विद्युत परासरण

विद्युत परासरण प्रवाह (या इलेक्ट्रो-ऑस्मोटिक प्रवाह, प्रायः संक्षिप्त EOF; विद्युत परासरण या इलेक्ट्रोएन्डोसमोसिस का पर्यायवाची) एक  सामग्री, केशिका नली, झिल्ली, माइक्रोचैनल, या किसी अन्य द्रव नाली में एक लागू क्षमता से प्रेरित तरल की गति है। क्योंकि विद्युत परासरण वेग नाली के आकार से स्वतंत्र होते हैं, जब तक कि विद्युत की दोहरी परत चैनल की विशेषता लंबाई के पैमाने से बहुत छोटी होती है, विद्युत परासरण प्रवाह का बहुत कम प्रभाव पड़ेगा। छोटे चैनलों में विद्युत परासरण प्रवाह सबसे महत्वपूर्ण होता है। विद्युत परासरण प्रवाह रासायनिक पृथक्करण तकनीकों में एक आवश्यक घटक है, यह विशेष रूप से केशिका वैद्युतकण संचलन में उपयोगी है। विद्युत परासरण प्रवाह प्राकृतिक बिना फ़िल्टर के जल के साथ-साथ उभय प्रतिरोधित विलयनों में भी हो सकता है।।

इतिहास

विद्युत परासरण प्रवाह की सूचना सबसे पहले 1807 में फर्डिनेंड फ्रेडरिक रीस (18 फरवरी 1778 (ट्यूबिंगन, जर्मनी) - 14 अप्रैल 1852 (स्टटगार्ट, जर्मनी)) द्वारा दी गई थी। मॉस्को की फिजिकल-मेडिकल सोसाइटी के समक्ष एक अप्रकाशित व्याख्यान में; रूस ने पहली बार 1809 में मास्को के इंपीरियल सोसाइटी ऑफ नेचुरलिस्ट्स के संस्मरण में इलेक्ट्रो-आसमाटिक प्रवाह का एक खाता प्रकाशित किया। उन्होंने दिखाया कि विद्युत वोल्टेज लगाकर मिट्टी के एक प्लग के माध्यम से पानी को प्रवाहित किया जा सकता है। मिट्टी सिलिका और अन्य खनिजों के सघन कणों से बनी होती है, और जल इन कणों के बीच की संकरी जगहों से वैसे ही बहता है जैसे यह एक संकीर्ण कांच की नली के माध्यम से बहता है। विद्युत् अपघट्य (एक तरल पदार्थ जिसमें घुले हुए आयन होते हैं) और एक रोधक ठोस का कोई भी संयोजन इलेक्ट्रो-ऑस्मोटिक प्रवाह उत्पन्न करेगा, यद्यपि जल/सिलिका के लिए प्रभाव विशेष रूप से विस्तृत है। फिर भी, प्रवाह की गति प्रायः केवल कुछ मिलीमीटर प्रति सेकंड होती है।

विद्युत परासरण की खोज 1814 में स्वतंत्र रूप से की गई थी

कारण

विद्युत परासरण प्रवाह एक विलयन में शुद्ध गतिशील विद्युत आवेश पर विद्युत क्षेत्र द्वारा प्रेरित कूलम्ब बल के कारण होता है। क्योंकि एक ठोस सतह और एक विद्युत् अपघट्य विलयन के बीच रासायनिक संतुलन पर प्रायः एक शुद्ध निश्चित विद्युत आवेश प्राप्त करने वाले अंतरापृष्ठ की ओर जाता है, गतिशील आयनों की एक परत, जिसे विद्युत द्वीपरत या डेबी परत के रूप में जाना जाता है, अंतरापृष्ठ के पास के क्षेत्र में बनती है। जब एक विद्युत क्षेत्र द्रव पर लागू होता है (प्रायः इनलेट् और आउटलेट् पर रखे इलेक्ट्रोड के माध्यम से), विद्युत दोहरी परत में शुद्ध आवेश परिणामी कूलम्ब बल द्वारा स्थानांतरित करने के लिए प्रेरित होता है। परिणामी प्रवाह को विद्युत परासरण प्रवाह कहा जाता है।

