможно также использование электродов второго рода. На
Фиг.14 показан пример выполнени микронасоса, аналогичного микронасосу по Фиг.6, но
имеющего хлорсеребр ные анодный 1417 и катодный 1418 электроды и бескорпусное
выполнение, аналогичное микронасосу, показанному на Фиг.8.
Камера 1415 дл вспомогательной среды анодной секции 1403 заполнена
гранулированным ионообменным материалом, которым вл етс катионит, а камера 1416
катодной секции 1404 - ионообменным материалом, которым вл етс анионит.
На Фиг.14, кроме названных выше, использованы также следующие обозначени :
1405, 1406 - торцы анодной и катодной секций;
1410 - многоканальна структура в виде отрезка поликапилл рного столбика;
1411 и 1412 - соответственно, анионитна и бипол рна ионообменные мембраны;
1413, 1414 - камеры дл протекани перекачиваемой жидкости;
1419, 1420 - штуцеры (соответственно, входной и выходной);
1421, 1422 - каналы штуцеров соответственно дл входа и выхода перекачиваемой
жидкости;
1441, 1442 - соответственно, входной и выходной торцы многоканальной структуры
(отрезка поликапилл рного столбика).
При работе этого микронасоса происход т следующие процессы:
Страница: 20
RU 2 300 024 C2
5
10
15
20
25
30
35
40
45
50
1) образование ионов серебра на анодном электроде 1417: Ag-e?Ag +;
2) выход ионов серебра из хлорсеребр ного 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, образующихс 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
бипол рной мембраны 1412;
7) реакци нейтрализации между протонами, выносимыми из многоканальной структуры
1410, и ионами гидроксила, вырабатываемыми бипол рной мембраной 1412 по реакции:
Н2О=Н ++ОН -;
8) вырабатывание эквивалентного количества Н + ионов катионитной стороной
бипол рной мембраны 1412;
9) образование ионов хлора на катодном электроде 1418:
AgCl+e=Ag 0+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 вл ютс :
- перекачивание жидкости;
- образование катионита в Ag +-форме;
- образование анионита в Cl --форме.
Как видно, процессы с использованием электродов второго рода не вл ютс симметричными. Поэтому после отработки ионитов нельз переставл ть местами камеры
дл 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 использовани электродов второго рода вл етс также меньша допустима плотность тока.
Как уже отмечалось, выполнение многоканальной структуры в виде отрезка
поликапилл рного столбика вл етс предпочтительным, но не об зательным. На Фиг.15 и
Фиг.17 показаны примеры микронасосов, в которых многоканальна структура имеет иное
выполнение.
В микронасосе по Фиг.15 многоканальна структура представл ет собой контейнер 1543
с проницаемыми дл перекачиваемой жидкости торцевыми поверхност ми 1541, 1542,
наполненный порошкообразным материалом 1544.
Выполнение контейнера дл порошкообразного материала показано на Фиг.16.
Контейнер представл ет 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 дл мембраны 1666), образуют торцы многоканальной структуры. На Фиг.15 им соответствуют
обозначени 1541, 1542. С помощью кольцевых прокладок 1664, 1665 из резины или
силикона обеспечиваетс герметичность контейнера после сборки. Полый цилиндр 1661 и
крышки 1662, 1663 контейнера выполнены из неэлектропроводного материала,
преимущественно, из пластика, например полипропилена, полиэтилена, плексигласа,
Страница: 21
RU 2 300 024 C2
5
10
15
20
25
30
35
40
45
50
тефлона, капролона или др.
В торцевых част х крышек 1662, 1663 контейнера равномерно просверлены отверсти 1668 диаметром 0,5-1 мм. Требуема 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
отверсти ми 5 мкм производства фирмы "Миллипор".
Порошкообразный материал, которым наполнен контейнер 1543 (Фиг.15), представл ет
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,
дава в ходе загрузки оседать осадку и слива при этом лишнюю жидкость;
- накрывают слой смоченного порошка второй микрофильтрационной мембраной и
плотно привинчивают вторую крышку.
В микронасосе по Фиг.17 многоканальна структура представл ет собой пористое тело
1745, полученное спеканием порошкообразного материала. В качестве такого материала
может быть использована силикатна , алюмосиликатна , фосфатна , титанатна керамика, а также керамика, содержаща смеси оксидов металлов.
