Hybrid numerical-analytical method for solving problems of salt ion transport in membrane systems with axial symmetry

Cover Page

Cite item

Full Text

Abstract

The aim of this study is to develop a new hybrid numerical-analytical method for solving boundary value problems with axial symmetry, for example, with a rotating membrane disk, based on matching the asymptotic solution near the cation-exchange membrane (CEM) with the numerical solution in the rest of the region. For this, the following method is used:
1) a basic mathematical model for the transfer of salt ions in an electrochemical cell with a rotating cation-exchange membrane disk is proposed based on the general conservation laws represented by the Nernst-Planck-Poisson and Navier-Stokes equations with natural boundary and initial conditions. This model contains no fitting parameters or simplifying assumptions. However, the numerical solution of the corresponding boundary value problem presents significant computational difficulties for real solution concentrations and large jumps in the potential and angular velocity of the membrane disk rotation, associated with large concentration and potential gradients near the CEM in the quasi-equilibrium space charge region (SCR);
2) the solution region is divided into two parts, one of which is a small cation increase region (CIR) located near the CEM, and the remaining main part of the region (MPOR);
3) in the CIR, an analytical solution is found by the method of matching asymptotic solutions;
4) a simplified mathematical model is constructed in the MPOR, which differs from the basic mathematical model in such a boundary condition at the boundary with the CIR, which then allows us the solution of the corresponding boundary value problem to be matched with the solution in the CIR.
The main result is a hybrid numerical-analytical method that allows one to carry out a numerical analysis of the transfer of salt ions at real concentrations of a binary salt electrolyte solution in a wide range of changes in the potential jump and the angular velocity of the membrane disk.
Based on the results of the work, the following conclusion can be drawn, that the combination of the analytical (asymptotic) method of solving in the region of the boundary layer and the numerical solution in the rest of the region, with the exception of the boundary layer, with their subsequent splicing, makes it possible to construct an effective hybrid numerical-analytical method for solving the problems of salt ion transport in membrane systems with axial symmetry.

About the authors

Ekaterina V. Kazakovtseva

Kuban State University

Author for correspondence.
Email: vivkaterina@mail.ru
ORCID iD: 0009-0003-0040-0880
SPIN-code: 4895-4042
https://www.mathnet.ru/person208186

Senior Lecturer; Dept. of Data Analysis and Artificial Intelligence

Russian Federation, 350040, Krasnodar, Stavropolskaya st., 149

Anna V. Kovalenko

Kuban State University

Email: savanna-05@mail.ru
ORCID iD: 0000-0002-3991-3953
SPIN-code: 3693-4813
Scopus Author ID: 55328224000
http://www.mathnet.ru/person112835

Dr. Techn. Sci., Associate Professor; Head of Department; Dept. of Data Analysis and Artificial Intelligence

Russian Federation, 350040, Krasnodar, Stavropolskaya st., 149

Alexander V. Pismenskiy

Kuban State University

Email: archer812@mail.ru
ORCID iD: 0000-0003-4046-2229
SPIN-code: 9932-7747
Scopus Author ID: 13004856800
https://www.mathnet.ru/person208187

Cand. Phys. & Math. Sci.; Head of Department; Dept. of Applied Mathematics

Russian Federation, 350040, Krasnodar, Stavropolskaya st., 149

Makhamet Kh. Urtenov

Kuban State University

Email: urtenovmax@mail.ru
ORCID iD: 0000-0002-0252-6247
SPIN-code: 7189-0748
Scopus Author ID: 6603363090
http://www.mathnet.ru/person119069

