Гетерогенность поверхности и концентрационная зависимость коэффициента диффузии в хронопотенцио- и импедансометрии ионообменных мембран

• Автор: Мареев, Семен Александрович
• Шифр специальности: 02.00.05
• Научная степень: Кандидатская
• Год защиты: 2013
• Место защиты: Краснодар
• Количество страниц: 135 с. : ил.

СОДЕРЖАНИЕ
ВВЕДЕНИЕ

1 МЕТОДЫ ИЗУЧЕНИЯ ИОНООБМЕННЫХ МЕМБРАН

1.1 Структура и строение мембран

1.2 Диффузионный пограничный слой

1.3 Структура и геометрия поверхности и объема мембран

1.4 Влияние гетерогенности мембраны на ее поведение

1.5 Применение нестационарных процессов в мембранной электрохимии

1.5.1 Хронопотенциометрия

1.5.2 Электрохимическая импедансная спектроскопия

1.6 Моделирование сверхпредельного массопереноса

2 ОБЪЕКТЫ И МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЯ
2.1 Исследуемые монополярные мембраны
2.2 Методика исследования
2.3 Применение электрохимической импедансной спектроскопии для определения толщины диффузионного слоя около поверхности ионообменных мембран
3 НОВЫЙ ПОДХОД К ТЕОРЕТИЧЕСКОМУ ОПИСАНИЮ ЭЛЕКТРОХИМИЧЕСКОЙ ИМПЕДАНСНОЙ СПЕКТРОСКОПИИ
4 ТЕОРЕТИЧЕСКОЕ ОПИСАНИЕ НЕСТАЦИОНАРНОГО ЭЛЕКТРОПЕРЕНОСА ИОНОВ В ИОНООБМЕННОЙ СРЕДЕ С ДВУМЕРНОЙ ГЕОМЕТРИЕЙ (В РАМКАХ КОНЦЕПЦИИ НЕРНСТА)
4.1 Переход от сложной геометрии поверхности к упрощенной
4.2 Двумерная физическая модель
5 УЧЕТ ДВУМЕРНОЙ ГЕОМЕТРИИ ПРИ ИНТЕРПРЕТАЦИИ ХРОНОПОТЕНЦИОГРАММ И СПЕКТРОВ ИМПЕДАНСА ИОНООБМЕННЫХ МЕМБРАН
5.1 Двумерное моделирование хронопотенциограмм гетерогенных мембран
5.2 Верификация полученной модели
5.3 Двумерное моделирование спектров импеданса гетерогенных мембран
ВЫВОДЫ
СПИСОК ОБОЗНАЧЕНИЙ И СОКРАЩЕНИЙ
СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ

ВВЕДЕНИЕ
Актуальность темы. Электромембранные методы являются экологически эффективными и энергосберегающими способами очистки, концентрирования и разделения растворов. В настоящее время их совершенствование идет по нескольким направлениям: разработка новых модифицированных мембран, модернизация электромембранных модулей и применение специальных-токовых режимов. В частности, исследования последних лет показали перспективность применения пульсирующих токов в электродиализе (ЭД), способствующих интенсификации массопереноса и снижению осадкообразования на поверхности мембран, а также переменнотоковых режимов в микронасосах, повышающих их эффективность. В связи с этим углубленное исследование механизмов нестационарного переноса ионов в мембранных системах является одной из наиболее важных задач современной электрохимии мембран.
С другой стороны, нестационарные электрохимические методы исследования ионообменных мембран (ИОМ), хронопотенциометрия и электрохимическая импедансная спектроскопия (ЭИС), являются эффективными инструментами, позволяющими определять такие важные электрохимические характеристики, как толщина диффузионного слоя, скорость генерации Н+ и ОН" ионов, и др..
Теоретическое описание позволяет глубже понять природу процессов, происходящих в мембранных системах. Математические модели дают ключ к инженерному описанию мембранных процессов, открывают новые возможности для оптимизации электродиализных систем получения различных видов очищенной воды, что не только расширяет возможности применения, но и углубляет понимание закономерностей процесса переноса веществ через другие заряженные мембраны, например биологические [1,2].
Одномерные модели [3, 4, 5] направлены на описание закономерностей электродиффузионного переноса в гомогенных мембранных системах при условии, что известны параметры мембран и толщина диффузионного слоя.

концентрационной поляризации вне мембраны. В этом случае измерения и физическое моделирование приводит к электрическим схемам, описывающим трехслойную систему, состоящую из мембраны и двух ртутных электродов [108, 109, 110, 111]. Сопротивление мембраны определяется как предел
действительной составляющей импеданса на высоких частотах.
2) Использование ЭИС для изучения процессов, протекающих в биполярных органических мембранах, в основном используемых для получения кислот и оснований из соленых стоков (Заболоцкий, Шельдешов, Гнусин, Alcaraz, Holdik, Osaki, Hurwitz и др.). В данном случае две плотно прилегающие друг к другу монополярные мембраны составляют одну биполярную мембрану, при этом рассматривается тонкий промежуточный заряженный слой между ними. Метод позволяет определить кинетические константы реакции диссоциации воды и структуры биполярной области. [112, 113, 114, 115, 116, 117, 118, 119, 120]. На основе уравнений Нернста-Планка и Пуассона была разработана модель [115] и позже проверена экспериментально [116, 117]. В частности, было установлено, что толщина биполярной области равна 1 нм и увеличивается с увеличением плотности приложенного тока [116]. Аналитическое решение на основе закона Фика и кинетических моделей диссоциации воды показало, что спектр импеданса может быть аппроксимирован импедансом Геришера, совместно с RC элементом [112, 120].
3) Приложение ЭИС к изучению переноса ионов и воды в монополярных системах в условиях протекания постоянного тока (Бобрешова, Кулинцов, Балавадзе, Sistat, Pourcelly, Park, Choi, Moon). В этом случае наблюдается импеданс Варбурга при относительно низких частотах [121, 122, 123, 124, 125]. Анализ спектров позволяет определить толщины слоев, составляющих систему: диффузионного пограничного слоя, модифицированного слоя [125] или слоя органических и неорганических отложений [123] на поверхности мембраны.
Основные положения математического описания импеданса и несколько примеров его приложения для различных слоев и поверхностей можно найти в работах [107, 126].