Экологически чистые электродиализные технологии : Математическое моделирование переноса ионов в многослойных мембранных системах

• Автор: Лебедев, Константин Андреевич
• Шифр специальности: 03.00.16
• Научная степень: Докторская
• Год защиты: 2002
• Место защиты: Краснодар
• Количество страниц: 276 с. : ил

Введение.

1. Экологически чистые электродиализные системы,

краевые задачи и методы их решения

1.1. Экологическая и экономическая целесообразность электродиализных технологий

1.2. Математические модели электродиффузионных процессов в многослойных ионообменных мембранных системах.

1.3. Двухточечные и многоточечные краевые задачи.

1.4. Сведение многослойной электродиффузионной задачи

к многоточечной краевой задаче.

1.5. Метод параллельной стрельбы.

1.6. Выбор итерационных параметров вычислительного метода

2. Перенос ионов в мембранных системах

в допредельных токовых режимах.
2.1. Предельный ток в мембранной системе.
2.2. Селективность систем с 2 сортами ионов
2.3. Селективность систем с 3 сортами ионов
2.4. Селективность систем с 4 сортами ионов
2.5. Диффузия соли через многослойную систему
3. Перенос ионов в мембранных системах
в запредельных токовых режимах
3.1 Особенности математического моделирования переноса ионов
в запредельных режимах.
3.2. Нарушение электронейтральности в диффузионном слое
3.3. Двойной электрический слой на границе мембрана раствор
3.4. Двойной электрический слой в стыке биполярной мембраны.
3.5. Конкурентная селективность двух противоионов
3.6. Диссоциации воды в мембранной системе
4. Некоторые актуальные теоретические проблемы прикладного
электродиализа .
4.1. Теоретическое обоснование метода гидродинамической изоляции
4.2. Неоднородность строения ионообменных мембран.
4.3. Специфическая селективность модифицированных мембран.
4.4. Процесс электрохимического умягчения
в мембранном электролизре
Библиографический список.
ПРИЛОЖЕНИЕ 1.
ПРИЛОЖЕНИЕ 2.
ПРИЛОЖЕНИЕ 3.
ВВЕДЕНИЕ


Эффективность использования электроэнергии в электродиализных технологиях достигает . Электродиализ это процесс отделения ионов солей, осуществляемый в многокамерном мембранном аппарате электродиализаторе под действием постоянного электрического тока, направленного перпендикулярно плоскости мембран. Электродиализатор разделн чередующимися катионитовыми и анионитовыми мембранами, образующими также чередующиеся концентрирующие и обессоливающие камеры. Через такую систему пропускают постоянный ток, под действием которого катионы, двигаясь к катоду, проникают через катионитовые мембраны, но задерживаются анионитовыми. Анионы двигаются к аноду, проникают через анионитовые мембраны, но задерживаются катионитовыми мембранами. В результате такого процесса ионы одного знака заряда выносятся электрическим током из одного ряда камер например, чтного в смежный ряд камер. На рис. Электродиализаторы выполняются в виде различных типов прокладочные ЭХО, лабиринтные АЭ, рамочные ЭДУ и др. Промышленные аппараты содержат сотни и тысячи мембран. Рис. Рис. Ионообменная мембранная система с возникающими в ней концентрационными профилями противоионов 1 и коионов А, обусловленными концентрационной поляризацией при протекании через не элекгрического тока плотности . Будем рассматривать фрагмент электродиализного аппарата трхслойную систему, состоящую из ионообменной мембраны один слой, помещнной в раствор одно или многокомпонентного раствора электролита, в глубине которого поддерживаются постоянные концентрации, а по обе стороны от мембраны формируются диффузионные слои два слоя рис. В теории мембранных транспортных явлений важную роль играет понятие селективности, которое отражает эффективность и технологическую целесообразность процессов переноса в мембранных системах. Под селективностью мембранной системы понимается е способность к преимущественному переносу ионов определнного вида. Различают селективность по отношению к ионам разного знака заряда знакозарядовая селективность и по отношению к одноименно заряженным ионам разной природы избирательная или специфическая селективность. Мерой селективности являются числа переноса. V V . Р константа Фарадея индексы. Это число переноса показывает, во сколько раз количество электричества, перенеснное данным видом иона, меньше или больше суммарного количества электричества, перенесенного через мембрану. При преобладании диффузионной составляющей потока число
переноса 7 может быть меньше нуля или больше единицы, но всегда Г. Электромиграционные числа переноса в рамках классических теорий являются фундаментальными характеристиками селективно проводящих свойств самой мембраны и зависят от кинетических, термодинамических и структурных свойств ионообменного материала. Ъ, коэффициент диффузии иона сорта у в мембране с концентрация ионов сорта у в мембране Ь, феноменологический коэффициент Онзагера 7. Рассмотренные числа переноса ЧП отражают селективные свойства мембранных систем или самих мембран. В теории мембранных процессов наибольшее распространение получили модели, основанные на уравнениях НернстаПланка с дополнительным уравнением либо электронейтральности, либо Пуассона . Уравнение элекгронейтральности применяется в первом диффузионном слое при токах ниже предельного пр, уравнение Пуассона при токах выше предельного ггяр. Пусть раствор сильного электролита, содержащий различных сортов ионов, разделяется вертикально расположенной ионообменной мембраной. Через систему перпендикулярно поверхности мембраны протекает постоянный электрический ТОК ПЛОТНОСТИ I рис. НернстаЭйнштейна. Вместе с тем особо отметим, что учт переноса растворителя, зависимость коэффициентов диффузии или мкости мембраны от концентрации, отказ от соблюдения соотношения НернстаЭйнштейна не приведет к существенным отличиям в предлагаемом далее методе решения. Обсуждаемая ниже схема решения остается той же самой. Вс отличие будет заключаться лишь в виде правых частей системы дифференциальных уравнений, подлежащих интегрированию. Т7 с1а , 1. А0, 1. С
1.