Dr. Phys. & Math. Sci., Professor; Dept. of Applied Mathematics

Russian Federation, 350040, Krasnodar, Stavropolskaya st., 149

References

  1. Burmasheva N. V., Prosviryakov E. Yu. Exact solution of Navier–Stokes equations describing spatially inhomogeneous flows of a rotating fluid, Trudy Instituta Matematiki i Mekhaniki URO RAN, 2020, vol. 26, no. 2, pp. 79–87 (In Russian). EDN: IAWMLK. DOI: https://doi.org/10.21538/0134-4889-2020-26-2-79-87.
  2. Zabolotskii V. I., Shel’deshov N. V., Sharafan M. V. Electric mass transfer of sodium chloride through cation-exchange membrane MK-40: A rotating membrane disk study, Russ. J. Electrochem., 2006, vol. 42, no. 12, pp. 1345-1351. EDN: LJVHER. DOI: https://doi.org/10.1134/S1023193506120123.
  3. Kazakovtseva E. V. A theoretical study of the quasi-equilibrium region of the space charge in membrane systems with axial symmetry, Perspektivy Nauki, 2023, no. 6(165), pp. 58–68 (In Russian). EDN: DRJSOK.
  4. Prosviryakov E. Yu. Recovery of radial-axial velocity in axisymmetric swirling flows of a viscous incompressible fluid in the Lagrangian consideration of vorticity evolution, Vestn. Udmurtsk. Univ. Mat. Mekh. Komp. Nauki, 2021, vol. 31, no. 3, pp. 505–516 (In Russian). EDN: ORVWHT. DOI: https://doi.org/10.35634/vm210311.
  5. Chubyr N. O., Kovalenko A. V., Urtenov M. Kh., Gudza I. V. Mathematical model of salt ion stationary transport in the cross section of the channel at equilibrium, Modeling, Optimization and Information Technology, 2022, vol. 10, no. 3(38) (In Russian). EDN: DIECUK. DOI: https://doi.org/10.26102/2310-6018/2022.38.3.009.
  6. Achoh A., Melnikov S., Bondarev D. Electrochemical characteristics of the MF-4SK membrane doped with the hyperbranched phosphorylated dendrimer BOLTORN H20, In: Ion Transport in Organic and Inorganic Membranes, Conference Proceedings (Sochi, 22–27 May 2023). Krasnodar, 2023, pp. 15–17. EDN: RPXPHA.
  7. Bondarev D., Eterevskova S., Zabolotsky V., et al. Homogeneous anion-exchange membrane with heterocyclic functional groups, In: Ion Transport in Organic and Inorganic Membranes, Conference Proceedings (Sochi, 22–27 May 2023). Krasnodar, 2023, pp. 31–32. EDN: BPLDVU.
  8. Melnikov S. Experimental and theoretical study of ion transport through bilayer ionexchange membranes, In: Ion Transport in Organic and Inorganic Membranes, Conference Proceedings (Sochi, 22–27 May 2023). Krasnodar, pp. 185–187. EDN: WKHJME.
  9. Prosviryakov E. Yu. Non-helical exact solutions to the Euler equations for swirling axisymmetric fluid flows, Vestn. Samar. Gos. Tekhn. Univ., Ser. Fiz.-Mat. Nauki [J. Samara State Tech. Univ., Ser. Phys. Math. Sci.], 2019, vol. 23, no. 4, pp. 764–770. EDN: WITBIY. DOI: https://doi.org/10.14498/vsgtu1715.
  10. The splitting of Navier–Stokes equations for a class of axisymmetric flows, Vestn. Samar. Gos. Tekhn. Univ., Ser. Fiz.-Mat. Nauki [J. Samara State Tech. Univ., Ser. Phys. Math. Sci.], 2020, vol. 24, no. 1, pp. 163–173 (In Russian). EDN: RUDNVJ. DOI: https://doi.org/10.14498/vsgtu1740.
  11. Zabolotskii V. I., Nikonenko V. V. Perenos ionov v membranakh [Ion Transport in Membranes]. Moscow, Nauka, 1996, 392 pp. (In Russian)
  12. Uzdenova A. M., Kovalenko A. V., Urtenov M. K., Nikonenko V. V. Theoretical analysis of the effect of ion concentration in solution bulk and at membrane surface on the mass transfer at overlimiting currents, Russ. J. Electrochem., 2017, vol. 53, no. 11, pp. 1254–1265. EDN: XXDDNZ. DOI: https://doi.org/10.1134/S1023193517110179.

Supplementary files

Supplementary Files
Action
1. JATS XML
2. Figure 1. Investigated cross-section of the region $\Omega$ and its boundaries: 1—depth of the solution where the electroneutrality condition is satisfied; 2—axis of symmetry; 3—cation-exchange membrane; 4—open boundary

Download (46KB)
3. Figure 2. Fluid streamlines at $t = 1000$ s in the base model (a), in the base model near the cation-exchange membrane (b), in the model without the cation increase region (c), in the model without the cation increase region near the cation-exchange membrane (d)

Download (995KB)
4. Figure 3. Concentration $C_{1}$ at $t = 1000$ s and different cross sections for $r$ in the base model (a), in the base model near the cation-exchange membrane (b), in the model without the cation increase region (c), in the model without the cation increase region near the cation-exchange membrane (d)

Download (1MB)
5. Figure 4. Concentration $C_{2}$ at $t = 1000$ s and different cross sections for $r$ in the base model (a), in the base model near the cation-exchange membrane (b), in the model without the cation increase region (c), in the model without the cation increase region near the cation-exchange membrane (d)

