Механизм транспорта ионов и диссоциации воды в мембранных системах с вращающимся мембранным диском

• Автор: Шарафан, Михаил Владимирович
• Шифр специальности: 02.00.05
• Научная степень: Кандидатская
• Год защиты: 2006
• Место защиты: Краснодар
• Количество страниц: 155 с. : ил.

ВВЕДЕНИЕ

1. ЯВЛЕНИЯ ПЕРЕНОСА В ЭЛЕКТРОМЕМБРАННЫХ СИСТЕМАХ.

1.1. Концентрационная поляризация в электромембранных системах.

1.2. Сопряженные эффекты концентрационной поляризации

1.3 Экспериментальные методы изучения концентрационной.

поляризации в электромембранных системах ЭМС.

1.4 Диссоциация молекул воды на границе ионообменная мембрана раствор.

1.4.1 Условия возникновения потоков ионов Н и ОН в

электромембранных системах.

1.4.2. Механизм диссоциации молекул воды и его влияние на перенос

ионов соли через мембрану

1.5 Математическая модель электродиффузионного переноса ионов соли и продуктов диссоциации воды в трхслойной ЭМС
1.7 Метод вращающегося дискового электрода в кинетике электродных процессов.
1.8 Метод вращающегося мембранного диска ВМД в исследованиях электромембранных систем
Заключение.
2. ОБЪЕКТЫ И МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЯ.
2.1. Исследуемые мембраны и их кондиционирование.
2.2. Измерение общих вольтамперных характеристик и чисел переноса ионов соли и продуктов диссоциации воды в ЭМС методом ВМД.
2.3. Описание конструкции установки с ВМД
2.4. Гидродинамическая и электрическая схема установки.
2.5. Методы определения предельных токов и выявление характерных точек вольтамперных характеристик ЭМС.
2.5.1. Метод касательных и метод ДВАХ
2.5.2. Расчт характерных точек ВАХ методом аппроксимации.
3. ЭЛЕКТРОМАССОПЕРЕНОС ИОНОВ СИЛЬНЫХ ЭЛЕКТРОЛИТОВ ПРИ ТОКАХ ВЫШЕ ПРЕДЕЛЬНОГО
3.1. Исследование электромассопсреноса ЫаС1 через катионообменную .мембрану МК, неосложннного реакцией диссоциации воды методом ВМД.
3.2. Исследование электромассопереноса ионов соли через катионообменную мембрану МК в разбавленных растворах ЫаС1 в условиях развития сопряженных эффектов концентрационной поляризации методом ВМД.
3.3. Расчт внутренних параметров ЭМС с мембраной МК по модели сверхпредельного состояния
3.3.1. Распределение плотности пространственного заряда в области нарушения электронейтральности диффузионного слоя и в фазе мембраны.
3.3.2. Изменение толщины диффузионного слоя при увеличении степени поляризации системы и скорости вращения ВМД.
4. ИССЛЕДОВАНИЕ ВЛИЯНИЯ ПРИРОДЫ ИОНОГЕННЫХ ГРУПП МЕМБРАН НА ПРОЦЕСС ДИССОЦИАЦИИ ВОДЫ И ПЕРЕНОС ИОНОВ ЭЛЕКТРОЛИТА МЕТОДОМ ВМД
4.1. Исследование электромассопереноса ЫаС1 через катионообменную мембрану МК в условиях интенсивно протекающей реакции диссоциации воды методом ВМД.
4.2. Расчт внутренних параметров для системы МКразбавленные растворы С1 по модели сверхпредельного состояния
4.2.1. Распределение плотности пространственного заряда в области нарушения электронсйтралыюсти диффузионного слоя и мембраны и изменение толщины диффузионного слоя
4.2.2. Распределение напряжнности электрического поля в области нарушения электронейтралыюсти диффузионного слоя и мембраны.
4.3. Механизм и скорость диссоциации воды в ионполимерах и
диффузионном слое
5. ИНТЕНСИФИКАЦИЯ МАССОПЕРЕНОСА В СИСТЕМАХ С ПРОФИЛИРОВАННЫМИ МЕМБРАНАМИ
5.1. Разработка технологии профилирования гетерогенных ионообменных мембран
5.2. Влияние геометрической неоднородности поверхности на массообменные характеристики ионообменных мембран
ВЫВОДЫ.
СПИСОК ИСПОЛЬЗУЕМЫХ ИСТОЧНИКОВ


