Potential Of Tapered Dielectrophoresis (DEP) Microelectromechanic Systems (MEMS) Electrode As A Cesium Ions Separator

Abstract

Abstract

Radionuclide contamination in water become a massive issue if a nuclear reactor accident occurs. It can cause internal exposure for living creatures. Studies on separation and adsorption of radionuclide have being done particularly after Fukushima Daichii Nuclear Power Plant accident. Therefore, this research was conducted to study the potential of tapered Dielectrophoresis (DEP) Microelectromechanics Systems (MEMS) electrode as a cesium ions separator and to determine the optimum frequency to separate the ion from a medium. Cesium Chloride (CsCl) was used as a replacement for a radionuclide Cesium-137 because they have similar chemical properties. Characterization of DEP was conducted using simulation before the separation process. This characterization can be divided into two aspects, polarization factors and changes in dielectric dynamic modeling. After frequencies have been determined using analytical MATLAB, cesium ions were separated using DEP (FDEP) force which has the flow of the medium is perpendicular to electric fields. DEP forces can be divided into two which are the attraction force (PDEP) horizontally at the y-axis and the repulsive force (NDEP) vertically at the z-axis. From the DEP characterization data, ion cesium was more attracted to the PDEP electrode in the range of 1 kHz to 1 MHz, while it was repelled from NDEP electrode at more than 200 MHz. This study also showed that tapered DEP (MEMS) electrode has a potential to separate the ion cesium. It revealed that only CsCl with a concentration of 5 ppm could be separated by this process. Subsequently, based on Clausius-Mossotti factor, the optimum frequencies for separation of ion cesium from medium were 55 and 60 kHz because the ion cesium was more attracted to PDEP electrode. Finally, as comparison from both frequencies, 55 kHz was the best value for separation of ion cesium from medium because it had the highest separation percentage up to nearly 60%, while at 60 kHz the separation percentage was only at 53%.

Abstrak

Pencemaran radionuklid di dalam air adalah antara isu utama jika berlakunya kemalangan reaktor nuklear kerana ia boleh menyebabkan dedahan dalaman kepada hidupan. Kajian pemisahan sesium beradioaktif daripada air banyak dilakukan khususnya selepas kemalangan di reaktor nuklear Fukushima Daiichi. Oleh itu, kajian ini menggunakan Elektrod Sistem Mikroelektromekanik (MEMS) Dielektroforesis (DEP) berprofil serong bagi mengasingkan ion sesium dari garam sesium klorida sebagai gantian Sesium-137 kerana mempunyai sifat kimia yang sama. Objektif kajian ini ialah menganalisis potensi elektrod Sistem Mikroelektromekanik (MEMS) Dielektroforesis (DEP) berprofil serong sebagai pemisah ion sesium daripada medium dan menentukan frekuensi optimum bagi pemisahan ion sesium tersebut. Simulasi dijalankan dengan menggunakan kaedah pencirian DEP sebelum ion sesium dipisahkan terlebih dahulu. Kaedah pencirian DEP boleh dibahagikan kepada dua iaitu permodelan faktor polarisasi dan permodelan perubahan dinamik dielektrik. Setelah menentukan frekuensi menggunakan perisian analitik MATLAB, ion sesium dipisahkan dengan menggunakan elektrod (MEMS) DEP berprofil serong yang mempunyai aliran medium bersilang dengan medan elektrik menggunakan daya DEP (F_DEP). Daya tersebut terbahagi kepada dua iaitu daya tarikan positif (P_DEP) zarah secara mendatar pada paksi-y dan daya tolakan negatif (N_DEP) zarah secara menegak pada paksi-z. Daripada data pencirian DEP, ion sesium akan lebih tertarik kepada elektrod berdaya P_DEP pada julat frekuensi 1 kHz sehingga 1 MHz manakala ion sesium mengalami daya N_DEP iaitu daya tolakan zarah daripada elektrod pada frekuensi 200 MHz ke atas. Kajian ini juga menunjukkan bahawa ion sesium boleh dipisahkan daripada medium menggunakan elektrod (MEMS) DEP berprofil serong. Didapati hanya pada kepekatan 5 ppm sahaja jelas berlakunya proses pemisahan ion sesium daripada medium. Seterusnya, berdasarkan faktor Clausius-Mossotti yang diperolehi, frekuensi optimum bagi pemisahan ion sesium daripada medium ditentukan pada 55 dan 60 kHz kerana ion sesium lebih tertarik kepada elektrod (P_DEP). Keputusan mendapati bahawa frekuensi 55 kHz adalah frekuensi yang terbaik bagi pemisahan ion sesium daripada medium kerana mempunyai peratusan pemisahan yang tinggi menghampiri 60% berbanding pada frekuensi 60 kHz iaitu hanya 53%.