विवरण

वोल्टेज लगाने से परिणामी प्रवाह एक प्लग प्रवाह है। एक दबाव अंतर से उत्पन्न परवलयिक पार्श्व चित्र प्रवाह के विपरीत, एक प्लग प्रवाह का वेग पार्श्व चित्र लगभग समतलीय होता है, जिसमें विद्युत दोहरी परत के पास थोड़ी भिन्नता होती है। यह कम हानिकारक फैलाव प्रभाव प्रदान करता है और वाल्व के बिना नियंत्रित किया जा सकता है, द्रव पृथक्करण के लिए एक उच्च-प्रदर्शन विधि की पेशकश करता है, यद्यपि कई जटिल कारक इस नियंत्रण को कठिन साबित करते हैं।माइक्रोफ्लुइडिक चैनलों में प्रवाह को मापने और निगरानी करने में कठिनाइयों के कारण, मुख्य रूप से प्रवाह नमूने को बाधित करते हुए, अधिकांश विश्लेषण संख्यात्मक तरीकों और अनुकरण के माध्यम से किया जाता है। माइक्रोचैनल् के माध्यम से विद्युत परासरण प्रवाह को नवियर-स्टोक्स समीकरण के बाद विद्युत क्षेत्र और दबाव अंतर से उत्पन्न होने वाली चालन बल के साथ तैयार किया जा सकता है। इस प्रकार यह निरंतरता समीकरण द्वारा शासित है

$\nabla \cdot \mathbf {U} =0$

और गति

$\rho {\frac {D\mathbf {U} }{Dt}}=-\nabla p+\mu \nabla ^{2}\mathbf {U} +\rho _{e}\nabla \left(\psi +\phi \right),$

कहाँ U वेग वेक्टर है, ρ द्रव का घनत्व है, $D/Dt$ सामग्री व्युत्पन्न है, μ द्रव की चिपचिपाहट है, ρ_e विद्युत आवेश घनत्व है, ϕ लागू विद्युत क्षेत्र है, ψ दीवारों पर जीटा क्षमता के कारण विद्युत क्षेत्र है और p तरल दबाव है।

लाप्लास का समीकरण बाहरी विद्युत क्षेत्र का वर्णन कर सकता है

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

जबकि विद्युत दोहरी परत के भीतर की क्षमता किसके द्वारा नियंत्रित होती है

$\nabla ^{2}\psi ={\frac {-\rho _{e}}{\epsilon \epsilon _{0}}},$

कहाँ ε इलेक्ट्रोलाइट विलयन का ढांकता हुआ स्थिरांक है और ε₀ निर्वात पारगम्यता है।देब्ये -हुकल प्रमेय देब्ये -हकल सन्निकटन का उपयोग करके इस समीकरण को और सरल बनाया जा सकता है

$\nabla ^{2}\psi =k^{2}\psi ,$

कहाँ 1 / k डिबाई लंबाई है, जिसका उपयोग विद्युत् द्विपरत की विशिष्ट मोटाई का वर्णन करने के लिए किया जाता है। दोहरी परत के भीतर संभावित क्षेत्र के समीकरणों को इस रूप में जोड़ा जा सकता है

$\rho _{e}=-\epsilon \epsilon _{0}k^{2}\psi .$

अंतरिक्ष में आयनों के परिवहन को नर्नस्ट-प्लैंक समीकरण का उपयोग करके प्रतिरूपित किया जा सकता है:

${\partial c \over {\partial t}}=\nabla \cdot \left[D\nabla c-c{\bf {v}}+{Dze \over {k_{\text{B}}T}}c\left(\nabla \phi +{\partial {\bf {A}} \over {\partial t}}\right)\right]$

