Bài viết Nghiên cứu sự phụ thuộc của hệ số điện thế chảy vào nồng độ và loại dung dịch nghiên cứu sự phụ thuộc của hiện tượng điện thế chảy vào nồng độ dung dịch và loại chất điện phân (NaCl và KCl) ứng với một mẫu đá trầm tích.
Tuyển tập Hội nghị Khoa học thường niên năm 2018 ISBN: 978-604-82-2548-3 NGHIÊN CỨU SỰ PHỤ THUỘC CỦA HỆ SỐ ĐIỆN THẾ CHẢY VÀO NỒNG ĐỘ VÀ LOẠI DUNG DỊCH Lương Duy Thành, Nguyễn Mạnh Hùng, Phan Văn Độ Bộ môn Vật lý - Khoa Năng Lượng - Trường Đại học Thủy lợi GIỚI THIỆU CHUNG bị hút cố định mặt phân cách lực hút Hiện tượng điện chảy xuất chất tĩnh điện, lớp gọi lớp khuếch tán lỏng chuyển động mơi trường xốp ion chuyển động tự chẳng hạn đất, đá Hiện tượng có Hình minh họa phân bố điện tích lớp điện tích kép vùng lân cận gần mặt liên hệ trực tiếp với tồn lớp điện tích kép mặt phân cách chất lỏng phân cách Bề dày lớp điện tích kép vào khoảng 1-10 nm hệ đất, đá trầm tích bề mặt chất rắn môi trường xốp Hiện tượng điện chảy có vai trị quan trọng ngậm nước phụ thuộc vào nhiệt độ, độ dẫn điện, loại ion có chất lỏng [3] ứng dụng địa Vật lý Ví dụ chúng sử dụng để tìm dầu, nước, khí tự nhiên sử dụng đề phát rò rỉ nước qua cơng trình ngăn nước đập, đê, kênh Hiện tượng điện chảy phụ thuộc vào nhiều tham số thành phần khống chất mơi trường xốp, loại ion có chất lỏng, độ pH, nồng độ dung dịch chất lỏng, nhiệt độ chất lỏng [1, 2] Trong báo cáo này, nghiên cứu Hình Sự phân bố điện tích điện phụ thuộc tượng điện chảy vào lớp điện tích kép mặt phân cách nồng độ dung dịch loại chất điện phân Do tồn lớp điện tích kép mặt (NaCl KCl) ứng với mẫu đá trầm tích phân cách chất lỏng chất rắn, nên có tương tác dòng chất lỏng dòng PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU điện mơi trường xốp Nói cách Môi trường xốp đất, đá tạo đơn giản, đặt lên môi trường xốp hạt khoáng chất rắn silicat, oxit, điện trường, chất lỏng chuyển cacbonat Khi hạt khoáng chất tiếp động (hiện tượng thẩm điện) Ngược lại, xúc với chất lỏng (thường dung dịch điện chất lỏng chuyển động môi trường xốp phân), bề mặt hạt bị nhiễm điện Điện xuất dịng điện (hiện tượng tích bề mặt đẩy ion dấu điện chảy) Cụ thể dòng chất lỏng chất lỏng xa hút ion trái dấu lại gần môi trường xốp chuyển động, ion vùng lân cận gần mặt phân cách lớp điện tích kép chuyển động theo chất rắn chất lỏng Điều dẫn đến Sự chuyển động ion mang điện phân bố lại điện tích chất lỏng tạo tạo dòng điện gọi dòng điện chảy điện trường mơi trường xốp Điện lớp điện tích kép mặt phân cách Lớp điện tích kép gồm lớp cố định trường tạo lại gây dòng nằm sát mặt phân cách ion điện dẫn theo chiều ngược lại (Hình 2) Do 500 Tuyển tập Hội nghị Khoa học thường niên năm 2018 ISBN: 978-604-82-2548-3 đó, người ta đo hiệu điện hai điểm mơi trường xốp có dịng chất lỏng chuyển