Please use this identifier to cite or link to this item: http://hdl.handle.net/10889/12832
Title: Investigation of electrokinetic phenomena in polymeric flows
Other Titles: Μελέτη ηλεκτροκινητικών φαινομένων σε πολυμερικές ροές
Authors: Μοσχόπουλος, Παντελής
Keywords: Electroosmosis
Polymeric solution
PEO
Keywords (translated): Διάλυμα πολυμερών
Ηλεκτροόσμωση
Abstract: We develop a comprehensive model for the electro-osmotic flow of a polyethylene oxide (PEO) solution in a NaCl aquatic solvent under steady-state conditions in a microchannel. Based on the experimental data of Huang et al. (2016) for microchannels made of poly-dimethylsiloxane (PDMS) with bonded glass interior, we show that (a) the solvent contribution in the viscosity of the fluid, (b) the polymer migration and ionic steric effects and (c) the physicochemical description of the zeta potential are essential features of the model for capturing the complex rheological behavior adequately, whereas neglecting them leads to inaccurate predictions. The formation of a polymer depletion layer along the microchannel wall maintains the polymeric chains away from the area of the highest shear-rates, thus preserving their integrity. This makes the shear-stress at the solvent/solution interface a critical quantity for the characterization of the effect of the flow on the integrity of a polymeric chain and the design of microdevices for PEO transport. The values of this interfacial shear stress are found to be almost 30% lower than estimations of the wall shear stress based on a simplified single-phase formulation, which neglects the formation of the polymer depletion layer. However, the critical stress component is not the shear, but the elongational one at this interface. The latter is found to be an order of magnitude larger than the former (!) and almost 50% lower than the elongational stress at the wall that the single-phase model predicts for the experimental conditions of Huang et al. (2016). Sweeping a wide range of values of the applied potential (340 V/cm - 500 V/cm) and the ionic concentration (0.001 mM – 10 mM), the model shows that they affect the dynamics of the depletion layer in a non-monotonic way. Indicatively, the system can also achieve higher electroosmotic mobilities and lower shear and elongational stresses at the interface of the phases by increasing the bulk ionic concentration.
Abstract (translated): Αναπτύξαμε ένα συνολικό μοντέλο για την ηλεκτρο-οσμωτική ροή ενός διαλύματος πολυαιθυλενοξειδίου (PEO) σε υδατικό NaCl ηλεκτρολύτη σε μόνιμη κατάσταση μέσα σε μικροκανάλι. Βασιζόμενοι στα πειραματικά δεδομένα των Huang et al. (2016) για μικροκανάλια από πολυδιμεθυλοσιλοξάνη (PDMS) με εσωτερικό περίβλημα από γυαλί, δείχνουμε ότι (α) η ιξώδη συνεισφορά του διαλύτη, (β) τα πολυμερικά φαινόμενα μετανάστευσης και τα ιοντικά στερητικά φαινόμενα, και (γ) η φυσικοχημική περιγραφή του δυναμικού ζ είναι απαραίτητα χαρακτηριστικά του μοντέλου για την επαρκή κατανόηση της σύνθετης ρεολογικής συμπεριφοράς, όπου η παράλειψη τους οδηγεί σε λάθος προβλέψεις. Η δημιουργία ενός στρώματος απουσίας πολυμερικών αλυσίδων κατά μήκος του τοιχώματος του μικροκαναλιού διατηρεί τις πολυμερικές αλυσίδες μακριά από την περιοχή των υψηλότερων ρυθμών διάτμησης, συντηρώντας την ακεραιότητα τους. Αυτό καθιστά την διατμητική τάση στην διεπιφάνεια διαλύτη/διαλύματος μία κρίσιμη ποσότητα για τον χαρακτηρισμό της επίδρασης της ροής στην ακεραιότητα της πολυμερικής αλυσίδας και του σχεδιασμού μίας μικροσυσκευής για μεταφορά PEO. Οι τιμές της διατμητικής τάσης στην διεπιφάνεια βρέθηκε να είναι σχεδόν 30% μικρότερες από τις εκτιμήσεις της διατμητικής τάσης στο τοίχωμα βασιζόμενη σε μία απλοποιημένη διατύπωση μίας φάσης, η οποία αμελεί την δημιουργία του στρώματος απουσίας πολυμερικών αλυσίδων. Παρόλα αυτά, η κρίσιμη συνιστώσα της τάσης δεν είναι η διατμητική τάση αλλά η εκτατική στην διεπιφάνεια. Η τελευταία βρέθηκε να είναι μίας τάξης μεγέθους μεγαλύτερη από την προηγούμενη, και σχεδόν 50% μικρότερη από την εκτατική τάσης στο τοίχωμα που προβλέπει το μοντέλο μίας φάσης για τις πειραματικές συνθήκες των Huang et al. (2016). Σαρώνοντας ένα μεγάλο εύρος των τιμών του επιβαλλόμενου δυναμικού (340 V/cm - 500 V/cm) και της ιοντικής συγκέντρωσης (0.001 mM – 10 mM), το μοντέλο δείχνει ότι επιδρούν την δυναμική του στρώματος απουσίας πολυμερούς με μη μονότονο τρόπο. Ενδεικτικά, το σύστημα επίσης μπορεί να πετύχει μεγαλύτερες ηλεκτρο-οσμωτικές κινητικότητες και μικρότερες διατμητικές και εκτατικές τάσεις στην διεπιφάνεια των τάσεων με αύξηση της ιοντικής συγκέντρωσης του διαλύματος.
Appears in Collections:Τμήμα Χημικών Μηχανικών (ΜΔΕ)

Files in This Item:
File Description SizeFormat 
Master_Thesis_PMoschopoulos.pdf2.2 MBAdobe PDFView/Open


This item is licensed under a Creative Commons License Creative Commons