कहाँ $\ c$ आयन एकाग्रता है, ${\bf {A}}$ चुंबकीय वेक्टर क्षमता है, $D$ रासायनिक प्रजातियों का द्रव्यमान प्रसार है, $z$ आयनिक प्रजातियों की संयोजकता है, $e$ प्राथमिक शुल्क है, $k_{\text{B}}$ बोल्ट्जमैन स्थिरांक है, और $T$ ऊष्मागतिक तापमान है।

अनुप्रयोग

विद्युत परासरण प्रवाह का उपयोग प्रायः माइक्रोफ्लुइडिक उपकरणों में किया जाता है, मिट्टी विश्लेषण और प्रसंस्करण, और रासायनिक विश्लेषण, जिनमें से सभी नियमित रूप से अत्यधिक आवेशित सतहों वाले निकाय को सम्मिलित करते हैं, जो प्रायः ऑक्साइड होते हैं। एक उदाहरण केशिका वैद्युतकण संचलन है, जिसमें विद्युत क्षेत्र का उपयोग प्रायः सिलिका से बनी एक संकीर्ण केशिका में विद्युत क्षेत्र को लागू करके उनकी इलेक्ट्रोफोरेटिक गतिशीलता के अनुसार रसायनों को अलग करने के लिए किया जाता है। इलेक्ट्रोफोरेटिक अलगाव में, विद्युत परासरण प्रवाह एनालिटिक्स के क्षालन समय को प्रभावित करता है।

एक जंक्शन के माध्यम से द्रव प्रवाह को विद्युत् रूप से नियंत्रित करने के लिए फ्लोएफईटी में इलेक्ट्रो-आसमाटिक प्रवाह को क्रियान्वित किया जाता है।

यह अनुमान लगाया गया है कि विद्युत परासरण प्रवाह का उपयोग करने वाले सूक्ष्म द्रव उपकरणों के चिकित्सा अनुसंधान में अनुप्रयोग होंगे। एक बार जब इस प्रवाह को नियंत्रित करना बेहतर ढंग से समझा और लागू किया जाता है, तो परमाणु स्तर पर तरल पदार्थों को अलग करने की क्षमता औषधि निरावेश के लिए एक महत्वपूर्ण घटक होगा।सूक्ष्म पैमाने पर तरल पदार्थ मिलाना वर्तमान में परेशानी भरा है। ऐसा माना जाता है कि विद्युत रूप से तरल पदार्थ को नियंत्रित करता है।

विद्युत परासरण प्रणालियों का एक विवादास्पद उपयोग इमारतों की दीवारों में बढ़ती नमी का नियंत्रण है।जबकि यह सुझाव देने के लिए बहुत कम सबूत हैं कि ये प्रणालियाँ दीवारों में लवण को स्थानांतरित करने में उपयोगी हो सकती हैं, ऐसी प्रणालियों को बहुत मोटी दीवारों वाली संरचनाओं में विशेष रूप से प्रभावी होने का दावा किया जाता है। यद्यपि कुछ का दावा है कि उन प्रणालियों का कोई वैज्ञानिक आधार नहीं है, और उनकी विफलता के लिए कई उदाहरण देते हैं।विद्युत परासरण का उपयोग विद्युत क्षेत्रों के अतिरिक्त रासायनिक अभिक्रियाओं द्वारा संचालित स्व-पंपिंग छिद्रों के लिए भी किया जा सकता है। H2O2 का उपयोग करते हुए इस दृष्टिकोण का प्रदर्शन किया गया है और नर्नस्ट-प्लैंक-स्टोक्स समीकरणों के साथ इसकी रूपरेखा बनाई गई है।

भौतिकी

ईंधन कोशिकाओं में, इलेक्ट्रो-ऑस्मोसिस एक प्रोटॉन आदान प्रदान  झिल्ली (PEM) के माध्यम से जल के अणुओं को एक तरफ (एनोड) से दूसरे (कैथोड) तक खींचने के लिए प्रोटॉन का कारण बनता है।

