توصيفگر ها :
استخراج مايع- مايع , ميكروكانال , فروسيال , انتقال جرم , هيدروديناميك , ميدان مغناطيسي
چكيده فارسي :
استفاده از ميدانهاي مغناطيسي براي تقويت انتقال جرم حين جريان لخته اي مايع-مايع در ميكروكانالها يكي از روشهاي كارآمد در سيستمهاي ميكروسيالي است. اين روش پتانسيل قابل توجهي در زمينههايي همچون مهندسي شيمي، مهندسي پزشكي و شيمي تجزيه دارد. براي اثرگذاري موثر بر جريان دو فازي در ميكروكانال ها، از فروسيال با غلظت مشخص در يكي از فازها استفاده ميگردد. رفتار فروسيال نسبت به حضور ميدان مغناطيسي بسيار حساس بوده به نحوي كه فروسيال خالص، تغيير شكل هاي بسيار شديد در حضور ميدان مغناطيسي از خود نشان ميدهد. مرور مطالعات پيشين نشان دهنده اين امر است كه چگونگي تاثيرپذيري طول لخته ها، سطح بين فازي مخصوص، و در نهايت ضريب كلي انتقال جرم از پارامترهاي كليدي همچون محل و چگالي شار ميدان مغناطيسي نسبت به ميكروكانال، هنوز روشن نيست. در اين پژوهش، اثر پارامترهاي ذكر شده در دبي حجمي كل و نسبت دبي متفاوت از فازها بر روي هيدروديناميك و انتقال جرم در ميكروكانال مورد بررسي قرار گرفته است. براي اين منظور از يك ميكروكانال صليبي شكل شيشه اي با سطح مقطع مربعي به اندازه µm 400 استفاده گرديد. فاز آبي (پيوسته) محلول سديم هيدروكسيد M 005/0 و فاز آلي (پراكنده)، روغن معدني حاوي v/v 2%/0، v/v 5%/0 و v/v 8%/0 فروسيال به علاوه M 002/0 فنوليك اسيد (جزء منتقل شونده به فاز آبي) بود. براي ايجاد ميدان مغناطيسي از آهنرباي نئوديميومي در فواصل مختلف از ميكروكانال و در يك سمت ميكروكانال (آرايش يكنواخت) يا دو سمت ميكروكانال (آرايش غيريكنواخت) استفاده گرديد. در مجموع 264 آزمايش انجام گرديده است. نتايج نشان مي دهد افزايش غلظت فروسيال در فاز آلي در غياب ميدان مغناطيسي، منجر به كاهش طول لختههاي هر دو فاز شده است. ولي با اعمال ميدان مغناطيسي، افزايش در طول لختههاي آبي و آلي نسبت به سيستم بدون حضور فروسيال، مشاهده گرديد. افزايش طول لختههاي هر دو فاز به نحوي بوده كه سطح بين فازي مخصوص تغيير ناچيزي از خود نشان داد. با اعمال ميدان مغناطيسي در حضور فروسيال، ضريب كلي انتقال جرم نسبت به حالت بدون ميدان مغناطيسي، بهبود داشته است كه بيشترين بهبود در غلظت %5/0 فروسيال مشاهده گرديد. به نحوي كه ضريب كلي انتقال جرم در اين غلظت به طور متوسط %61 بهبود يافته است. اثر بهبود دهنده ضريب كلي انتقال جرم ناشي از ميدان مغناطيسي در دبي هاي بالاتر جريان، خفيف تر شده است. از طرفي، با مقايسه نتايج حاصل از اعمال ميدان مغناطيسي با آرايش يكنواخت و غير يكنواخت مشخص گرديد كه به طور متوسط براي نسبت دبي فاز آبي به آلي برابر با 5/0، 1 و 2، ميدان مغناطيسي غير يكنواخت توانسته ضريب كلي-حجمي انتقال جرم را به ترتيب 22، 84/24 و 95/41 درصد بيش از ميدان مغناطيسي يكنواخت بهبود بخشد. به طور كلي، نتايج پژوهش حاضر نشان ميدهد ميزان اثرگذاري ميدان مغناطيسي بر هيدروديناميك و انتقال جرم ميكروكانال ها به طور قابل توجه متاثر از غلظت فروسيال، دبي جريان، نسبت دبي فازها، و آرايش اعمال ميدان مغناطيسي است. لذا نتايج اين مطالعه ميتواند در فهم اين نوع تجهيزات و رسيدن به يك طراحي مناسب و بهينه براي آن ها ياريگر باشد.
چكيده انگليسي :
The use of magnetic fields to enhance mass transfer during liquid-liquid slug flow in microchannels is an efficient approach within microfluidic systems. This method shows significant potential in fields such as chemical engineering, biomedical engineering, and analytical chemistry. To effectively influence two-phase flow in microchannels, ferrofluid with specific concentrations is introduced into one of the phases. Ferrofluids are highly responsive to magnetic fields, exhibiting significant deformation in their pure form under magnetic influence. A review of previous studies indicates that the impact of magnetic field parameters, such as location and magnetic flux density relative to the microchannel, on key factors like slug length, specific interfacial area, and overall mass transfer coefficient remains unclear. In this study, the effects of these parameters at different total volumetric flow rates and phase flow rate ratios on hydrodynamics and mass transfer in microchannels were investigated. A glass cross-shaped microchannel with a square cross-section measuring 400 µm was used. The aqueous phase (continuous) consisted of a 0.005 M sodium hydroxide solution, and the organic phase (dispersed) was mineral oil containing 0.2% v/v, 0.5% v/v, and 0.8% v/v ferrofluid, along with 0.002 M phenolic acid (the transferring component to the aqueous phase). Neodymium magnets were employed to create magnetic fields at varying distances from the microchannel, either on one side (uniform configuration) or both sides (non-uniform configuration). A total of 264 experiments were conducted. The results showed that increasing ferrofluid concentration in the organic phase, in the absence of a magnetic field, led to reduced slug lengths for both phases. However, applying magnetic fields resulted in an increase in the slug lengths of both the aqueous and organic phases compared to systems without ferrofluid. Despite these changes, the specific interfacial area exhibited minimal variation. With the application of magnetic fields in the presence of ferrofluid, the overall mass transfer coefficient improved compared to the case without magnetic fields, with the highest improvement observed at 0.5% ferrofluid concentration, achieving an average enhancement of 61%. The positive effect of magnetic fields on the mass transfer coefficient diminished at higher flow rates. Furthermore, a comparison of uniform and non-uniform magnetic field configurations showed that for aqueous-to-organic phase flow rate ratios of 0.5, 1, and 2, the non-uniform magnetic field improved the overall volumetric mass transfer coefficient by 22%, 24.84%, and 41.95%, respectively, compared to the uniform field. Overall, the findings of this study demonstrate that the effectiveness of magnetic fields on microchannel hydrodynamics and mass transfer is significantly influenced by ferrofluid concentration, flow rate, phase flow rate ratio, and magnetic field configuration. These results provide valuable insights into optimizing the design and performance of such systems.