động hiệu điện gọi hiệu điện chảy Hình minh họa hình thành hiệu điện chảy chất lỏng bơm qua ống mao dẫn (Môi trường xốp tạo vô số ống mao dẫn) dịch chất điện ly, mẫu đá trầm tích Berea (nhận từ cơng ty Shell-Hà Lan) có đường kính 25 mm chiều dài 55 mm hình sử dụng Dung dịch chất điện phân dung dịch muối NaCl KCl ứng với nồng độ khác (10−4 M, 5.0×10−4 M, 10−3 M, 2.5×10−3 M, 5.0×10−3 M 10−2 M) Việc đo đạc hệ số điện chảy thực nhiệt độ phòng (22 ±1o C) Hình Sự hình thành điện chảy chất lỏng bơm qua ống mao dẫn mơi trường xốp Hình Các mẫu đá trầm tích từ nguồn khác Như vậy, chất lỏng chuyển động môi trường xốp tạo điện trường hay hiệu điện hai điểm Ở trạng thái cân (khi tổng dịng điện chảy dịng điện dẫn khơng), hiệu điện chảy tỷ lệ với độ chênh áp suất chất lỏng sau [1, 2]: V r o P , (1) eff Trong ΔV hiêu điện chảy, ∆P độ chênh lệch áp suất chất lỏng qua môi trường xốp, ε r số điện môi chất lỏng, ε o số điện, η hệ số nhớt chất lỏng, σeff độ dẫn điện hiệu dụng chất lỏng ζ zeta Độ dẫn điện hiệu dụng bao gồm độ dẫn điện riêng chất lỏng độ dẫn điện bề mặt Thế zeta điện bên lớp điện tích kép vị trí vận tốc chất lỏng bề mặt rắn khơng (tại mặt phẳng trượt Hình 1) Thế zeta phụ thuộc vào tính chất bề mặt hệ chất rắnlỏng Mức độ tương tác dòng chất lỏng dịng điện mơi trường xốp phụ thuộc vào tính chất chất lỏng thành phần khống chất mơi trường xốp Hầu hết đá trầm tích đất mang điện tích bề mặt âm zeta có giá trị âm tiếp xúc với nước Để nghiên cứu thực nghiệm phụ thuộc hệ số điện chảy vào nồng độ dung Hình Hệ thí nghiệm đo hệ số điện chảy 1, Kệ chứa mẫu đá; 2, Các điện cực; 3, Bơm áp suất cao; 4, Đồng hồ đo áp suất; 5, Bình chứa dung dịch điện ly Hệ thí nghiệm hình sử dụng để đo hệ số điện chảy Dung dịch bơm tuần hoàn qua mẫu đá độ dẫn điện độ pH dung dịch đạt tới giá trị ổn định (đo đồng hồ đa Consort C861) Độ pH trạng thái cân dung dịch nằm khoảng từ đến 7.5 Hiệu điện hai đầu mẫu đá đo đồng hồ đa số (Keithley Model 2700) kết nối với máy tính điều khiển chương trình Labview Độ chênh lệch áp suất chất lỏng hai đầu mẫu đá đo đồng hồ đo áp suất (Endress and Hauser Deltabar S PMD75) Phương pháp đo hệ số điện chảy trình bày chi tiết [1] Trước hết, hiệu điện hai đầu mẫu đá (ΔV) đo ứng với độ chênh lệch áp suất (ΔP) khác (bằng cách điều chỉnh 501 Tuyển tập Hội nghị Khoa học thường niên năm 2018 ISBN: 978-604-82-2548-3 tốc độ dòng chất lỏng qua mẫu rắn) Trên cở sở mối quan hệ ΔV- ΔP thu nhận ứng với nồng độ khác (hình 5) Bằng cách tính hệ số góc đường thẳng fit điểm thực nghiệm, tìm hệ số điện chảy Ba phép đo thực ứng với nồng độ dung dịch để tìm giá trị trung bình hệ số điện chảy Bảng hệ số điện chảy ứng với nồng độ dung dịch khác Hình Sự phụ thuộc hiệu điện hai đầu mẫu đá vào độ chênh lệch áp suất ứng với dung dịch