Боковую поверхность пористого тела покрывают слоем полимеризующегос герметика,
преимущественно, на основе силикона.
В остальном микронасосы, показанные на Фиг.15 и Фиг.17, аналогичны микронасосу,
показанному на Фиг.6 (за исключением бескорпусного выполнени ; в этом отношении они
аналогичны микронасосу, показанному на Фиг.8).
На Фиг.15 и Фи??.17, кроме приведенных выше, использованы следующие обозначени :
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 бипол рные ионообменные
мембраны;
1513, 1514, 1713, 1714 - камеры дл протекани перекачиваемой жидкости;
1515, 1516, 1715, 1716 - камеры, заполн емые вспомогательной средой дл переноса
электрических зар дов;
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 дл входа и выхода
перекачиваемой жидкости;
1531, 1532, 1731, 1732 и 1533, 1534, 1535, 1733, 1734, 1735 - слои гранулированного
ионообменного материала в камерах, заполн емых вспомогательной средой дл переноса
электрических зар дов, соответственно в анодной и катодной секци х, аналогичные
соответствующим сло м, 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
случа х его выполнени внешний источник электрического тока, к которому подключают
анодный и катодный электроды, не об зательно должен быть источником посто нного тока.
Достаточно, чтобы это был унипол рный источник, например источник пульсирующего тока
после одно- или двухполупериодного выпр млени переменного тока. Это может быть
также источник посто нных по пол рности импульсов другой формы. Более того, приемлем
источник, напр жение на выходе которого не имеет посто нной пол рности. Важно лишь,
чтобы разность потенциалов между выходными полюсами источника имела посто нную
составл ющую (среднее по времени значение) определенного знака, в зависимости от
Страница: 22
RU 2 300 024 C2
5
10
15
20
25
30
35
40
45
50
которого осуществл ют выбор полюсов дл подключени к ним анодного и катодного
электродов.
Предлагаемый электрокинетический микронасос может быть использован дл создани микродозаторов непрерывного действи - миниатюрных устройств дл перекачивани жидкостей с контролируемой скоростью. Он может быть использован в химическом и
биологическом микроанализе, а также дл введени 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 Labon-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.
Формула изобретени 1. Электрокинетический микронасос, содержащий многоканальную структуру из
неэлектропроводного материала со сквозными микроканалами, входы и выходы которых
образуют входной и выходной торцы многоканальной структуры, к каждому из этих торцов
примыкает электродна секци , в одной из которых размещен анодный, а в другой катодный электроды, в каждой из указанных электродных секций между размещенным в
ней электродом и торцом многоканальной структуры установлено по одной ионообменной
мембране, отличающийс тем, что одна из ионообменных мембран вл етс монопол рной, а друга - бипол рной, причем тип монопол рной ионообменной мембраны
соответствует пол рности ближайшего к ней электрода, а бипол рна ионообменна мембрана обращена к ближайшему к ней электроду своей стороной, соответствующей
пол рности этого электрода, ионообменные мембраны раздел ют каждую из электродных
секций, в которых они установлены, на две камеры, при этом камеры, расположенные по
одну сторону каждой из ионообменных мембран, сообщаютс с торцом многоканальной
структуры и предназначены дл протекани перекачиваемой жидкости, одна из этих камер
имеет канал дл входа, а друга - дл выхода перекачиваемой жидкости, а камеры,
расположенные по другую сторону каждой из ионообменных мембран, содержат указанные
анодный и катодный электроды и предназначены дл заполнени вспомогательной средой
дл переноса электрических зар дов.
2. Микронасос по п.1, отличающийс тем, что анодный и катодный электроды вл ютс электродами первого рода.
3. Микронасос по п.1 или 2, отличающийс тем, что он дополнительно содержит
баромембраны дл нанофильтрации или обратного осмоса, расположенные по одну или по
обе стороны каждой из указанных бипол рной и монопол рной ионообменных мембран.
4. Микронасос по п.1 или 2, отличающийс тем, что многоканальна структура
выполнена в виде отрезка поликапилл рного столбика со сквозными капилл рами,
Страница: 23
CL
RU 2 300 024 C2
5
10
15
20
25
30
35
40
45
50
образующими множество параллельных каналов.
