شبیه سازی هیدرودینامیک و انتقال جرم دو فاز امتزاج ناپذیر در میکروکانال Y-Y و حلزونی شکل و بهینه‌سازی پارامترهای مؤثر

نوع مقاله : علمی-پژوهشی

نویسندگان

1 دانشکده فنی، دانشگاه تهران، تهران، ایران

2 پژوهشکده چرخه سوخت هسته‌ای، پژوهشگاه علوم و فنون هسته‌ای، تهران، ایران

چکیده

میکروسیال، علم و تکنولوژی است که سیال را در حجم 9-10 تا 18-10 لیتر با استفاده از کانال­ هایی با اندازه‌های در مقیاس میکرو، مورد بررسی قرار می­ دهد. از مهم‌ترین کاربردهای این تکنولوژی، تجزیه و تحلیل جریان سیال است. فرایندهای جداسازی در دستگاه های میکروفلوئیدیکی در دو دهه گذشته مورد توجه فراوانی قرار گرفته است. در بین فرایندهای جداسازی گوناگون، استخراج مایع-مایع به طور ویژه از برتری‌هایی چون مسافت نفوذ مولکولی پایین و سطح ویژه فصل مشترک بالا که منجر به انتقال جرم مؤثری در دستگاه های میکروفلوئیدیکی می‌شود، برخوردار است. میکروفلوئیدیک فناوری ارزشمندی برای جداسازی یون­ها و ایزوتوپ­ های پایدار فلزی می تواند باشد. ایزوتوپ ­های پایدار برای پژوهش‌ در مورد قابلیت دسترسی به مواد معدنی و متابولیسم مفید هستند. از کاربردهای ایزوتوپ پایدار می­ توان به عنوان ردیاب بدون تابش پرتو، تشخیص بیماری و تصویر برداری هسته ­ای نام برد. این ایزوتوپ­ ها همچنین می ­توانند به عنوان ماده­ اصلی یا ماده خام برای تولید رادیو داروها، آنالیز بیوشیمیایی، رادیوتراپی و کاربرد در علوم محیط‌زیستی، زمین شناسی و باستان شناسی استفاده شوند. در این پژوهش، جداسازی یون فلزی کلسیم به عنوان مقدمه‌ای بر جداسازی ایزوتوپی کلسیم با استفاده از روش میکروفلوئیدیک مورد مطالعه قرار گرفت. بدین منظور، شبیه‌سازی استخراج مایع-مایع و تکنولوژی میکروفلویدیک برای استخراج و جداسازی یون کلسیم به عنوان روشی نوین در هم ادغام شده ­اند. در این راستا با هدف ارزیابی امکان انجام شبیه ­سازی استخراج یون کلسیم در سامانه میکروفلوئیدیک،  نسبت سرعت­ های دوفاز به گونه ­ای انتخاب شد که الگوی جریان درون میکروکانال به ­صورت موازی باشد. نخست با روش تعیین تراز محل دقیق فصل مشترک تعیین شد، سپس با استفاده از مدل انتقال اجزاء رقیق میزان انتقال جرم از فاز آبی به آلی سنجیده شد. علاوه بر این برای مطالعه تأثیر هندسه در میزان استخراج، هندسه حلزونی شکل نیز مورد بررسی قرار گرفت. درصد استخراج در هندسه نوین محاسبه و با میکروکانال Y-Y شکل مقایسه شد. در میکروکانال Y-Y شکل بازدهی استخراج 062/60 % می ­باشد در حالی که در هندسه حلزونی در شرایط بهینه بازدهی 98/74 % به‌دست آمد. بنابراین با تغییر هندسه میکروکانال از Y-Y به حلزونی میزان انتقال جرم 89/19% بهبود می­ یابد.