Download (1MB)
6. Figure 5. Concentration difference $C_1-C_2$ at $t = 1000$ s and different cross sections for $r$ in the base model (a), in the base model without taking into account the quasi-equilibrium region of the space charge (b), in the model without the cation increase region (c)

Download (734KB)
7. Figure 6. Plots of the potential at $t = 1000$ s and different cross sections for $r$ in the base model (a), in the model without the cation increase region (b)

Download (492KB)
8. Figure 7. Plots of the potential difference between the base model and the model without the cation increase region at $t = 1000$ s and different cross sections for $r$

Download (232KB)
9. Figure 8. Plots of the radial velocity at $t = 1000$ s and different cross sections for $r$ in the base model (a), in the model without the cation increase region (b)

Download (685KB)
10. Figure 9. Plots of the azimuthal velocity at $t = 1000$ s and different cross sections for $r$ in the base model (a), in the model without the cation increase region (b)

Download (593KB)
11. Figure 10. Plots of the axial velocity at $t = 1000$ s and different cross sections for $r$ in the base model (a), in the model without the cation increase region (b)

Download (641KB)
12. Figure 11. Plots of the axial velocity at $t = 1000$ s and different cross sections for $r$ in the base model (a), in the model without the cation increase region (b)

Download (432KB)

Copyright (c) 2024 Authors; Samara State Technical University (Compilation, Design, and Layout)

Creative Commons License
This work is licensed under a Creative Commons Attribution 4.0 International License.

Согласие на обработку персональных данных с помощью сервиса «Яндекс.Метрика»

1. Я (далее – «Пользователь» или «Субъект персональных данных»), осуществляя использование сайта https://journals.rcsi.science/ (далее – «Сайт»), подтверждая свою полную дееспособность даю согласие на обработку персональных данных с использованием средств автоматизации Оператору - федеральному государственному бюджетному учреждению «Российский центр научной информации» (РЦНИ), далее – «Оператор», расположенному по адресу: 119991, г. Москва, Ленинский просп., д.32А, со следующими условиями.

2. Категории обрабатываемых данных: файлы «cookies» (куки-файлы). Файлы «cookie» – это небольшой текстовый файл, который веб-сервер может хранить в браузере Пользователя. Данные файлы веб-сервер загружает на устройство Пользователя при посещении им Сайта. При каждом следующем посещении Пользователем Сайта «cookie» файлы отправляются на Сайт Оператора. Данные файлы позволяют Сайту распознавать устройство Пользователя. Содержимое такого файла может как относиться, так и не относиться к персональным данным, в зависимости от того, содержит ли такой файл персональные данные или содержит обезличенные технические данные.

3. Цель обработки персональных данных: анализ пользовательской активности с помощью сервиса «Яндекс.Метрика».

4. Категории субъектов персональных данных: все Пользователи Сайта, которые дали согласие на обработку файлов «cookie».

5. Способы обработки: сбор, запись, систематизация, накопление, хранение, уточнение (обновление, изменение), извлечение, использование, передача (доступ, предоставление), блокирование, удаление, уничтожение персональных данных.

6. Срок обработки и хранения: до получения от Субъекта персональных данных требования о прекращении обработки/отзыва согласия.

7. Способ отзыва: заявление об отзыве в письменном виде путём его направления на адрес электронной почты Оператора: info@rcsi.science или путем письменного обращения по юридическому адресу: 119991, г. Москва, Ленинский просп., д.32А

8. Субъект персональных данных вправе запретить своему оборудованию прием этих данных или ограничить прием этих данных. При отказе от получения таких данных или при ограничении приема данных некоторые функции Сайта могут работать некорректно. Субъект персональных данных обязуется сам настроить свое оборудование таким способом, чтобы оно обеспечивало адекватный его желаниям режим работы и уровень защиты данных файлов «cookie», Оператор не предоставляет технологических и правовых консультаций на темы подобного характера.

9. Порядок уничтожения персональных данных при достижении цели их обработки или при наступлении иных законных оснований определяется Оператором в соответствии с законодательством Российской Федерации.

10. Я согласен/согласна квалифицировать в качестве своей простой электронной подписи под настоящим Согласием и под Политикой обработки персональных данных выполнение мною следующего действия на сайте: https://journals.rcsi.science/ нажатие мною на интерфейсе с текстом: «Сайт использует сервис «Яндекс.Метрика» (который использует файлы «cookie») на элемент с текстом «Принять и продолжить».