[論文レビュー] Clog mitigation in a microfluidic array via pulsatile flows

Brian Dincau, Connor Tang+2 more|arXiv (Cornell University)|Jan 15, 2022

Microfluidic and Bio-sensing Technologies被引用数 5

ひとこと要約

本研究では、動的せん断を活用して粒子を剥がし、ろ材ケーキの成長を妨げることで、パルス的流れがマイクロ流体チャネルアレイにおける目詰まりを顕著に遅らせることが示された。0.1 Hzおよび0.5P₀の振幅で、パルス流れは定常流れと比較してろ材の半減期をほぼ2倍に延長した。しかし、周波数が低くなると、パルスの周期と目詰まりのダイナミクスの時間スケールが一致しなくなり、その効果が低下する。

ABSTRACT

Clogging is a common obstacle encountered during the transport of suspensions and represents a significant energy and material cost across applications, including water purification, irrigation, biopharmaceutical processing, and aquifer recharge. Pulsatile pressure-driven flows can help mitigate clogging when compared to steady flows. Here, we study experimentally the influence of the amplitude of pulsation $0.25\,P_0 \leq δP \leq 1.25\,P_0$, where $P_0$ is the mean pressure, and of the frequency of pulsation $10^{-3}\,{ m Hz} \leq f \leq 10^{-1}\,{ m Hz}$ on clog mitigation in a microfluidic array of parallel channels using a dilute suspension of colloidal particles. The array geometry is representative of a classical filter, with parallel pores that clog over time, yielding a filter cake that continues to grow and can interact with other pores. We combine flow rate measurements with direct visualizations at the pore scale to correlate the observed clogging dynamics with the changes in flow rate. We observe that all pulsatile amplitudes at $0.1$ Hz yield increased throughput compared to steady flows. The rearrangement of particles when subject to a dynamic shear environment can delay the clogging of a pore or even remove an existing clog. However, this benefit is drastically reduced at $10^{-2}$ Hz and disappears at $10^{-3}$ Hz as the pulsatile timescale becomes too large compared to the timescale associated with the clogging and the growth of the filter cakes in this system. The present study demonstrates that pulsatile flows are a promising method to delay clogging at both the pore and system scale.

研究の動機と目的

• パルス的圧力駆動流れがマイクロ流体チャネルアレイにおける目詰まりをどのように軽減するかを調査すること。
• 目詰まり軽減の背後にある物理的メカニズム（例えば、粒子の剥離やろ材ケーキの再配置）を特定すること。
• 希薄なコロイド懸濁液におけるスループットを最大化し、目詰まりを遅らせる最適なパルス振幅と周波数を特定すること。
• 特に隣接チャネル系における相互作用が生じる状況下で、流れの逆転が目詰まりの解消に果たす役割を評価すること。
• パルス的流れのパラメータと、マイクロスケールおよびシステムスケールの両方における目詰まりダイナミクスとの間の体系的関係を確立すること。

提案手法

• 実験は、ろ材を模倣した平行チャネルからなるマイクロ流体アレイを用い、制御されたパルス的圧力入力を適用した。
• パルス振幅を0.25P₀から1.25P₀まで変化させ、周波数を10⁻³ Hzから10⁻¹ Hzまで変化させた。P₀は平均圧力である。
• 目詰まりの進行を追跡し、ろ材半減期（50%目詰まりに達するまでの時間）を計算するために、全システムの流量を連続的に測定した。
• 高速撮影および直接的なマイクロスケール視認を用いて、粒子の動態、ろ材ケーキの形成、および放出イベントを観察した。
• 目詰まり比（目詰まりしたチャネルの割合）を定義することで、異なるパルス条件間での定量的比較が可能になった。
• ろ材ケーキからの粒子の再分散および除去能力を評価するために、δP = 1.25P₀で流れの逆転を試みた。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 パルス振幅がマイクロ流体アレイの平行チャネルにおける目詰まり軽減にどのように影響するか？
• RQ2 パルス周波数が目詰まりの遅れに果たす役割は何か？また、その恩恵が最大になる周波数はどの程度か？
• RQ3 パルス流れの過程で流れを逆転させることで、すでに目詰まりしたチャネルを能動的に解消できるか？
• RQ4 特に流れの逆転が生じる状況下で、チャネル間相互作用が目詰まりダイナミクスにどのように影響するか？
• RQ5 マイクロスケールでの物理的メカニズム（例えば、粒子の剥離やろ材ケーキの再配置）は、観察された目詰まり軽減をどのように説明できるか？

主な発見

• 0.1 Hzでテストしたすべてのパルス振幅において、定常流れと比較してスループットが顕著に向上した。特にδP = 0.5P₀で最大の改善が観察された。
• 0.1 Hzの条件下で、ろ材半減期は定常流れと比較してほぼ2倍に延び、最適パルス（δP = 0.5P₀、f = 0.1 Hz）では約10,000秒に達した。
• 10⁻³ Hzの周波数では、パルスの周期が目詰まりダイナミクスの時間スケールに対して遅すぎたため、定常流れと比較して有意な利点が得られなかった。
• パルス流れにより、壁からの粒子剥離とろ材ケーキの再配置による流量の部分的回復が可能になったが、これは定常流れでは観察されない現象であった。
• 流れの逆転（δP = 1.25P₀）により、ろ材ケーキ内の粒子を再分散させる独自の目詰まり解消メカニズムが誘発されたが、チャネル間干渉のため、ろ材半減期の著しい向上にはつながらなかった。
• パルスの有効性は、パルス周波数が目詰まりの時間スケールと一致しているかどうかに強く依存しており、周波数が低いと目詰まりダイナミクスを効果的に破壊できない。