5. Микронасос по п.4, отличающийс тем, что он дополнительно содержит
баромембраны дл нанофильтрации или обратного осмоса, расположенные по одну или по
обе стороны каждой из указанных бипол рной и монопол рной ионообменных мембран.
6. Микронасос по п.1, отличающийс тем, что камера, предназначенна дл заполнени вспомогательной средой дл переноса электрических зар дов, содержит в качестве такой
среды жидкость, идентичную перекачиваемой жидкости.
7. Микронасос по п.1, отличающийс тем, что камера, предназначенна дл заполнени вспомогательной средой дл переноса электрических зар дов, содержит в качестве такой
среды раствор, суспензию или пасту смеси веществ, содержащих, по крайней мере, один и
тот же химический элемент в разных степен х окислени .
8. Микронасос по п.1, отличающийс тем, что камера, предназначенна дл заполнени вспомогательной средой дл переноса электрических зар дов, содержит в качестве такой
среды раствор, по крайней мере, одного электролита, содержащего элемент, вход щий в
состав материала расположенного в этой камере электрода.
9. Микронасос по п.1, отличающийс тем, что камера, предназначенна дл заполнени вспомогательной средой дл переноса электрических зар дов, содержит в качестве такой
среды гранулированный ионообменный материал.
10. Микронасос по п.2, отличающийс тем, что камера, предназначенна дл заполнени вспомогательной средой дл переноса электрических зар дов, содержит в качестве такой
среды жидкость, идентичную перекачиваемой жидкости.
11. Микронасос по п.2, отличающийс тем, что камера, предназначенна дл заполнени вспомогательной средой дл переноса электрических зар дов, содержит в качестве такой
среды раствор, суспензию или пасту смеси веществ, содержащих, по крайней мере, один и
тот же химический элемент в разных степен х окислени .
12. Микронасос по п.2, отличающийс тем, что камера, предназначенна дл заполнени вспомогательной средой дл переноса электрических зар дов, содержит в качестве такой
среды раствор, по крайней мере, одного электролита, содержащего элемент, вход щий в
состав материала расположенного в этой камере электрода.
13. Микронасос по п.2, отличающийс тем, что камера, предназначенна дл заполнени вспомогательной средой дл переноса электрических зар дов, содержит в качестве такой
среды гранулированный ионообменный материал.
14. Микронасос по п.3, отличающийс тем, что камера, предназначенна дл заполнени вспомогательной средой дл переноса электрических зар дов, содержит в качестве такой
среды жидкость, идентичную перекачиваемой жидкости.
15. Микронасос по п.3, отличающийс тем, что камера, предназначенна дл заполнени вспомогательной средой дл переноса электрических зар дов, содержит в качестве такой
среды раствор, суспензию или пасту смеси веществ, содержащих, по крайней мере, один и
тот же химический элемент в разных степен х окислени .
16. Микронасос по п.3, отличающийс тем, что камера, предназначенна дл заполнени вспомогательной средой дл переноса электрических зар дов, содержит в качестве такой
среды раствор, по крайней мере, одного электролита, содержащего элемент, вход щий в
состав материала расположенного в этой камере электрода.
17. Микронасос по п.3, отличающийс тем, что камера, предназначенна дл заполнени вспомогательной средой дл переноса электрических зар дов, содержит в качестве такой
среды гранулированный ионообменный материал.
18. Микронасос по п.4, отличающийс тем, что камера, предназначенна дл заполнени вспомогательной средой дл переноса электрических зар дов, содержит в качестве такой
среды жидкость, идентичную перекачиваемой жидкости.
19. Микронасос по п.4, отличающийс тем, что камера, предназначенна дл заполнени вспомогательной средой дл переноса электрических зар дов, содержит в качестве такой
среды раствор, суспензию или пасту смеси веществ, содержащих, по крайней мере, один и
тот же химический элемент в разных степен х окислени .
Страница: 24
RU 2 300 024 C2
5
10
15
20
25
30
35
20. Микронасос по п.4, отличающийс тем, что камера, предназначенна дл заполнени вспомогательной средой дл переноса электрических зар дов, содержит в качестве такой
среды раствор, по крайней мере, одного электролита, содержащего элемент, вход щий в
состав материала расположенного в этой камере электрода.
21. Микронасос по п.4, отличающийс тем, что камера, предназначенна дл заполнени вспомогательной средой дл переноса электрических зар дов, содержит в качестве такой
среды гранулированный ионообменный материал.
