डिफ्यूसियोफोरेसिस और डिफ्यूसियोस्मोसिस

डिफ्यूज़ियोफोरेसिस एक तरल पदार्थ में कोलाइड कणों या अणुओं की सहज गति है, जो एक अलग पदार्थ के सांद्रण प्रवणता से प्रेरित होती है।   दूसरे शब्दों में, यह एक प्रजाति की गति है, A, अन्य प्रजातियों में सांद्रता ढाल के जवाब में, B। समान्यता, A कोलाइडियल कण होते हैं जो जलीय घोल में होते हैं जिसमें B सोडियम क्लोराइड जैसे घुलित नमक होता है, और इसलिए A के कण B के आयनों से बहुत बड़े हैं। लेकिन A और B दोनों बहुलक अणु हो सकते हैं, और B एक छोटा अणु हो सकता है। उदाहरण के लिए, जल में इथेनॉल के घोल में सघनता प्रवणता 1 माइक्रोन व्यास वाले कोलाइडयन कणों को विसारक वेग से ले जाती है $${\bf v}_{dp}$$ 0.1 से 1 μm/s के क्रम में, आंदोलन कम इथेनॉल सांद्रता (और इसलिए उच्च जल की सांद्रता) वाले घोल के क्षेत्रों की ओर है। A और B दोनों प्रजातियाँ समान्यता फैलती हैं, लेकिन डिफ्यूज़ियोफोरेसिस सरल प्रसार से अलग है: सरल प्रसार में एक प्रजाति ए अपनी सांद्रता में एक ढाल नीचे चला जाता है।

विसारक(डिफ्यूसियोस्मोसिस), जिसे केशिका असमस भी कहा जाता है, एक निश्चित दीवार या सतह के सापेक्ष एक घोल का प्रवाह होता है, जहां प्रवाह घोल में एक सांद्रता ढाल द्वारा संचालित होता है। यह द्रव में द्रव - स्थैतिक दबाव में ढाल द्वारा संचालित सतह के सापेक्ष प्रवाह से अलग है। विसरण परासरण में द्रव - स्थैतिक दबाव एक समान होता है और प्रवाह एक सघनता प्रवणता के कारण होता है।

विसरण परासरण और डिफ्यूसियोफोरेसिस(प्रसार) अनिवार्य रूप से एक ही घटना है। वे सतह की सापेक्ष गति और विलयन में सांद्रण प्रवणता द्वारा संचालित विलयन दोनों हैं। इस गति को डिफ्यूसियोफोरेसिस(प्रसार) कहा जाता है जब इन कणों की सतह पर तरल पदार्थ की सापेक्ष गति के कारण घोल को कणों के साथ स्थिर माना जाता है। शब्द विसारक का उपयोग तब किया जाता है जब सतह को स्थिर के रूप में देखा जाता है, और घोल बहता है।

डिफ्यूसियोफोरेसिस(प्रसार) का एक अच्छी तरह से अध्ययन किया गया उदाहरण इलेक्ट्रोलाइट घोल के एक जलीय घोल में कोलाइड कणों की गति है, जहां इलेक्ट्रोलाइट की सांद्रता में ढाल कोलॉइडी कणों की गति का कारण बनता है। कोलॉइडी कण सौ नैनोमीटर या व्यास में बड़े हो सकते हैं, जबकि कोलॉइडी कण की सतह पर अंतरापृष्ठीय दोहरी परत क्षेत्र डेबी लंबाई चौड़ा होगा, और यह समान्यता केवल नैनोमीटर है। तो यहाँ, अंतरापृष्ठीय चौड़ाई कण के आकार की तुलना में बहुत छोटी है, और फिर छोटी प्रजातियों में ढाल कोलॉइडी कणों के डिफ्यूसियोफोरेटिक(विसारक) गति को बड़े पैमाने पर अंतरापृष्ठीय दोहरी परत में गति के माध्यम से चलाता है।

डिफ्यूज़ियोफोरेसिस का अध्ययन पहली बार 1947 में डेरजागिन और सहकर्मियों द्वारा किया गया था।