کلیدواژه‌ها

موضوعات


[1] Zhao C.X., Miller E., Cooper‐White J.J., Middelberg A.P., Effects of Fluid–Fluid Interfacial Elasticity on Droplet Formation in Microfluidic Devices, AIChE Journal, 57(7): 1669-1677 (2011).
[3] Plouffe P., Roberge D.M., Sieber J., Bittel M., Macchi A., Liquid–Liquid Mass Transfer in a Serpentine Micro-Reactor Using Various Solvents, Chemical Engineering Journal, 285: 605-615 (2016).
[4] Plouffe P., Roberge D.M., Macchi A., Liquid–Liquid Flow Regimes and Mass Transfer in Various Micro-Reactors, Chemical Engineering Journal, 300: 9-19 (2016).
[5] Marques M., Fernandes P., Cabral J., Žnidaršič-Plazl P., Plazl I., On the Feasibility of in Situ Steroid Biotransformation and Product Recovery in Microchannels, Chemical Engineering Journal, 160(2): 708-714 (2010).
[6] Aota A., Mawatari K., Kitamori T., Parallel Multiphase Microflows: Fundamental Physics, Stabilization Methods and Applications, Lab on a Chip, 9(17): 2470-2476 (2009).
[7] Sattari-Najafabadi M., Esfahany M.N., Hexavalent Chromium Extraction from Aqueous Solutions in a Liquid-Liquid Slug Flow Microreactor, Chemical Engineering and Processing-Process Intensification, 157: 108156 (2020).
[8] Sattari-Najafabadi M., Esfahany M.N., Wu Z., Sunden B., Mass Transfer between Phases in Microchannels: A Review, Chemical Engineering and Processing-Process Intensification, 127: 213-237 (2018).
[9] Liu G., Wang K., Lu Y., Luo G., Liquid–Liquid Microflows and Mass Transfer Performance in Slit-Like Microchannels, Chemical Engineering Journal, 258: 34-42 (2014).
[10] Sattari-Najafabadi M., Esfahany M.N., Wu Z., Sundén B., Hydrodynamics and Mass Transfer in Liquid-Liquid Non-Circular Microchannels: Comparison of Two Aspect Ratios and Three Junction Structures, Chemical Engineering Journal, 322: 328-338 (2017).
[11] Sadeghi A., Amini Y., Saidi M.H., Chakraborty S., Numerical Modeling of Surface Reaction Kinetics in Electrokinetically Actuated Microfluidic Devices, Analytica chimica acta, 838: 64-75 (2014).
[12] Sadeghi A., Amini Y., Saidi M.H., Yavari H., Shear‐Rate‐Dependent Rheology Effects on Mass Transport and Surface Reactions in Biomicrofluidic Devices, AIChE Journal, 61(6): 1912-1924 (2015).
[13] Jahromi P.F., Karimi-Sabet J., Amini Y., Fadaei H., Pressure-Driven Liquid-Liquid Separation in Y-Shaped Microfluidic Junctions, Chemical Engineering Journal, 328: 1075-1086 (2017).
[14] Sattari‐Najafabadi M., Nasr Esfahany M., Wu Z., Sundén B., The Effect of the Size of Square Microchannels on Hydrodynamics and Mass Transfer During Liquid‐Liquid Slug Flow, AIChE Journal, 63(11): 5019-5028 (2017).
[16] Kashid N.M., Renken A., Kiwi-Minsker L., Influence of Flow Regime on Mass Transfer in Different Types of Microchannels, Industrial & Engineering Chemistry Research, 50(11): 6906-6914 (2011).
[17] Cao Z., Wu Z., Sattari Najafabadi M., Sunden B., Liquid-Liquid Flow Patterns in Microchannels, American Society of Mechanical Engineers, V002T010A013, (2017).
[18] Abdollahi P., Karimi-Sabet J., Moosavian M.A., Amini Y., Microfluidic Solvent Extraction of Calcium: Modeling and Optimization of the Process Variables, Separation and Purification Technology, 231: 115875 (2020).
[19] Kishimoto T., Matsuoka K., Fukumoto T., Umehara S., Calcium Isotope Enrichment by Means of Multi-Channel Counter-Current Electrophoresis for the Study of Particle and Nuclear Physics, Progress of Theoretical and Experimental Physics, 2015(3): (2015).
[20] Gussone N., Dietzel M., Calcium Isotope Fractionation During Mineral Precipitation from Aqueous Solution, Springer, 75-110 (2016).
[21] Sattari-Najafabadi M., Esfahany M.N.N., Intensification of Liquid-Liquid Mass Transfer in a Circular Microchannel in the Presence of Sodium Dodecyl Sulfate, Chemical Engineering and Processing: Process Intensification, 117: 9-17 (2017).
[22] Farahani A., Rahbar-Kelishami A., Shayesteh H., Microfluidic Solvent Extraction of Cd (II) in Parallel Flow Pattern: Optimization, Ion Exchange, and Mass Transfer Study, Separation and Purification Technology, 258: 118031 (2021).
[23]     Marsousi S., Karimi-Sabet J., Moosavian M.A., Amini Y., Liquid-Liquid Extraction of Calcium Using Ionic Liquids in Spiral Microfluidics, Chemical Engineering Journal, 356: 492-505 (2019).
