Steady electrodiffusion in hydrogel-colloid composites: macroscale properties from microscale electrokinetics
A rigorous microscale electrokinetic model for hydrogel-colloid composites is adopted to compute macroscale profiles of electrolyte concentration, electrostatic potential, and hydrostatic pressure across membranes that separate electrolytes with different concentrations. The membranes are uncharged...
| Main Author: | |
|---|---|
| Format: | Article |
| Language: | English |
| Published: |
Academia Brasileira de Ciências
2010-03-01
|
| Series: | Anais da Academia Brasileira de Ciências |
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| author | Reghan J. Hill |
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| collection | DOAJ |
| description | A rigorous microscale electrokinetic model for hydrogel-colloid composites is adopted to compute macroscale profiles of electrolyte concentration, electrostatic potential, and hydrostatic pressure across membranes that separate electrolytes with different concentrations. The membranes are uncharged polymeric hydrogels in which charged spherical colloidal particles are immobilized and randomly dispersed with a low solid volume fraction. Bulk membrane characteristics and performance are calculated from a continuum microscale electrokinetic model (Hill 2006b, c). The computations undertaken in this paper quantify the streaming and membrane potentials. For the membrane potential, increasing the volume fraction of negatively charged inclusions decreases the differential electrostatic potential across the membrane under conditions where there is zero convective flow and zero electrical current. With low electrolyte concentration and highly charged nanoparticles, the membrane potential is very sensitive to the particle volume fraction. Accordingly, the membrane potential - and changes brought about by the inclusion size, charge and concentration - could be a useful experimental diagnostic to complement more recent applications of the microscale electrokinetic model for electrical microrheology and electroacoustics (Hill and Ostoja-Starzewski 2008, Wang and Hill 2008).<br>Um modelo eletrocinético rigoroso para compósitos formados por um hidrogel e um colóide é adotado para computar os perfis macroscópicos de concentração eletrolítica, potencial eletrostático e pressão hidrostática através de uma membrana que separa soluções com diferentes concentrações eletrolíticas. A membrana é composta por um hidrogel polimérico sem carga elétrica onde partículas esféricas são imobilizadas e dispersas aleatoriamente com baixa fração de volume do sólido. As características da membrana e a sua performance são calculadas a partir de um modelo eletrocinético de contínuo microscópico (Hill 2006b, c). As computações realizadas neste artigo quantificam os potenciais de corrente e de membrana. Para o potencial de membrana, aumentando a fração de volume das inclusões carregadas negativamente diminui o diferencial do potencial eletrostático através da membrana sob condições de fluxo convectivo e corrente elétrica nulos. Para concentrações eletrolíticas baixas o potencial de membrana torna-se muito sensível à fração de volume das partículas. De maneira similar, o potencial de membrana e as cargas elétricas trazidos pelo tamanho da inclusão, carga e concentração podem prover um diagnóstico experimental útil para complementar aplicações mais recentes do modelo eletrocinético microscópico em eletroacústica e eletro-micro-reologia (Hill and Ostoja-Starzewski 2008, Wang and Hill 2008). |
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