[论文解读] 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 5

一句话总结

本研究证明，通过利用动态剪切力使颗粒脱离并破坏滤饼生长，脉动流可显著延迟微流控平行通道阵列中的阻塞。在0.1 Hz和0.5P₀振幅下，脉动使滤饼半衰期几乎加倍，相较于稳态流动；然而在较低频率下，由于脉动与阻塞动力学的时间尺度不匹配，其优势逐渐减弱。

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.

研究动机与目标

• 研究脉动压力驱动流如何减轻微流控平行通道阵列中的阻塞。
• 识别导致通过脉动实现阻塞缓解的物理机制，如颗粒脱离和滤饼重排。
• 确定在稀释胶体悬浮液中，最大化通量并延迟阻塞的最佳脉动振幅与频率。
• 评估流动反向在解阻中的作用，特别是在存在通道间相互作用的邻近通道系统中。
• 在孔隙尺度与系统尺度上，建立脉动流参数与阻塞动力学之间的系统性关联。

提出的方法

• 实验采用具有平行通道的微流控阵列，模拟过滤过程，施加受控的脉动压力输入。
• 脉动振幅在0.25P₀至1.25P₀之间变化，频率在10⁻³ Hz至10⁻¹ Hz之间，其中P₀为平均压力。
• 连续测量全系统流量，以追踪阻塞进程并计算滤饼半衰期（达到50%阻塞所需时间）。
• 采用高速成像与直接孔隙尺度可视化，观察颗粒动力学、滤饼形成及颗粒喷射事件。
• 阻塞比率定义为阻塞通道的占比，从而实现在不同脉动条件下进行定量比较。
• 在δP = 1.25P₀条件下测试流动反向，评估其在使滤饼中颗粒重新悬浮并去除颗粒方面的效果。

实验结果

研究问题

• RQ1 脉动振幅在微流控平行通道阵列中如何影响阻塞缓解？
• RQ2 脉动频率在延迟阻塞中起什么作用？其效益在何种频率下达到最大？
• RQ3 脉动期间的流动反向是否能实现已阻塞通道的主动解阻？
• RQ4 在脉动流中，通道间相互作用如何影响阻塞动力学，特别是在流动反向条件下？
• RQ5 在孔隙尺度上，哪些物理机制（如颗粒脱离或滤饼重排）可解释观察到的阻塞缓解现象？

主要发现

• 在0.1 Hz下，所有测试的脉动振幅均显著提高了通量，其中δP = 0.5P₀时改善效果最显著。
• 在0.1 Hz下，滤饼半衰期几乎加倍，与稳态流动相比，最优脉动条件（δP = 0.5P₀，f = 0.1 Hz）下达到约10,000秒。
• 在10⁻³ Hz下，脉动未表现出相对于稳态流动的可测量优势，因为脉动的时间尺度相对于阻塞动力学过慢。
• 脉动可实现颗粒从壁面脱离，并通过滤饼重排部分恢复流量，而这些现象在稳态流动中不存在。
• 流动反向（δP = 1.25P₀）通过使滤饼中颗粒重新悬浮，诱导了一种独特的解阻机制，但由于通道间干扰，其对滤饼半衰期的提升并不显著。
• 脉动的有效性在很大程度上取决于脉动频率与阻塞时间尺度的匹配程度；低频无法有效干扰阻塞动力学。