22. Микронасос по п.5, отличающийс тем, что камера, предназначенна дл заполнени вспомогательной средой дл переноса электрических зар дов, содержит в качестве такой
среды жидкость, идентичную перекачиваемой жидкости.
23. Микронасос по п.5, отличающийс тем, что камера, предназначенна дл заполнени вспомогательной средой дл переноса электрических зар дов, содержит в качестве такой
среды раствор, суспензию или пасту смеси веществ, содержащих, по крайней мере, один и
тот же химический элемент в разных степен х окислени .
24. Микронасос по п.5, отличающийс тем, что камера, предназначенна дл заполнени вспомогательной средой дл переноса электрических зар дов, содержит в качестве такой
среды раствор, по крайней мере, одного электролита, содержащего элемент, вход щий в
состав материала расположенного в этой камере электрода.
25. Микронасос по п.5, отличающийс тем, что камера, предназначенна дл заполнени вспомогательной средой дл переноса электрических зар дов, содержит в качестве такой
среды гранулированный ионообменный материал.
26. Микронасос по любому из пп.9, 13, 17, 21 и 25, отличающийс тем, что анодный
электрод выполнен из материала, раствор ющегос в указанной вспомогательной среде
под действием положительного электрического потенциала.
27. Микронасос по п.26, отличающийс тем, что катодный электрод выполнен из
материала, на котором осаждаютс компоненты указанной вспомогательной среды под
действием отрицательного электрического потенциала.
28. Микронасос по любому из пп.6-25, отличающийс тем, что анодный электрод
выполнен из материала, не раствор ющегос в указанной вспомогательной среде под
действием положительного электрического потенциала.
29. Микронасос по любому из пп.8, 9, 12, 13, 16, 17, 20, 21, 24 и 25, отличающийс тем, что катодный электрод выполнен из материала, на котором осаждаютс компоненты
указанной вспомогательной среды под действием отрицательного электрического
потенциала.
30. Микронасос по п.29, отличающийс тем, что анодный электрод выполнен из
материала, не раствор ющегос в указанной вспомогательной среде под действием
положительного электрического потенциала.
40
45
50
Страница: 25
RU 2 300 024 C2
Страница: 26
DR
RU 2 300 024 C2
Страница: 27
RU 2 300 024 C2
Страница: 28
RU 2 300 024 C2
Страница: 29
RU 2 300 024 C2
Страница: 30
RU 2 300 024 C2
Страница: 31
RU 2 300 024 C2
Страница: 32
RU 2 300 024 C2
Страница: 33
? сторону
анодного электрода 117;
2) перенос анионов через анионообменную мембрану 111;
3) разр д ОН --ионов на анодном электроде 117 с выделением газообразного кислорода;
4) перенос катионов (например, Н +) в камере 116 дл вспомогательной среды в сторону
катодного электрода 118;
5) вырабатывание эквивалентного количества ОН -ионов анионитной стороной
бипол рной мембраны 112 и их перенос в направлении к анодному электроду 117;
Страница: 15
RU 2 300 024 C2
5
10
15
20
25
30
35
40
45
50
6) реакци нейтрализации между протонами, выносимыми из многоканальной структуры
110 и ионами гидроксила, вырабатываемыми бипол рной мембраной 112:Н ++ОН -=H2O;
7) вырабатывание эквивалентного количества Н +-ионов катионитной стороной
бипол рной мембраны 112 и их перенос к катодному электроду 118;
8) разр д протонов на катодном электроде 118 с выделением газообразного водорода.
Таким образом, в процессе работы электрокинетического микронасоса, показанного на
Фиг.1, результирующими эффектами вл ютс 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 зар дов, в соответствии с законом Фараде .
Особенности работы такого устройства заключаютс в следующем:
- катодный и анодный электроды непосредственно не контактируют с перекачиваемой
жидкостью;
- содержание воды в водном растворе остаетс неизменным;
- пузырьки воздуха, возникающие при разр де на электродах, не могут попасть в
камеры дл протекани перекачиваемой жидкости, так как они изолированы мембранами.