डिफ्यूसियोफोरेसिस(प्रसार) के अनुप्रयोग
डिफ्यूज़ियोफोरेसिस, परिभाषा के अनुसार, कोलॉइडी कणों को स्थानांतरित करता है, और इसलिए डिफ्यूज़ियोफोरेसिस के अनुप्रयोग उन स्थितियों में होते हैं जहाँ हम कोलॉइडी कणों को स्थानांतरित करना चाहते हैं। कोलॉइडी कण समान्यता 10 नैनोमीटर और कुछ माइक्रोमीटर के आकार के होते हैं। कोलाइड्स का प्रसार कुछ माइक्रोमीटर की लंबाई के पैमाने पर तेजी से होता है, और इसलिए डिफ्यूसियोफोरेसिस(प्रसार) उपयोगी नहीं होगा, जबकि मिलीमीटर से बड़े लंबाई के पैमाने पर, डिफ्यूसियोफोरेसिस(प्रसार) धीमा हो सकता हैक्योंकि इसकी गति विलेय सांद्रता प्रवणता के घटते आकार के साथ घट जाती है। इस प्रकार, समान्यता डिफ्यूसियोफोरेसिस(प्रसार) लंबाई के पैमाने पर लगभग एक माइक्रोमीटर से एक मिलीमीटर तक की सीमा में नियोजित होता है। अनुप्रयोगों में उस आकार के छिद्रों में या बाहर कणों को ले जाना सम्मलित है, और कोलाइडयन कणों के मिश्रण में मदद या बाधा।

इसके अलावा, ठोस सतहें जो धीरे-धीरे घुल रही हैं, उनके पास सांद्रण प्रवणताएं पैदा करेंगी, और ये प्रवणताएं कोलॉइडी कणों की गति को सतह की ओर या दूर ले जा सकती हैं। इसका अध्ययन प्रिव द्वारा लेटेक्स कणों की ओर खींचे जाने और घुलने वाली स्टील की सतह पर लेप के संदर्भ में किया गया था।

थर्मोफोरेसिस, बहुघटक प्रसार और मारांगोनी प्रभाव से संबंध
डिफ्यूसियोफोरेसिस(प्रसार) थर्मोफोरेसिस के लिए एक समान घटना है, जहां एक प्रजाति A तापमान ढाल के जवाब में चलती है। डिफ्यूसियोफोरेसिस(प्रसार) और थर्मोफोरेसिस दोनों ही ऑनसेजर पारस्परिक संबंधों द्वारा नियंत्रित होते हैं। सीधे शब्दों में, किसी भी थर्मोडायनामिक मात्रा में एक ढाल, जैसे कि किसी भी प्रजाति की सांद्रता, या तापमान, सभी थर्मोडायनामिक मात्राओं की गति को संचालित करेगा, अर्थात, सभी प्रजातियों की गति, और एक तापमान प्रवाह। प्रत्येक ढाल एक थर्मोडायनामिक बल प्रदान करता है जो मौजूद प्रजातियों को स्थानांतरित करता है, और ऑनसेजर पारस्परिक संबंध बलों और गतियों के बीच संबंधों को नियंत्रित करता है।

डिफ्यूसियोफोरेसिस बहुघटक प्रसार का एक विशेष कारक है।। बहुघटक विसरण मिश्रण में विसरण है, और विसरण एक विशेष कारक है जहां हम एक प्रजाति के संचलन में रुचि रखते हैं जो समान्यता एक कोलॉइडी कण होता है, जो कि बहुत छोटी प्रजातियों के ढाल में होता है, जैसे जल में घुलित नमक जैसे सोडियम क्लोराइड। या एक घुलनशील तरल, जैसे जल में इथेनॉल। इस प्रकार विसरण हमेशा एक मिश्रण में होता है, समान्यता जल, नमक और एक कोलॉइडी प्रजातियों के तीन-घटक मिश्रण, और हम नमक और कोलॉइडी कण के बीच पारस्परिक प्रभाव में रुचि रखते हैं।

यह कोलॉइडी कण के बीच आकार में बहुत बड़ा अंतर है, जो 1μm के पार हो सकता है, और आयनों या अणुओं का आकार, जो 1 nm से कम है, जो एक सपाट सतह पर डिफ्यूसियोसोमोसिस से निकटता से संबंधित है। दोनों ही कारको में गति को चलाने वाली ताकतें काफी हद तक अंतरापृष्ठीय क्षेत्र में स्थानीयकृत होती हैं, जो कि कुछ अणु होते हैं और समान्यता एक नैनोमीटर के पार होते हैं। एक नैनोमीटर क्रम की दूरी पर, 1 माइक्रोन के कोलॉइडी कण की सतह और एक सपाट सतह के बीच थोड़ा अंतर होता है।