[24] Foroozan P., Karimi-sabet J., Amini Y., Ion-Pair Extraction-Reaction of Calcium Using Y-Shaped Micro Fl Uidic Junctions: An Optimized Separation Approach, Chemical Engineering Journal, 334: 2603-2615 (2018).  
[25] Hibara A., Tokeshi M., Uchiyama K., HISAMOTO H., KITAMORI T., Integrated Multilayer Flow System on a Microchip, Analytical sciences, 17(1): 89-93 (2001).
[26] Kim H.-B., Ueno K., Chiba M., Kogi O., Kitamura N., Spatially-Resolved Fluorescence Spectroscopic Study on Liquid/Liquid Extraction Processes in Polymer Microchannels, Analytical sciences, 16(8): 871-876 (2000).
[27] Žnidaršič-Plazl P., Plazl I., Steroid Extraction in a Microchannel System—Mathematical Modelling and Experiments, Lab on a Chip, 7(7): 883-889 (2007).
[28] Hazama R., Tatewaki Y., Kishimoto T., Matsuoka K., Endo N., Kume K., Shibahara Y., Tanimizu M., Challenge on Ca-48 Enrichment for Candles Double Beta Decay Experiment, arXiv preprint arXiv:0710.3840, (2007).
[29] Russom A., Gupta A.K., Nagrath S., Di Carlo D., Edd J.F., Toner M., Differential Inertial Focusing of Particles in Curved Low-Aspect-Ratio Microchannels, New journal of physics, 11(7): 075025 (2009).
[30] Sun J., Liu C., Li M., Wang J., Xianyu Y., Hu G., Jiang X., Size-Based Hydrodynamic Rare Tumor Cell Separation in Curved Microfluidic Channels, Biomicrofluidics, 7(1): 011802 (2013).
[31] Madenci E., Guven I., "The Finite Element Method and Applications in Engineering Using Ansys®", Springer, (2015).
[32] Bathe K.J., Finite Element Method, Wiley encyclopedia of computer science and engineering:  1-12 (2007).
[33] Amini Y., Karimi‐Sabet J., Esfahany M.N., Experimental and Numerical Simulation of Dry Pressure Drop in High‐Capacity Structured Packings, Chemical Engineering & Technology, 39(6): 1161-1170 (2016).
[34] Deshpande K.B., Zimmerman W.B., Simulation of Interfacial Mass Transfer by Droplet Dynamics Using the Level Set Method, Chemical Engineering Science, 61(19): 6486-6498 (2006).
[35] Olsson E., Kreiss G., A Conservative Level Set Method for Two Phase Flow, Journal of computational physics, 210(1): 225-246 (2005).
[36] Osher S., Sethian J.A., Fronts Propagating with Curvature-Dependent Speed: Algorithms Based on Hamilton-Jacobi Formulations, Journal of computational physics, 79(1): 12-49 (1988).
[38] Amini Y., Nasr Esfahany M., CFD Simulation of the Structured Packings: A Review, Separation science and technology, 54(15): 2536-2554 (2019).
[39] Ismail M., Level Set and Phase Field Methods: Application to Moving Interfaces and Two-Phase Fluid Flows, Claremont Graduate University, Claremont: (2007).
[40] Najafabadi H.H., Moraveji M.K., CFD Investigation of Local Properties of Al2o3/Water Nanofluid in a Converging Microchannel under Imposed Pressure Difference, Advanced Powder Technology, 28(3): 763-774 (2017).
[41] Bird R.B., Transport Phenomena, Appl. Mech. Rev., 55(1): R1-R4 (2002).
[42] Amini Y., Karimi-Sabet J., Esfahany M.N., Experimental and Numerical Study of Multiphase Flow in New Wire Gauze with High Capacity Structured Packing, Chemical Engineering and Processing: Process Intensification, 108: 35-43 (2016).
[43] Pali H.S., Sharma A., Kumar N., Singh Y., Biodiesel Yield and Properties Optimization from Kusum Oil by RSM, Fuel, 291: 120218 (2021).
[44] Silva G.F., Camargo F.L., Ferreira A.L., Application of Response Surface Methodology for Optimization of Biodiesel Production by Transesterification of Soybean Oil with Ethanol, Fuel Processing Technology, 92(3): 407-413 (2011).
[45] Ahmad T., Danish M., Kale P., Geremew B., Adeloju S.B., Nizami M., Ayoub M., Optimization of Process Variables for Biodiesel Production by Transesterification of Flaxseed Oil and Produced Biodiesel Characterizations, Renewable Energy, 139: 1272-1280 (2019).
[46] Montgomery D.C., "Design and Analysis of Experiments", John wiley & sons, (2017).
[47] Yagodnitsyna A.A., Kovalev A.V., Bilsky A.V., Flow Patterns of Immiscible Liquid-Liquid Flow in a Rectangular Microchannel with T-Junction, Chemical Engineering Journal, 303: 547-554 (2016).
[48] Schaap A., Dumon J., Den Toonder J., Sorting Algal Cells by Morphology in Spiral Microchannels Using Inertial Microfluidics, Microfluidics and Nanofluidics, 20(9): 1-11 (2016).
[49] Warkiani M.E., Khoo B.L., Wu L., Tay A.K.P., Bhagat A.A.S., Han J., Lim C.T., Ultra-Fast, Label-Free Isolation of Circulating Tumor Cells from Blood Using Spiral Microfluidics, Nature protocols, 11(1): 134-148 (2016).