Если бы электроды не были отделены анионообменной и бипол рной мембранами от
торцов 141, 142 многоканальной структуры, то имели бы место следующие эффекты:
образование пузырьков воздуха; блокирование ими перекачивани или нарушение
устойчивости режима перекачивани ; окисление или восстановление на электродах
компонентов, содержащихс в водном растворе; как следствие этого - подкисление или
подщелачивание перекачиваемого раствора.
На Фиг.10 показаны зависимости скорости перекачивани дистиллированной воды
(крива 1051), а также растворов хлорида натри различной концентрации (30 мг/л крива 1052 и 50 мг/л - крива 1053) от напр жени посто нного тока на электродах
микронасоса, выполненного в соответствии с Фиг.1. Длина многоканальной структуры
(отрезка поликапилл рного 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 перекачивани жидкости. Это св зано с тем, что при увеличении концентрации солей увеличиваетс дол переноса электрического тока ионами, не участвующими в образовании двойного
электрического сло , вл ющегос причиной перекачивани 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 зар ды всех слоев имеют знаки,
противоположные показанным на Фиг.9. Этот случай возможен, например, при контакте
воды или водных растворов, с поверхност ми 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 бипол рной
мембране 312 и катодному электроду 318. Особенностью функционировани этого
микронасоса вл етс возможность поддержани высоких скоростей перекачивани жидкости в виде концентрированных растворов солей, а также предотвращение разр да
иных катионов или анионов, кроме гидроксони и гидроксила, на электродах.
Это позвол ет избежать изменени рН среды в анодной и/или катодной секци х, а
именно в камерах 313 и 314 дл перекачиваемой жидкости.
Особенностью электрокинетического микронасоса, выполненного в соответствии с Фиг.4,
вл етс то, что в процессе его работы не образуютс газообразные продукты. Анодна 403 и катодна 404 секции герметичны, и камеры 415, 416, заполн емые вспомогательной
Страница: 16
RU 2 300 024 C2
5
10
15
20
25
30
35
40
45
50
средой дл переноса электрических зар дов, содержат в качестве такой среды раствор
или суспензию либо пасту смеси веществ, содержащих, по крайней мере, один и тот же
химический элемент в разных степен х окислени . Например, в качестве вспомогательной
среды дл переноса электрических зар дов может быть использована смесь растворимых
солей железа в степен х окислени (II), (III). В частности, при использовании смеси
сульфатов Fe(II) и Fe(III) на электродах не успевают выдел тьс кислород и водород.
При меньших абсолютных значени х электрохимических потенциалов имеют место
следующие электрохимические процессы окислени и восстановлени :
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
перекачивани жидкости, вл етс обогащение вспомогательной среды дл переноса
электрических зар дов в катодной секции соединением двухвалентного железа, а в
анодной секции - соединением трехвалентного железа.
В качестве вспомогательной среды дл переноса электрических зар дов может быть
также использована, например, суспензи смеси соединений марганца в степен х
окислени (IV), (VI) и (VII). В частности, при использовании смеси перманганата
кали , манганата кали и диоксида марганца на электродах имеют место следующие
электрохимические процессы окислени и восстановлени :
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
перекачивани жидкости, вл етс обогащение вспомогательной среды дл переноса
электрических зар дов в камере 416 катодной секции соединени ми марганца в степен х
окислени IV и VI, а в камере 415 анодной секции - соединением марганца в степени
окислени VII.
При всех вариантах функционировани микронасоса, показанного на Фиг.4,
баромембраны 429, 430 предотвращают загр знение ионообменных мембран 411, 412
компонентами вспомогательной среды дл переноса электрических зар дов.
По истечении определенного времени, соответствующего одному циклу работы
микронасоса, а именно после исчерпани соединений марганца в восстановленной форме
(в степен х окислени IV и VI) в анодной секции, и одновременного эквивалентного
исчерпани соединений марганца в окисленной форме в (степени окислени VII) в
катодной секции, микронасос перестает функционировать.
Дл восстановлени его работоспособности достаточно помен ть местами камеры
анодной и катодной секций, заполненные вспомогательной средой дл переноса
электрических зар дов. Дл того чтобы така перестановка была возможна, анодна и
катодна электродные секции выполн ютс разъемными с возможностью отделени камер,
заполн емых вспомогательной жидкостью дл переноса электрических зар дов.
