Characterization and modelling of micro and nanofluidic systems

Abstract

Lab-on-a-chip arrangements are ever more frequently used for the miniaturization of chemical and biochemical analysis. In these arrangements, all the manipulations of analyte transport, separation, mixing with reactants and detection are integrated and implemented at the scale of a microchip of several cm in size. This makes possible a dramatic reduction in the required amounts of analytes and reactants, as well as in the time of analysis. Besides that, automation and high-throughput operations (due to parallelization) become much easier than in the conventional "macro-laboratory" environments. According to the great interest in the development of new porous materials including their subsequent integration into biomedical devices and industrial applications, the description of the characteristics of nanoporous media (for example membranes) and the development of characterization techniques are crucial for controlling the behavior of systems that include separation and purification processes with such technologies. Within this thesis various developments in the field of microfluidics, separation and purification of substances has been carried out: For the field of microfluidics, this study may be useful for the description of the first stages of the concentration polarization in microfluidic systems coupling membrane technology or micro/nano interfaces. Furthermore, it was shown that for such systems, Taylor-Aris theory is applicable locally in large open microchannels within a range of Peclet numbers. Furthermore, it was possible to derive a simple analytical approach for internal concentration gradient within long channels in terms of only a few parameters, determined numerically. This approach is useful for developing future experimental studies. In equipment used for measuring the zeta potential of porous media, the variation in the channel height is technically possible. This thesis shows that under such conditions, the fluid flow can become undeveloped turbulent, which provokes that conventional approaches to the interpretation of electrokinetic measurements should be changed accordingly. A mathematical model for arbitrary electrolytes mixtures has been defined to describe the transport phenomena occurring in several osmotic separation processes. The limited number of adjustable parameters contained in this model makes possible its unequivocal determination from a limited set of experimental data. According to the results of this work, hollow fibers membrane contactors are useful as a polishing step for removing low levels of ammonia in water. It has been determined and validated experimentally a mathematical model which helps to describe the influence of operating conditions, such as flow, ammonia concentration and pH of the system for both configurations, closed and open loop. These results are important for designing production systems of ultrapure water that can be used in the production of hydrogen by water electrolysis. The application of microfluidics technologies at industrial scale is one of the main challenges faced on this knowledge field; however, there are some devices that are already being used systematically at industrial level for separation purposes that fulfil the criteria for being considered within that group of technologies. This thesis establishes patterns and basic concepts that can serve as basis for the characterization and description of miniature versions of well-known separation processes, which in turn, can be used for the development of processes in new biochemical applications.

La miniaturización de los análisis químicos y bioquímicos está cada vez utiliza más utilizada. Todas las manipulaciones de transporte de las muestras, la separación, la mezcla con los reactivos y la detección se integren y apliquen a escala de un microchip de varios centímetros de tamaño. Esto hace posible una reducción dramática en las cantidades requeridas de muestra y reactivos, así como en el tiempo del análisis. Además de eso, las operaciones de automatización y de alto rendimiento se vuelven mucho más fáciles que en los entornos convencionales "macro-laboratorio". De acuerdo con el gran interés en el desarrollo de nuevos materiales porosos incluyendo su posterior integración en dispositivos biomédicos y aplicaciones industriales, la descripción de las particularidades de los medios nanoporosos (por ejemplo membranas) y el desarrollo de técnicas de caracterización son cruciales para controlar el comportamiento de los sistemas que incluyen procesos de separación y purificación con dichas tecnologías. En esta tesis se han llevado a cabo diferentes avances en el campo de la microfluídica, la separación y purificación de sustancias: Para el campo de la microfluídica, este estudio puede ser útil para la descripción de las primeras etapas de la polarización en los sistemas microfluídicos que acoplan tecnología de membranas o micro/nano interfaces. Por otro lado, se demostró que para tales sistemas, la teoría de Taylor-Aris es aplicable localmente dentro de microcanales abiertos en una amplia gama de números de Péclet. Además, fue posible derivar una aproximación analítica sencilla para el gradiente de concentración interno dentro de canales largos en términos de sólo unos pocos parámetros, determinados numéricamente. Esta aproximación es útil para desarrollar futuros estudios experimentales. En algunos equipos usados para la medición del potencial zeta de medios porosos, la variación de la altura del canal es técnicamente posible. En esta tesis se muestra que en estas condiciones, el flujo de fluido puede llegar a ser de transición a turbulento y los enfoques convencionales para la interpretación de las mediciones electrocinéticas debe modificarse en consecuencia. Se definió un modelo matemático que permite describir de manera sencilla, fenómenos de transporte que ocurren en diversos procesos de separación osmóticos, para mezclas de electrolitos arbitrarias. El número limitado de parámetros ajustables que contiene este modelo hace factible su determinación inequívoca a partir de un conjunto limitado de datos experimentales. De acuerdo con los resultados de esta tesis, los contactores de membrana con fibras huecas son útiles como etapa de pulido para la eliminación de bajos niveles de amonio en agua. Se ha determinado y validado experimentalmente un modelo matemático el cual ha ayudado a describir la influencia de las condiciones de funcionamiento, tales como flujo, concentraciones de amonio y pH del sistema para ambas configuraciones, de lazo cerrado y abierto. Dichos resultados son útiles para el diseño de sistemas de producción de agua ultra pura que puede ser usada en la producción de hidrogeno por electrolisis. La aplicación de las tecnologías de microfluidos a escala industrial es uno de los principales retos que enfrentar en este campo del conocimiento; sin embargo, existen algunos dispositivos que ya se están utilizando de forma sistemática a nivel industrial para fines de separación que cumplen criterios necesarios para considerarlos dentro del grupo de las tecnologías de microfluídica. Acotando a los resultados presentados en microfluídica, con este trabajo se han establecido patrones y definido conceptos básicos, dentro de este campo de la ciencia, que pueden servir como bases en la caracterización y la descripción de versiones en miniatura de procesos de separación bien conocidos, los cuales se pueden usar para el desarrollo de procesos en nuevas aplicaciones bioquímicas.