[论文解读] Microstructure of the near-wall layer of filtration-induced colloidal assembly

Mohand Larbi Mokrane, Térence Desclaux+3 more|arXiv (Cornell University)|Jun 22, 2020

Microfluidic and Bio-sensing Technologies参考文献 73被引用 7

一句话总结

本实验研究使用微米级胶体，在微流控过滤装置中近壁处形成的胶体滤饼的微观结构。通过在不同离子强度和压降条件下分析图像数据，研究揭示了滤饼孔隙率和中程有序性的局部异质性，表明更高的离子强度可增强局部晶体有序性，且远离孔口处形成更大的晶体畴，这与静电排斥降低和粒子有序性增强有关。

ABSTRACT

This paper describes an experimental study of filtration of a colloidal suspension using microfluidic devices. A suspension of micrometer-scale colloids flows through parallel slit-shaped pores at fixed pressure drop. Clogs and cakes are systematically observed at pore entrance, for variable applied pressure drop and ionic strength. Based on image analysis of the layer of colloids close to the device wall, global and local studies are performed to analyse in detail the near-wall layer microstructure. Whereas global porosity of this layer does not seem to be affected by ionic strength and applied pressure drop, a local study shows some heterogeneity: clogs are more porous at the vicinity of the pore than far away. An analysis of medium-range order using radial distribution function shows a slightly more organized state at high ionic strength. This is confirmed by a local analysis using two-dimension continuous wavelet decomposition: the typical size of crystals of colloids is larger for low ionic strength, and it increases with distance from the pores. We bring these results together in a phase diagram involving colloid-colloid repulsive interactions and fluid velocity.

研究动机与目标

• 理解微滤过程中近器件壁处形成的胶体滤饼的微观结构演化过程。
• 研究离子强度和施加压降如何影响滤饼层的孔隙率和局部组织结构。
• 量化静电排斥（通过DLVO理论）与流体流动在决定滤饼结构中的作用。
• 评估布朗运动与粒子间相互作用对滤饼形成与有序性的影响。
• 建立相图，关联胶体-胶体排斥力与流体速度对滤饼微观结构的影响。

提出的方法

• 使用具有平行狭缝形孔口的微流控装置，在受控压降下过滤微米级胶体悬浮液。
• 采用共聚焦显微镜与图像分析技术，捕获并量化近壁胶体层的微观结构。
• 通过二维图像堆栈计算整体孔隙率，以评估在不同离子强度和压降下滤饼的整体密度。
• 采用径向分布函数（RDF）分析，评估滤饼层中的中程有序性与晶体组织。
• 应用二维连续小波变换（CWT），检测局部晶体畴尺寸与空间异质性。
• 利用德拜长度（κ⁻¹ ∝ 1/√I）模拟离子强度对静电屏蔽及胶体-胶体排斥力的影响。

实验结果

研究问题

• RQ1 离子强度如何影响近孔口处胶体滤饼的整体孔隙率与局部异质性？
• RQ2 施加的压降对近壁滤饼层的微观结构与有序性有何影响？
• RQ3 胶体晶体畴的典型尺寸如何随距孔口距离与离子强度变化？
• RQ4 中程有序性（通过RDF衡量）与滤饼微观结构及离子强度的相关性如何？
• RQ5 流体速度与静电排斥力如何共同决定滤饼层的相行为？

主要发现

• 近壁滤饼层的整体孔隙率对离子强度与施加压降的变化不敏感。
• 靠近孔口处的局部孔隙率高于远离孔口区域，表明滤饼密度存在空间异质性。
• 径向分布函数显示，离子强度越高，中程有序性略有增强，表明局部组织性提升。
• 小波分解结果表明，低离子强度下晶体畴尺寸更大，且随距孔口距离增加而增大。
• 滤饼微观结构从孔口附近的无序状态逐渐演化为远离孔口处更有序、类似晶体的结构，尤其在低离子强度条件下更为显著。
• 提出了一幅相图，将胶体-胶体排斥相互作用（通过离子强度表征）与流体速度关联至滤饼微观结构。