डिफ्यूसियोस्मोसिस एक ठोस सतह पर द्रव का प्रवाह है, या दूसरे शब्दों में, एक ठोस/द्रव अंतरापृष्ठ पर प्रवाह होता है। मारांगोनी प्रभाव एक द्रव/द्रव अंतरफलक पर प्रवाहित होता है। तो दो घटनाएं इस अंतर के अनुरूप हैं कि विसरण में एक चरण एक ठोस है। विसरण परासरण और मारंगोनी प्रभाव दोनों अंतरापृष्ठीय मुक्त ऊर्जा में ढ़ाल द्वारा संचालित होते हैं, अर्थात, दोनों ही कारको में प्रेरित वेग शून्य होते हैं यदि अंतरापृष्ठीय मुक्त ऊर्जा स्पेस में एक समान हो, और दोनों ही कारको में अगर ढ़ाल हैं तो गति को साथ निर्देशित किया जाता है। अंतरापृष्ठीय मुक्त ऊर्जा बढ़ाने की दिशा।

विलयन के विसारक प्रवाह के लिए सिद्धांत
विसरण परासरण में, एक सतह के आराम के लिए सतह और घोल के बीच अंतरापृष्ठ की चौड़ाई पर, सतह पर शून्य से विसारक वेग तक वेग बढ़ जाता है। इस दूरी से परे, विसारक वेग सतह से दूरी के साथ भिन्न नहीं होता है। प्रसार के लिए प्रेरक बल थर्मोडायनामिक है, अर्थात, यह मुक्त ऊर्जा को कम करने के लिए कार्य करता है यदि प्रणाली, और इसलिए प्रवाह की दिशा कम सतह मुक्त ऊर्जा के सतह क्षेत्रों से दूर है, और उच्च सतह मुक्त ऊर्जा के क्षेत्रों की ओर है। एक विलेय के लिए जो सतह पर सोखता है, विसारक प्रवाह उच्च विलेय सांद्रता वाले क्षेत्रों से दूर होता है, जबकि विलेय के लिए जो सतह से पीछे हट जाता है, प्रवाह कम विलेय सांद्रता वाले क्षेत्रों से दूर होता है।ढ़ाल के लिए जो बहुत बड़े नहीं हैं, विसारक स्लिप(पर्ची) वेग, अर्थात, सतह से दूर सापेक्ष प्रवाह वेग, कंसंट्रेशन ढाल में ढाल के समानुपाती होगा

$${\bf v}_{slip}=-K\nabla c_{sol}$$

कहाँ $$K$$ एक विसारक गुणांक है, और $$c_{sol}$$ विलेय सांद्रता है। जब विलेय आदर्श होता है और सतह के साथ परस्पर क्रिया करता है $$xy$$ विमान पर $$z=0$$ एक संभावना के माध्यम से $$\phi_{solute}(z)$$, गुणांक $$K$$ द्वारा दिया गया है

$$K=\frac{kT}{\eta}\int_0^{\infty}z\left[\exp(-\phi_{solute}/kT)-1\right]{\rm d}z$$

कहाँ $$k$$ बोल्ट्जमैन स्थिरांक है | बोल्ट्जमैन स्थिरांक, $$T$$ पूर्ण तापमान है, और $$\eta$$ अंतरापृष्ठ क्षेत्र में चिपचिपाहट है, जिसे अंतरापृष्ठ में स्थिर माना जाता है। यह अभिव्यक्ति मानती है कि द्रव और दीवार के बीच बातचीत से, सतह के संपर्क में द्रव के लिए द्रव वेग शून्य होने के लिए मजबूर हो जाता है। इसे नो-स्लिप स्थिति कहा जाता है।