KCl – nồng độ 5.10 -4 M Từ bảng 1, phụ thuộc hệ số điện chảy vào nồng độ dung dịch ứng với hai dung dịch NaCl KCl hình Kết cho thấy hệ số điện chảy ln mang giá trị âm có độ lớn giảm nồng độ dung dịch tăng Giá trị âm hệ số điện chảy chứng tỏ gradient điện ngược dấu với gradient áp suất chất lỏng điện chảy liên quan đến rị rỉ nước qua cơng trình ngăn nước tăng theo chiều dòng chảy nước ngược lại Bảng Hệ số điện chảy (mV/bar) ứng với nồng độ dung dịch khác nhau Cụ thể số liên kết ion K+ lớn ion Na+ [1] Do đó, có nhiều ion K+ bị hấp thụ vào bề mặt rắn hạt khoáng chất so với ion Na+ ứng với nồng độ dung dịch Vì vậy, điện zeta hệ số điện chảy độ lớn nhỏ ứng với dung dịch KCl Hình Sự phụ thuộc hệ số điện chảy vào nồng độ dung dịch ứng với hai chất điện ly NaCl KCl KẾT LUẬN Trong báo cáo này, chúng tơi trình bày cách ngắn gọn sở lý thuyết tượng điện chảy, giới thiệu hệ thí nghiệm đo hệ số điện chảy, phụ thuộc hệ số điện chảy vào nồng độ dung dịch loại dung dịch điện phân ứng với mẫu đá Kết đo đạc (1) hệ số điện chảy có độ lớn giảm nồng độ dung dịch tăng ứng với loại dung dịch; (2) hệ số điện chảy dung dịch NaCl lớn so với KCl ứng với nồng độ LỜI CẢM ƠN Dung 0.1mM 0.5mM 1mM 2.5mM 5mM 10mM dịch NaCl -147 -115 -85 -49 -31 -17 KCl -98 -69 -53 -38 -20 -11 Ngoài ra, kết đo đạc cho thấy ứng với mẫu đá, hệ số điện chảy phụ thuộc vào loại dung dịch chất điện phân (ứng với nồng độ dung dịch độ lớn hệ số điện chảy dung dịch NaCl lớn so với KCl) Nguyên nhân (1) dung dịch chất điện phân khác độ dẫn điện khác ứng với nồng độ; (2) dung dịch chất điện phân khác khả hấp thụ ion dương vào bề mặt rắn hạt khống chất khác Nhóm tác giả xin cảm ơn Giáo sư Rudolf Sprik cung cấp mẫu cho phép thực phép đo Đại học Amsterdam TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] L.D.Thành, PhD thesis, "Electrokinetics in porous media", Oct 2014, (University of Amsterdam) [2] L Jouniaux and T Ishido, “Electrokinetics in Earth Sciences : A Tutorial,” International Journal of Geophysics, vol 2012, Article ID 286107, 16 pages, 2012 [3] Jacob H Masliyah, Subir Bhattacharjee (2006), Electrokinetic and Colloid Transport Phenomena, Wiley-Interscience 502 ... điện chảy, giới thiệu hệ thí nghiệm đo hệ số điện chảy, phụ thuộc hệ số điện chảy vào nồng độ dung dịch loại dung dịch điện phân ứng với mẫu đá Kết đo đạc (1) hệ số điện chảy có độ lớn giảm nồng. .. đá, hệ số điện chảy phụ thuộc vào loại dung dịch chất điện phân (ứng với nồng độ dung dịch độ lớn hệ số điện chảy dung dịch NaCl lớn so với KCl) Nguyên nhân (1) dung dịch chất điện phân khác độ. .. ion Na+ ứng với nồng độ dung dịch Vì vậy, điện zeta hệ số điện chảy độ lớn nhỏ ứng với dung dịch KCl Hình Sự phụ thuộc hệ số điện chảy vào nồng độ dung dịch ứng với hai chất điện ly NaCl KCl