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Pressure-driven power generation and ion separation using a non-uniformly charged nanopore

渗透力 纳米孔 表面电荷 纳滤 电荷密度 海水淡化 浓差极化 离子 纳米技术 功率密度 材料科学 流动电流 化学物理 光电子学 电场 化学 纳米流体学 电动现象 功率(物理) 反渗透 热力学 物理 物理化学 正渗透 量子力学 有机化学 生物化学
作者
Yueting Chen,Jyh‐Ping Hsu
出处
期刊:Journal of Colloid and Interface Science [Elsevier]
卷期号:607: 1120-1130 被引量:10
标识
DOI:10.1016/j.jcis.2021.09.055
摘要

Due to its versatile potential applications, nanofluidic devices have drawn much attention of researches in various fields. Among these, pressure-driven power generation is considered as a candidate for the next generation alternative green energy source, and pressure-driven ion separation (nanofiltration) for desalination. Aiming to achieve a better performance in these two representative cases, a cylindrical nanopore having different types of non-uniform surface charge profile is adopted, and its performance under various conditions assessed. We show that lower the surface charge density near the nanopore inlet region can suppress the effect of ion concentration polarization (ICP) and improve the selectivity, thereby enhancing appreciably its power generation performance. For a fixed averaged surface charge density, if the bulk salt concentration is low, the higher the surface charge density near the nanopore openings, the better its performance. The degree of ICP can be alleviated by applying a sufficiently large pressure difference. Although previous studies showed that salt rejection is influenced significantly by the profile of the electric field inside a nanopore, we find that the electric field at nanopore openings also plays a role. Through choosing appropriately the surface charge profile, it is possible to solve the trade-off between rejection and flow rate.

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