इन भावों को बेहतर ढंग से समझने के लिए, हम एक बहुत ही सरल मॉडल पर विचार कर सकते हैं, जहाँ सतह चौड़ाई के अंतरापृष्ठ से एक आदर्श विलेय को बाहर कर देती है। $$R$$, यह एक कठोर दीवार के विरुद्ध एक आदर्श बहुलक का अवक्षेपण असाकुरा-ओसावा मॉडल होगा। तब अभिन्न सरल है$$-(1/2)R^2$$ और विसारक स्लिप वेग

$${\bf v}_{slip}=\frac{kTR^2}{2\eta}\nabla c_{sol}$$

ध्यान दें कि स्लिप वेग विलेय सांद्रता बढ़ाने की दिशा में निर्देशित है।

से बहुत बड़ा कण $$R$$ एक विसारक वेग के साथ चलता है $${\bf v}_{dp}=-{\bf v}_{slip}$$ आसपास के घोल के सापेक्ष। तो इस कारक में डिफ्यूसियोफोरेसिस(प्रसार) कणों को कम विलेय सांद्रता की ओर ले जाता है।

स्टोक्स प्रवाह से विसारक वेग की व्युत्पत्ति

इस सरल मॉडल में, $${\bf v}_{slip}$$ द्रव प्रवाह के लिए अभिव्यक्ति से सीधे भी प्राप्त किया जा सकता है  एक असम्पीडित द्रव के लिए स्टोक्स प्रवाह में, जो है

$$\eta\nabla^2{\bf u}=\nabla p$$

के लिए $${\bf u}$$ द्रव प्रवाह वेग और $$p$$ दबाव। हम में एक अनंत सतह पर विचार करते हैं $$xy$$ विमान पर $$z=0$$, और वहाँ छड़ी सीमा की स्थिति लागू करें, अर्थात, $${\bf u}(x,y,z=0)=(0,0,0)$$. हम साथ होने के लिए सांद्रता ढाल लेते हैं $$x$$ अक्ष, अर्थात, $$\nabla c_{sol}=(\partial c_{sol}/\partial x,0,0)$$. फिर प्रवाह वेग का एकमात्र गैर-शून्य घटक $${\bf u}$$ एक्स के साथ है, $$u_x$$, और यह केवल ऊंचाई पर निर्भर करता है $$z$$. तो स्टोक्स के समीकरण का एकमात्र गैर-शून्य घटक है

$$\eta\frac{\partial ^2u_x(z)}{\partial z^2}=\frac{\partial p}{\partial x}$$

विसरण परासरण में, द्रव के थोक में (अर्थात, अंतरापृष्ठ के बाहर) द्रव - स्थैतिक दबाव को एक समान माना जाता है (जैसा कि हम उम्मीद करते हैं कि कोई भी ढाल द्रव प्रवाह से दूर हो जाएगा) और इसलिए थोक में

$$\mbox{In bulk:} p=\Pi+p_{solv}=\mbox{constant}$$

के लिए $$p_{solv}$$द्रव - स्थैतिक दबाव में विलायक का योगदान, और $$\Pi$$ विलेय का योगदान, परासरणी दबाव कहा जाता है। इस प्रकार थोक में ढाल पालन करते हैं

$$\mbox{In bulk:} 0=\frac{\partial \Pi}{\partial x}+\frac{\partial p_{solv}}{\partial x}$$

जैसा कि हमने मान लिया है कि विलेय आदर्श है, $$\Pi= kTc_{sol}$$, इसलिए

$$\mbox{In bulk:} \frac{\partial p_{solv}}{\partial x}=-kT\frac{\partial c_{sol}}{\partial x}$$

हमारे विलेय को चौड़ाई के क्षेत्र से बाहर रखा गया है $$R$$ (अंतरापृष्ठीय क्षेत्र) सतह से, और इसलिए अंतरापृष्ठ में $$\Pi=0$$, और इसलिए वहाँ $$p=p_{solv}$$. अंतरापृष्ठ में विलायक योगदान की निरंतरता को मानते हुए हमारे पास अंतरापृष्ठ में द्रव - स्थैतिक दबाव का एक ढाल है

$$\mbox{In interface:}\frac{\partial p }{\partial x}= \frac{\partial p_{solv}}{\partial x}=-kT\frac{\partial c_{sol}}{\partial x}$$ अर्थात, अंतरापृष्ठ में परासरणी दबाव में बल्क ढाल के नकारात्मक के बराबर द्रव - स्थैतिक दबाव का एक ढाल होता है। द्रव - स्थैतिक दबाव में अंतरापृष्ठ में यह ढाल है $$p$$ जो विसारक प्रवाह बनाता है। अब जबकि हमारे पास है $$\partial p/\partial x$$, हम स्टोक्स समीकरण में स्थानापन्न कर सकते हैं, और फिर दो बार एकीकृत कर सकते हैं, फिर