Длительность одного цикла работы (между двум перестановками камер дл вспомогательной среды) определ етс количеством активных компонентов
вспомогательной среды дл переноса электрических зар дов (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 дл протекани перекачиваемой жидкости и камере 1116 дл вспомогательной среды,
выполнены с резьбовым соединением 1137. Дл обеспечени герметичности это
Страница: 17
RU 2 300 024 C2
5
10
15
20
25
30
35
40
45
50
соединение может быть снабжено подход щим уплотнением (не показано). Разделение
частей катодной секции может быть осуществлено простым отвинчиванием правой по
Фиг.11 части 1136 этой секции, содержащей камеру 1116 дл вспомогательной среды и
катодный электрод 1118. При этом бипол рна мембрана 1112 и баромембрана 1130
остаютс в левой по Фиг.11 части 1135 катодной секции, содержащей камеру 1114 дл протекани перекачиваемой жидкости. Аналогичны устройство и смысл обозначений 1138,
1139 частей анодной секции и резьбового соединени 1140. Анионитна мембрана 1111 и
баромембрана 1129 при разделении анодной секции остаютс в ее правой по Фиг.11 части
1138, содержащей камеру 1113 дл протекани перекачиваемой жидкости. Благодар этому при перестановке камер 1115, 1116 со вспомогательной средой после разделени частей 1138, 1139 и 1135, 1136 ионообменные мембраны 1111, 1112 местами не мен ютс .
Остаютс на своих прежних местах и баромембраны 1129, 1130.
Кроме уже перечисленных, на Фиг.11 использованы следующие обозначени :
1105, 1106 - торцы анодной и катодной секций;
1110 - многоканальна структура в виде отрезка поликапилл рного столбика;
1117 - анодный электрод;
1119, 1120- штуцеры (соответственно, входной и выходной);
1121, 1122 - каналы штуцеров соответственно дл входа и выхода перекачиваемой
жидкости;
1141, 1142 - соответственно, входной и выходной торцы многоканальной структуры
(отрезка поликапилл рного столбика).
Стадии процесса перестановки камер дл вспомогательной среды схематически
показаны на Фиг.12, где использованы следующие обозначени :
1210 - многоканальна структура в виде отрезка поликапилл рного столбика;
1217, 1218 - электроды, вл ющиес до перестановки камер соответственно анодным и
катодным, а после перестановки - катодным и анодным;
1235, 1236 - две части катодной (до перестановки камер) секции, перва из которых
содержит камеру дл протекани перекачиваемой жидкости, а втора - камеру со
вспомогательной средой дл переноса электрических зар дов;
1238, 1239 - две части анодной (до перестановки камер) секции, перва из которых
содержит камеру дл протекани перекачиваемой жидкости, а втора - камеру со
вспомогательной средой дл переноса электрических зар дов.
Подлежащие перестановке части 1236 и 1239 катодной и анодной камер имеют на
Фиг.12 разную штриховку.
Стадии (1)-(7) процесса перестановки заключаютс в следующем:
(1) - микронасос установлен в вертикальное положение, отсоединен от внешнего
источника электрического тока и (необ зательно при наличии гибких соединительных
шлангов достаточной длины) от источника и потребител перекачиваемой жидкости;
(2) - отделена, как показано пр мыми стрелками, нижн по чертежу часть 1236,
содержаща 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 наход тс части 1238 и 1239;
(4) - отделена, как показано пр мыми стрелками, нижн по чертежу часть 1239,
содержаща 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, содержаща 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 находитс сверху; пр мыми стрелками показано, что часть 1239 может быть
соединена с частью 1235 (см. следующую стадию);
Страница: 18
RU 2 300 024 C2
5
10
15
20
25
30
35
40
45
50
(7) - часть 1239, содержаща камеру со вспомогательной средой и электрод 1217,
соединена с частью 1235, т.е. установлена на место части 1236.
Таким образом, в результате осуществлени действий, составл ющих описанные
стадии, части 1236 и 1239, кажда из которых содержит камеру со вспомогательной
средой и электрод, помен лись 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 дл 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 помен лись 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 бипол рной
мембране 512. Особенностью функционировани этого микронасоса вл етс возможность
поддержани высоких скоростей перекачивани жидкости в виде концентрированных
растворов солей.
