Нестационарная электродиффузия сильных электролитов в мембранных системах

• Автор: Кива, Тимофей Иванович
• Шифр специальности: 02.00.05
• Научная степень: Кандидатская
• Год защиты: 2006
• Место защиты: Краснодар
• Количество страниц: 130 с. : ил.

СОДЕРЖАНИЕ

1 Литературный обзор.

1.1 Структура и строение мембран.

1.1 А Структурирование в сухих ионитах и перестройка структуры при гидратации. Классический взгляд на структуру мембран.
1.2 Перенос в растворе. Понятие пограничного диффузионного слоя. Концепция Нернста и концепция Левина

1.2.1 Понятие диффузионного слоя. Концепция Нернста и концепция Левина.

1.2.2 Изменение диффузионного слоя при протекании тока

1.3 Явления переноса в мембранных системах и их описание в рамках термодинамики неравновесных процессов.

1.3.1 Уравнения переноса в интегральной форме.

1.3.2 Уравнения Кедем Канальского в дифференциальной форме

1.3.4 Уравнения ИернстаПланка

1.3.3 Основные характеристики, используемые для описания мембранных систем
1.3.3.1 Коэффициенты в уравнениях КедемКачальского.
1.4 Структурнокинетические модели мембран.
1.4.1 Гетерофазные модели.
1.4.1 Л Двухфазные модели с одной проводящей фазой
1.4.1.2 Двухфазные модели с двумя проводящими фазами
1.4.1.3 Микрогетерогенная модель
1.5 Моделирование электромембранных систем.
1.6 Применение нестационарных процессов переноса в электрохимии
1.6.1 Хронопотенциометрия как метод исследования поведения мембран при электродиализе.
1.6.2 Реверсивный ЭД
2 Нестационарная электродиффузия в системах гомогенными мембранами.
2.1 Общая постановка задачи
2.2 Одномерная модель
2.2.1 Уравнения переноса
2.2.2 Типы электрохимических ячеек и граничных условий
2.3 Метод решения
2.4 Верификация модели.
2.4.1 Верификация с помощью аналитического решения Санда
2.5 Хронопотенциометрия в непроточной ячейке.
2.5.2 Анализ хронопотенциограмм. Зависимость толщины ДС от плотности тока.
2.6 Взаимная диффузия через горизонтально расположенную мембрану
2.7 Хронопотенциометрия гомогенных мембран в проточной ячейке
3 Нестационарная электродиффузия в системах с гетерогенными мембранами
3.1 Постановка задачи.
3.3 Метод решения.
3.4 Верификация модели
3.4.1 Верификация с использованием одномерной модели нестационарной электродиффузии
3.4.2 Верификация с использованием экспериментальных данных по измерению скачка потенциала между двумя точками в растворе, выполненному с помощью капилляров Луггина.
3.4.2.1 Верификация с использованием экспериментальных данных по измерению скачка потенциала между двумя точками в растворе, выполненному с помощью капилляров Луггина. Система без мембраны.
3.4.2.2 Верификация с использованием экспериментальных данных по измерению скачка потенциала между двумя точками в растворе, выполненному с помощью капилляров Луггина. Система с
мембраной.
3.5 Хронопотенциометрия гетерогенных мембран
4 Реверсный электродиализ.
4.1 Реверсный электродиализ вод гидрокарбонатного класса.
4.2 Теоретическое описание электродиализа с реверсом тока
4.2.1 Постановка задачи
4.3 Теоретическое описание реверсного электродиализа вод гидрокарбонатного класса.
Основные результаты и выводы.
Список использованных источников


В отличие от полного реверса, описанного выше, в данном случае потоки растворов остаются постоянными. Идея реверса тока заключается в том, что короткий обратный импульс позволяет резко снизить граничную концентрацию ионов соли, что в свою очередь снижает риск осадкообразования. Развитию теории нестационарного переноса в мембранных системах посвящено сравнительно небольшое число работ 7,8,,,,,. Имеются достаточно общие постановки задачи, разработаны специальные численные методы решения для ряда случаев ,,. Однако, основное внимание авторов было направлено на изучение развития сопряженной конвекции в системах с электродами или с гомогенными мембранами 5,6,7,8,9,,,,, И. Рубинштейн, Б. Зальцман, Мищук, В. М. Волгин, А. Д. Давыдов, В. А. Шапошник, Е. Н. Коржов, М. Уртенов, Л. В. Письменский. Роль неоднородности структуры поверхности описывалась только на качественном уровне ,,,,, М. Весслинг, Д. Крол, С. Мун. В то же время знание роли поверхности и поверхностных явлений является очень важным для создания новых мембран путем направленной модификации свойств их поверхности. Также важное значение имеет изучение многоионных систем, какими являются практически все природные воды. Основной целыо данной работы является углубление и расширение знаний о явлениях нестационарного переноса ионов и воды в допредельных токовых режимах в электромембранных системах. Объектом исследования являются многоионные системы с сильными электролитами, в которых поверхностный слой мембраны отличается сложной геометрией. В результате данного исследования будут выяснены основные факторы и их роль в определении поведения мембран в процессах разделения. Речь идет о структуре поверхностного слоя на микрометрическом уровне, а также о диффузионном слое раствора, толщина которого изменяется в ходе развития концентрационной поляризации. Полученные закономерности будут учтены в математической модели, которая будет применена для нахождения оптимальных параметров электродиализа в реверсном токовом режиме. I. Впервые для теоретического описания переноса ионов и воды в многослойных мембранных системах использованы уравнения КедемКачальского КК в дифференциальной форме, полученные в рамках термодинамики неравновесных процессов. В отличие от традиционных подходов, базирующихся на уравнении НернстаПланка, использование уравнений КК позволяет учесть перекрестные эффекты переноса через мембрану осмотический перенос растворителя, а также вклады этих механизмов транспорта в трансмембранный скачок потенциала. Впервые получено теоретическое описание процесса нестационарного диализа в многоионной системе с учетом осмотического переноса растворителя, что позволило найти наблюдаемое в эксперименте изменение объема разделяемых растворов. Внесен вклад в развитие концепции и понимание роли диффузионного слоя в нестационарных процессах переноса. Показано, что толщина диффузионного слоя 8 в экспериментах по хронопотенциометрии гомогенных мембран в непроточной электродиализной ячейке несколько меньше, чем дает расчет по уравнению Левина для гравитационной конвекции. Это отклонение объяснено на основе современных представлений о зависимости 8 от плотности тока и перепаде концентрации электролита в диффузионном слое, развитых К. Аматором, а также С. С. Духиным и Мищук. В рамках двумерной модели дано количественное описание и объяснение различного хода хронопотеициограмм гомогенных и гетерогенных мембран. Впервые количественно на микрометрическом уровне описано распределение линий тока, потенциала и концентраций электролита в растворе вблизи мембраны и внутри нее. Выяснена роль гетерогенности поверхностного слоя мембран в их электрохимическом поведении при элекгродиализе в допредельном токовом режиме. Теоретически изучен нестационарный перенос ионов при электродиализе в реверсном токовом режиме. Путем численных экспериментов найдены условия проведения электродиализа, при которых существенно снижается риск отложения солей жесткости на поверхности мембран при обработке природных вод гидрокарбонатного класса.