$$\mbox{In interface:}u_x(z)= -\frac{kT z^2}{2\eta}\frac{\partial c_{sol}}{\partial x}+Az+B$$

$$\mbox{In bulk:}u_x(z)=Cz+D$$

कहाँ $$A$$, $$B$$, $$C$$ और $$D$$ एकीकरण स्थिरांक हैं। सतह से दूर प्रवाह वेग स्थिर होना चाहिए, इसलिए $$C=0$$. हमने शून्य प्रवाह वेग लगाया है $$z=0$$, इसलिए $$B=0$$. फिर निरंतरता थोपना जहां अंतरापृष्ठ थोक से मिलता है, अर्थात, मजबूर करना $$u_x(z)$$ और $$\partial u_x(z)/\partial z$$ पर निरंतर होना $$z=R$$ हम निर्धारित करते हैं $$A$$ और $$D$$, और इसलिए प्राप्त करें

$$\mbox{In interface:}u_x(z)= \frac{kTR^2}{2\eta}\left(\frac{\partial c_{sol}}{\partial x}\right)\left(\frac{2z}{R}-\frac{z^2}{R^2}\right)$$

$$\mbox{In bulk:}u_x(z)=\frac{kTR^2}{2\eta}\left(\frac{\partial c_{sol}}{\partial x}\right)=v_{slip}$$

जो देता है, जैसा कि ऊपर के रूप में, स्लिप वेग के लिए समान अभिव्यक्ति देना चाहिए। यह परिणाम एक विशिष्ट और बहुत ही सरल मॉडल के लिए है, लेकिन यह विसरण ​​की सामान्य विशेषताओं का वर्णन करता है: 1) द्रवस्थैतिक दबाव, परिभाषा के अनुसार (स्टोक्स प्रवाह एक सामान्य लेकिन अलग भौतिक घटना है) बल्क में समान है, लेकिन अंतरापृष्ठ में दबाव में एक ढाल होता है, 2) अंतरापृष्ठ में यह दबाव प्रवणता वेग को सतह के लंबवत दिशा में भिन्न करने का कारण बनती है, और इसके परिणामस्वरूप स्लिप वेग होता है, अर्थात तरल पदार्थ के बल्क के लिए सतह के सापेक्ष स्थानांतरित करने के लिए, 3) अंतरफलक से दूर वेग स्थिर है, इस प्रकार के प्रवाह को कभी-कभी प्लग प्रवाह कहा जाता है।

नमक के घोल में डिफ्यूसियोफोरेसिस(प्रसार)
डिफ्यूसियोफोरेसिस(प्रसार) के कई अनुप्रयोगों में, गति नमक (इलेक्ट्रोलाइट) की सांद्रता में ढ़ाल द्वारा संचालित होती है, जैसे जल में सोडियम क्लोराइड। जल में कोलॉइडी कण समान्यता आवेशित होते हैं, और उनकी सतह पर एक स्थिर विद्युत क्षमता होती है, जिसे जीटा क्षमता कहा जाता है। कोलॉइडी कण की यह आवेशित सतह नमक की सांद्रता में एक ढाल के साथ परस्पर क्रिया करती है, और यह डिफ्यूसियोफोरेटिक(विसारक) वेग को जन्म देती है। $${\bf U}$$ द्वारा दिया गया

$${\bf U}=\frac{\epsilon}{\eta}\left[\frac{kT}{e}\beta\zeta+\frac{\zeta^2}{8}\right]\nabla \ln c_{salt}$$