Количественный подход и результаты определения вкладов электродиффузии, диссоциации воды, экзальтации предельного тока и электроконвекции в суммарный массоперенос в ЭМС со стабилизированным диффузионным слоем. Строение области пространственного заряда в диффузионном слое и объеме ионполимеров для сульфокислотных и фосфорнокислотных ионообменных мембран, результаты определения заряда двойного электрического слоя и его зависимости от концентрации раствора, скорости вращения мембранного диска и природы ионогенных групп. Метод расчета парциальных ВАХ для области пространственного заряда монополярных ионообменных мембран. Представление о едином механизме каталитической реакции диссоциации молекул воды в ионообменных мембранах различной природы. Новая технология профилирования ионообменных мембран совместно с С. А. Лозой и результаты исследования их массообменных характеристик. Практическая значимость. Усовершенствованный метод ВМД позволяет осуществить целенаправленное исследование сверхпредельных механизмов доставки ионов к межфазной поверхности мембранараствор. Разработаны практические рекомендации для интенсификации массопереноса в ЭМС и создания на этой основе нового поколения электродиализаторов получения деионизованной и сверхчистой воды. Разработана и защищена патентом РФ технология профилирования поверхности ионообменных мембран совместно с С. А. Лозой, позволяющая исключить эффекты капсулирования и разрушения м икроканальной структуры мембран. Результаты работы используется при чтении лекций и выполнении лабораторных работ по курсу Мембранная электрохимия для студентов химического факультета Кубанского государственного университета. Автор выражает глубокую благодарность научному руководителю доктору химических наук, профессору Заболоцкому Виктору Ивановичу за постановку задачи и руководство работой в процессе всего ее выполнения, научному консультанту доктору химических наук, профессору Шельдешову Николаю Викторовичу за постоянное внимание к настоящей работе, помощь в обсуждении результатов экспериментов и подготовке публикаций, сотрудникам кафедры прикладной математики Лебедеву Константину Андреевичу и Ловцову Евгению Геннадьевичу за предоставленную программу для расчета по модели сверхпредельного состояния ЭМС, а также сотрудникам кафедры физической химии Кубанского государственного университета доктору химических наук, профессору Березиной Нинель Петровне, канд. Ганыч Виктории Валерьевне за консультации в ходе реализации работы, Окулич Олегу Михайловичу за помощь в конструировании и изготовлении экспериментальной установки. При наложении электрического поля на мембранную систему ионы, присутствующие в растворе, посредством механизмов миграции, диффузии и конвекции доставляются к межфазной границе мембранараствор и переносятся через ионообменную мембрану. Различные значения чисел переноса ионов электролита в мембране Т и в растворе приводят к возникновению явления концентрационной поляризации в тонких слоях раствора диффузионных слоях на границе мембранараствор рис. При достижении предельного тока концентрации ионов электролита на межфазной границе стремятся к нулю, а скачок электрического потенциала стремится с бесконечности. Такая картина является идеализированной и справедлива в какойто мере только для умеренно концентрированных растворов и при плотностях тока меньше предельного. Для большинства ЭМС концентрационная поляризация осложняется протеканием побочных эффектов, рассмотрение которых будет проведено в следующем разделе. Изучению электродиффузионного переноса ионов, не осложненного побочными явлениями концентрационной поляризации, посвящено достаточное большое количество научных исследований. В ранних работах описание концентрационной поляризации ионообменных мембран ограничивалось выписыванием уравнений переноса НернстаПланка в обессоливаемом диффузионном слое, принятии условия равновесия на границе с мембраной и использованием упрощнных уравнений переноса в мембране однослойная или двухслойная модель 1, 2, 3, 4.