张 煜 李天富 罗 康 吴 健 易红亮,2)

* (哈尔滨工业大学能源科学与工程学院,空天热物理工信部重点实验室,哈尔滨 150001)

†(季华实验室,广东佛山 528000)

引言

近几十年来,随着微机电加工技术的迅速发展,基于电流体动力学进行流动控制逐渐成为微尺度下介质操控的一种重要方式.当介电液体与离子选择性材料(例如纳米通道、离子交换膜等)相接触,在外加电压的作用下,会产生离子浓差极化(ion concentration polarization,ICP)现象,且在较高电压下还会产生复杂的对流现象,即所谓的第二类电渗流或离子交换表面的电对流.这一类问题在海水淡化、离子浓度富集、燃料电池等诸多领域具有广泛的应用前景[1-4].

向带有离子交换表面的电解质溶液施加电压,通过交换表面的电流会呈现出复杂的非线性变化过程.图1 给出了典型离子交换膜系统的电流-电压特性示意图.随着垂直施加在流体与离子交换膜表面的电压逐渐增大,通过电解质溶液的电流会经历三个阶段: 欧姆区(Ohmic regime),电流先随着电压的增大而明显增大;饱和区(limiting regime),电流不随电压发生明显变化;过饱和区(over-limiting)[5]电压继续增大,电流随电压再一次出现增大的趋势.

这些特性与系统内离子输运机制随电压的变化有关[6].在离子交换膜表面施加电压,异号离子被表面吸收,同号离子因电场力排斥远离表面,形成双电层(electric double layer,EDL),如图2 中曲线I1.随着外加电压增大,电场对同性离子的排斥增强,双电层外的离子浓度降低并形成浓差极化区.极化……