Multiphysics modeling of surface charge and pressure-driven electrokinetic flow in micro/nano scale porous media

Abstract

Accurate characterization of fluid transport in micro/nano confinements is essential for numerous applications from industrial, agricultural, and medical sciences. In these applications, electrokinetic interactions dominate the fluid behavior, which causes conventional fluid dynamics to become incomplete. Specifically, near-wall hydrodynamics and liquid/solid coupling at the interface varies by electrokinetic effects. Therefore, the current study focuses on characterization of the fluid transport at various porous systems and ionic conditions. The Poisson-Nernst-Planck (PNP) equations were numerically solved coupled with the Navier-Stokes (NS) equations. Charge regulation (CR) boundary condition is employed to calculate the charging behavior of the surfaces. First, the surface charging of nano-scale systems was analyzed by considering the electric double layer (EDL) overlap and inlet/outlet effects. While EDL overlap decreased the surface charge, inlet/outlet effects presented an opposite behavior. Then, transport is characterized by calculating the hydraulic conductivity from Darcy's law under electrokinetic and boundary slip effects. The results showed that electrokinetic effects decrease the hydraulic conductivity with increasing concentrations and decreasing confinement sizes. At slipping condition with a constant slip length applied, velocity slip developing on surface showed strong dependence on porosity and ionic conditions. For low porosities and high concentrations almost no-slip conditions were observed even at high slip lengths. Results showed that the transport in micro/nano-scale porous systems is dominated by electrokinetic interactions depending on porous system parameters and ionic conditions.

Mikro/nano ölçekte sıvı taşınımının doğru karakterizasyonu, endüstriyel, tarımsal ve tıbbi bilimlerde kullanılan çok sayıda uygulama için önem arz etmektedir. Bu uygulamalarda, elektrokinetik etkileşimler akışkanın davranışını önemli ölçüde etkiler ve bu da geleneksel akışkanlar dinamiği yaklaşımlarının yetersiz kalmasına neden olur. Spesifik olarak, sıvı/katı arayüzüne yakın bölgelerdeki hidrodinamik, elektrokinetik etkilere göre değişiklik gösterir. Bu nedenle, mevcut çalışma, çeşitli gözenekli sistemlerde ve çeşitli iyonik koşullarda sıvı taşınımının karakterizasyonuna odaklanmaktadır. Poisson-Nernst-Planck (PNP) denklemleri, Navier-Stokes (NS) denklemleriyle birlikte sayısal olarak çözüldü. Yüzeylerin elektrik yüklerini hesaplamak için yük düzenleme (YD) sınır koşulu kullanıldı. İlk olarak, nano ölçekli sistemlerin yüzey yükü, elektriksel çift tabaka (EÇT) çakışması ve giriş/çıkış etkileri dikkate alınarak analiz edildi. EÇT çakışması yüzey yükünü azaltırken, giriş/çıkış etkileri ters bir davranış sergilemiştir. Daha sonra, taşınım, elektrokinetik ve sınır kayması etkileri altında Darcy yasasına göre hidrolik iletkenliğin hesaplanmasıyla karakterize edildi. Sonuçlar, elektrokinetik etkilerin artan konsantrasyonlar ve azalan kanal boyutları ile hidrolik iletkenliği düşürdüğünü göstermiştir. Sabit kayma uzunluğunun uygulandığı kayma koşulunda, yüzeyde oluşan hız kayması, porozite ve iyonik koşullara güçlü bir bağımlılık göstermiştir. Düşük porozite ve yüksek konsantrasyonlar için, yüksek kayma uzunluklarında bile hemen hemen kaymama koşulları gözlenmiştir. Sonuçlar, mikro/nano ölçekte gözenekli sistemlerdeki taşınımın, gözenekli sistemin parametrelerine ve iyonik koşullara bağlı olarak gelişen elektrokinetik etkilerden büyük ölçüde etkilendiğini göstermiştir.