कहाँ $$\epsilon$$ जल की पारगम्यता है, $$\eta$$ जल की चिपचिपाहट है, $$\zeta$$ नमक के घोल में कोलॉइडी कण की जीटा क्षमता है, $$\beta=(D_+-D_-)/(D_++D_-)$$धनावेशित आयन के विसरण स्थिरांक के बीच घटा हुआ अंतर है, $$D_+$$, और ऋणावेशित आयन का विसरण स्थिरांक, $$D_-$$, और $$c_{salt}$$ नमक की सघनता है। $$\nabla \ln c_{salt}$$नमक की सघनता के लघुगणक का ढाल, अर्थात, स्थिति के साथ परिवर्तन की दर, जो नमक सघनता के परिवर्तन की दर के बराबर है, नमक सघनता से विभाजित - यह प्रभावी रूप से उस दूरी पर एक है जिस पर e के एक कारक से सघनता घट जाती है। उपरोक्त समीकरण अनुमानित है, और केवल 1:1 इलेक्ट्रोलाइट्स जैसे सोडियम क्लोराइड के लिए मान्य है।

ध्यान दें कि नमक प्रवणता में एक आवेशित कण के विसरण में दो योगदान होते हैं, जो उपरोक्त समीकरण में दो पदों को जन्म देते हैं $${\bf U}$$. पहला इस तथ्य के कारण है कि जब भी नमक की सघनता प्रवणता होती है, तब जब तक धनात्मक और ऋणात्मक आयनों के प्रसार स्थिरांक एक दूसरे के बिल्कुल बराबर नहीं होते हैं, तब तक एक विद्युत क्षेत्र होता है, अर्थात ढाल एक संधारित्र की तरह थोड़ा कार्य करता है. नमक प्रवणता द्वारा उत्पन्न यह विद्युत आवेशित कण के वैद्युतकणसंचलन को संचालित करता है, ठीक उसी तरह जैसे एक बाहरी रूप से लागू विद्युत क्षेत्र करता है। यह ऊपर दिए गए समीकरण में पहले शब्द को जन्म देता है, अर्थात, एक वेग से विसरण $$(\epsilon/\eta)(kT/e)\beta\zeta\nabla \ln c_{salt}$$.

दूसरा भाग एक आवेशित कण की सतह की सतह मुक्त ऊर्जा के कारण होता है, जो नमक की बढ़ती सांद्रता के साथ घटता है, यह एक समान तंत्र है जो न्यूट्रियल पदार्थों के ढ़ाल में डिफ्यूसियोफोरेसिस(प्रसार) में पाया जाता है। यह विसारक वेग के दूसरे भाग को जन्म देता है $$(\epsilon\zeta^2/8\eta)\nabla \ln c_{salt}$$. ध्यान दें कि यह सरल सिद्धांत भविष्यवाणी करता है कि विसारक गति में यह योगदान हमेशा एक नमक सांद्रता ढाल होता है, यह हमेशा कणों को उच्च नमक सांद्रता की ओर ले जाता है। इसके विपरीत, विद्युत क्षेत्र के प्रसार में योगदान का संकेत के संकेत पर निर्भर करता है $$\beta\zeta$$. इसलिए, उदाहरण के लिए, एक ऋणावेशित कण के लिए, $$\zeta<0$$, और यदि धनात्मक रूप से आवेशित आयन ऋणात्मक रूप से आवेशित आयनों की तुलना में तेजी से फैलते हैं, तो यह शब्द कणों को एक नमक प्रवणता के नीचे धकेल देगा, लेकिन यदि यह नकारात्मक रूप से आवेशित आयन हैं जो तेजी से फैलते हैं, तो यह शब्द कणों को नमक प्रवणता में धकेल देता है।

व्यावहारिक अनुप्रयोग
प्रिंसटन विश्वविद्यालय से एक समूह ने जल शोधन के लिए डिफ्यूसियोफोरेसिस(प्रसार) के प्रयोग की सूचना दी। कार्बोनिक अम्ल बनाने के लिए दूषित जल को CO2 के साथ उपचारित किया जाता है, और जल को एक अपशिष्ट धारा और पीने योग्य जल धारा में विभाजित किया जाता है। यह निलंबित कणों के आसान आयनिक पृथक्करण की अनुमति देता है। गंदे जल स्रोतों के लिए पारंपरिक जल निस्पंदन विधियों की तुलना में पीने के जल को सुरक्षित बनाने के लिए इसमें भारी ऊर्जा लागत और समय की बचत का अवसर है।

यह भी देखें

 * मारंगोनी प्रभाव - द्रव/द्रव अंतरफलक पर विसरण परासरण का अनुरूप
 * वैद्युत कण संचलन
 * थर्मोफोरेसिस
 * विद्युत गतिज घटनाएं