應用微粒子影像測速系統(Micro-PIV)於震盪電滲流誘發微管中溶質分離之研究

Applications of Micro-PIV to Study the Separation of Species in Microchannels by Oscillatory Electroosmotic Flows

張庭榮(HASH(0x1a864350))

指導教授 ： 劉通敏

國立清華大學/工學院/動力機械工程學系/碩士(2008年)

摘要

本文旨在探討利用無動件無噪音之震盪電滲流取代傳統動件壓差驅動誘發微管中溶質分離之可行性。相對於先前文獻之理論研究，本文採用微粒子影像測速技術(Micro-PIV)實驗量測微流管道(長5mm×寬300μm×深30μm)中震盪電滲流場，並搭配泰勒分散法(Taylor Dispersion)原理與數值計算獲得濃度場與分離效益。不同於先前實驗文獻僅探討管內質傳通量(Qx)與溶質分離之關聯，本文從速度場、濃度場與質傳變化逐步剖析各參數與溶質分離之關聯性，進行更深入的分析。變化無因次電雙層特徵厚度(λ*=14.2~448)、無因次震盪振幅(A*=1~10)、無因次震盪頻率(Wo=0~5)及無因次黏滯與質傳擴散係數比(亦即史密特數Sc=100~8000)以探討分離單一溶質與雙溶質下Qx的變化，所獲得之Qx與λ*、A*、Sc關係未見於先前文獻報導。單一溶質部分，本實驗所獲得之Qx與Wo變化關係與先前文獻解析解相符。雙溶質部分，以蔗糖為參考溶質，進行酒精及葡萄糖溶質之分離，發現Sc之比值越大時(如酒精與蔗糖)分離效果越佳。此外本文亦針對工作流體進行改良，使用氯化鉀溶液取代傳統的去離子水溶液進行酒精與蔗糖之分離，提升分離效益約3.5倍。最後比較使用電滲流與壓力驅動進行酒精與葡萄糖溶質分離之結果，發現在相同驅動能量下，使用壓力驅動來分離酒精的表現較佳，然而在葡萄糖的分離上，則以電滲流驅動較佳，提升分離效益約46.1%。因此在分離特定溶質時，可使用電滲流取代壓力驅動進行分離，同時並可藉由本文所獲得之控制參數(Wo、λ*、A*及Sc)與Qx變化關係，進一步探討如何提昇震盪電滲流誘發微管中溶質分離之效益。

關鍵字

震盪電滲流 ； 溶質分離 ； 微粒子影像測速系統

並列摘要

HASH(0x1a864ea0)

並列關鍵字

HASH(0x1a864c20) ； HASH(0x1a864cc0) ； HASH(0x1a864d60)

參考文獻

Alizadeh, A., Nietode Castro, C. A. & Wakeham, W. A. 1980 The theory of the Taylor Dispersion technique for liquid diffusivity measurements. Int. J. Thermophys. 1, 243-284.

Aris, R. 1956 On the Dispersion of a solute in a fluid flowing through a tube. Proc. R. Soc. A 235, 67-77.

Aris, R. 1960 On the Dispersion of a solute in pulsating flow through a tube. Proc. R. Soc. A 259, 370-376.

Arulanandam, S. & Li, D. 2000 Liquid transport in rectangular microchannels by electroosmotic pumping. Colloids Surf. A 161, 89-102.

Astarita, G., Savage, D. W. & Bisio, A. 1983 Gas treating with chemical solvents, New York: John Wiley & Sons.