Электрокинетический микронасос, выполненный в соответствии с Фиг.6. имеет
следующие особенности функционировани . Вместо образовани газообразных продуктов
происходит растворение материала анодного электрода 617 с образованием иона металла,
взаимодействующего с катионитом в водородной форме, загруженным в герметичную
камеру 615 дл вспомогательной среды. Одновременно имеет место переход иона
металла из катионита, загруженного в герметичную камеру 616 дл 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 дл вспомогательной среды анодной секции 603 загружен катионит в водородной форме, а в
камеру 616 дл 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 дл вспомогательной среды;
3) растворение медного анодного электрода 617 под действием анодного потенциала в
соответствии с полуреакцией: Cu?Cu 2++2е;
4) взаимодействие полученных ионов меди с катионитом в Н-форме и образование
медной формы катионита по реакции: Cu 2++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
бипол рной мембраны 612 и их перенос от катодной секции в направлении к анодному
электроду 617;
8) реакци нейтрализации между протонами, выносимыми из многоканальной структуры
610, и ионами гидроксила, вырабатываемыми бипол рной мембраной 612, по реакции:
Н ++ОН -=Н2O;
9) вырабатывание эквивалентного количества Н +-ионов катионитной стороной
бипол рной мембраны 612 и их перенос к катоду 618 через слой катионита в Н-форме,
Страница: 19
RU 2 300 024 C2
5
10
15
20
25
30
35
40
45
50
наход щийс в камере 614 дл вспомогательной среды;
10) взаимодействие ионов водорода с катионитом в медной форме в соответствии с
реакцией: R2-Cu+2H +=Cu 2++2R-H;
11) разр д ионов меди и осаждение их на катодном электроде 618 в соответствии с
полуреакцией: Cu 2++2е?Cu.
Таким образом, в процессе работы электрокинетического микронасоса, показанного на
Фиг.6, результирующими эффектами вл ютс 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 сло ми 631 и 632 катионита в
камере 615 дойдет до анионообменной мембраны 611, микронасос перестает
функционировать. Дл восстановлени работоспособности микронасоса камеры дл вспомогательной среды анодной и катодной секций нужно помен ть местами, аналогично
тому, как было описано выше и проиллюстрировано Фиг.11 и Фиг.12. Длительность одного
цикла работы (между двум перестановками камер) определ етс количеством катионита,
загруженного в камеры дл вспомогательной среды анодной и катодной секций.
В этом и во всех приведенных выше случа х ход процессов после перестановки камер
полностью аналогичен ходу процессов предшествовавшего цикла.
На Фиг.13 показана зависимость скорости перекачивани дистиллированной воды от
напр жени посто нного тока на электродах микронасоса, выполненного в соответствии с
Фиг.6. Длина многоканальной структуры (поликапилл рного столбика) - 30 мм, внешний
диаметр - 9,6 мм, диаметр единичного канала - 10 мкм, число каналов - 360000. Как
видно, удаетс достичь минимальных регулируемых скоростей перекачивани пор дка 10
мкл/мин.
Электрокинетический микронасос, показанный на Фиг.7, функционирует аналогично
описанному выше микронасосу по Фиг.6. Особенность состоит только в том, что
достигаютс более высокие скорости перекачивани концентрированных растворов и
предотвращаетс попадание иных компонентов раствора, помимо ионов гидроксони и
гидроксила, на ионообменные мембраны 711, 712. Это происходит благодар тому, что
возле ионообменных мембран с той стороны, которой они обращены к соответствующим
торцам 741, 742 отрезка поликапилл рного столбика 710, расположены баромембраны 727,
728 дл нанофильтрации или обратного осмоса.
В предлагаемом электрическом микронасосе во всех описанных выше частных случа х
его выполнени , иллюстрируемых Фиг.1 - Фиг.8, не вл етс об зательным использование
электродов первого рода. Возможно также использование электродов второго рода. На
Фиг.14 показан пример выполнени микронасоса, аналогичного микронасосу по Фиг.6, но
имеющего хлорсеребр ные анодный 1417 и катодный 1418 электроды и бескорпусное
выполнение, аналогичное микронасосу, показанному на Фиг.8.
Камера 1415 дл вспомогательной среды анодной секции 1403 заполнена
гранулированным ионообменным материалом, которым вл етс катионит, а камера 1416
катодной секции 1404 - ионообменным материалом, которым вл етс анионит.