संवहनी पौधे जीव विज्ञान

संवहनी संयंत्र जीव विज्ञान में,विद्युत परासरण का उपयोग फ्लोएम के माध्यम से ध्रुवीय तरल पदार्थों के संचलन के लिए एक वैकल्पिक या पूरक स्पष्टीकरण के रूप में किया जाता है जो द्रव्यमान प्रवाह परिकल्पना और अन्य, जैसे साइटोप्लाज्मिक स्ट्रीमिंग में आपूर्ति किए गए सामंजस्य-तनाव सिद्धांत से भिन्न होता है।साथी कोशिकाएं छलनी ट्यूबों से आयनों (K) के "चक्रीय" निकासी में सम्मिलित होती हैं, और उनके स्राव छलनी प्लेटों के बीच उनकी वापसी की स्थिति के समानांतर होते हैं, जिसके परिणामस्वरूप छलनी प्लेट तत्वों का ध्रुवीकरण होता है और ध्रुवीय जल के अणुओं और अन्य विलेय में परिणाम होता है जो ऊपर की ओर बढ़ते हैं।

2003 में, सेंट पीटर्सबर्ग विश्वविद्यालय के स्नातकों ने एक वर्षीय लिंडन शूट के साथ-साथ मक्के की पौध के मेसोकोटाइल के 10 मिमी खंडों में प्रत्यक्ष विद्युत प्रवाह लागू किया; ऊतकों में उपस्थित विद्युत्अपघट्य विलयन कैथोड की ओर चले गए जो कि अपनी जगह पर थे, यह सुझाव देते हुए कि विद्युत परासरण प्रवाहकीय पौधों के ऊतकों के माध्यम से विलयन परिवहन में भूमिका निभा सकता है।

नुकसान

विद्युत् अपघट्य में एक विद्युत क्षेत्र को बनाए रखने के लिए एनोड और कैथोड पर होने वाली फैराडिक अभिक्रियाओं की आवश्यकता होती है। यह प्रायः जल का विद्युत् अपघटन है, जो हाइड्रोजन पेरोक्साइड, हाइड्रोजन आयन (अम्ल) और हाइड्रॉक्साइड (क्षार) के साथ-साथ ऑक्सीजन और हाइड्रोजन गैस के बुलबुले उत्पन्न करता है। उत्पन्न हाइड्रोजन पेरोक्साइड और/या pH परिवर्तन जैविक कोशिकाओं और प्रोटीन जैसे जैव-अणुओं को प्रतिकूल रूप से प्रभावित कर सकते हैं, जबकि गैस के बुलबुले माइक्रोफ्लुइडिक प्रणाली को "रोक" देते हैं। विकल्प का प्रयोग कर इन समस्‍याओं को दूर किया जा सकता है।

यह भी देखें

• भूतल प्रभार
• केशिका वैद्युतकणसंचलन
• इलेक्ट्रिकल डबल लेयर
• स्ट्रीमिंग करंट
• प्रेरित-चार्ज इलेक्ट्रोकाइनेटिक्स
• स्ट्रीमिंग क्षमता
• ज़ीटा पोटेंशियल
• विद्युत परासरण पंप
• इलेक्ट्रिकल डबल लेयर
• माइक्रोफ्लुइडिक्स
• इलेक्ट्रोकैमिस्ट्री

अग्रिम पठन

• Bell, F.G. (2000). Engineering Properties of Soils and Rocks, 4th ed.
• Chang, H.C.; Yao, L. (2009). Electrokinetically Driven Microfluidics and Nanofluidics.
• Levich, V. (1962). Physicochemical Hydrodynamics. ISBN 978-0-903012-40-9.
• Probstein, R.F. (2003). Physicochemical Hydrodynamics: an introduction, 2nd ed.