На Фиг.14, кроме названных выше, использованы также следующие обозначени :
1405, 1406 - торцы анодной и катодной секций;
1410 - многоканальна структура в виде отрезка поликапилл рного столбика;
1411 и 1412 - соответственно, анионитна и бипол рна ионообменные мембраны;
1413, 1414 - камеры дл протекани перекачиваемой жидкости;
1419, 1420 - штуцеры (соответственно, входной и выходной);
1421, 1422 - каналы штуцеров соответственно дл входа и выхода перекачиваемой
жидкости;
1441, 1442 - соответственно, входной и выходной торцы многоканальной структуры
(отрезка поликапилл рного столбика).
При работе этого микронасоса происход т следующие процессы:
Страница: 20
RU 2 300 024 C2
5
10
15
20
25
30
35
40
45
50
1) образование ионов серебра на анодном электроде 1417: Ag-e?Ag +;
2) выход ионов серебра из хлорсеребр ного 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, образующихс 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
бипол рной мембраны 1412;
7) реакци нейтрализации между протонами, выносимыми из многоканальной структуры
1410, и ионами гидроксила, вырабатываемыми бипол рной мембраной 1412 по реакции:
Н2О=Н ++ОН -;
8) вырабатывание эквивалентного количества Н + ионов катионитной стороной
бипол рной мембраны 1412;
9) образование ионов хлора на катодном электроде 1418:
AgCl+e=Ag 0+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 вл ютс :
- перекачивание жидкости;
- образование катионита в Ag +-форме;
- образование анионита в Cl --форме.
Как видно, процессы с использованием электродов второго рода не вл ютс симметричными. Поэтому после отработки ионитов нельз переставл ть местами камеры
дл 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 использовани электродов второго рода вл етс также меньша допустима плотность тока.
Как уже отмечалось, выполнение многоканальной структуры в виде отрезка
поликапилл рного столбика вл етс предпочтительным, но не об зательным. На Фиг.15 и
Фиг.17 показаны примеры микронасосов, в которых многоканальна структура имеет иное
выполнение.
В микронасосе по Фиг.15 многоканальна структура представл ет собой контейнер 1543
с проницаемыми дл перекачиваемой жидкости торцевыми поверхност ми 1541, 1542,
наполненный порошкообразным материалом 1544.
Выполнение контейнера дл порошкообразного материала показано на Фиг.16.
Контейнер представл ет 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 дл мембраны 1666), образуют торцы многоканальной структуры. На Фиг.15 им соответствуют
обозначени 1541, 1542. С помощью кольцевых прокладок 1664, 1665 из резины или
силикона обеспечиваетс герметичность контейнера после сборки. Полый цилиндр 1661 и
крышки 1662, 1663 контейнера выполнены из неэлектропроводного материала,
преимущественно, из пластика, например полипропилена, полиэтилена, плексигласа,
Страница: 21
RU 2 300 024 C2
5
10
15
20
25
30
35
40
45
50
тефлона, капролона или др.
В торцевых част х крышек 1662, 1663 контейнера равномерно просверлены отверсти 1668 диаметром 0,5-1 мм. Требуема 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
отверсти ми 5 мкм производства фирмы "Миллипор".
Порошкообразный материал, которым наполнен контейнер 1543 (Фиг.15), представл ет
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,
дава в ходе загрузки оседать осадку и слива при этом лишнюю жидкость;
- накрывают слой смоченного порошка второй микрофильтрационной мембраной и
плотно привинчивают вторую крышку.
В микронасосе по Фиг.17 многоканальна структура представл ет собой пористое тело
1745, полученное спеканием порошкообразного материала. В качестве такого материала
может быть использована силикатна , алюмосиликатна , фосфатна , титанатна керамика, а также керамика, содержаща смеси оксидов металлов.
Боковую поверхность пористого тела покрывают слоем полимеризующегос герметика,
преимущественно, на основе силикона.
В остальном микронасосы, показанные на Фиг.15 и Фиг.17, аналогичны микронасосу,
показанному на Фиг.6 (за исключением бескорпусного выполнени ; в этом отношении они
аналогичны микронасосу, показанному на Фиг.8).
На Фиг.15 и Фи?
Документ
Категория
Без категории
Просмотров
1
Размер файла
1 161 Кб
Теги
1/--страниц
Пожаловаться на содержимое документа