Концентрационные поля и явления переноса в электромембранных системах - Автореферат

Самым информативным in situ методом экспериментального исследования концентрационных полей в растворах является лазерная интерферометрия, что определило цели и задачи данной работы. Проведенные исследования были поддержаны грантами РФФИ по темам «Теоретическое и экспериментальное моделирование электродиализа» № 95-03-09613 (1995-1997 г.г.), «Нелинейные явления переноса в электромембранных системах» № 98-03-32194 (1998-2000 г.г.), «Теория электродиффузионного переноса ионов через мембранные системы с одновременным учетом пространственного заряда, диссоциации воды и электроконвекции» № 03-03-96643 (2003-2005 г.г.), «Кинетика и динамика процесса переноса ионов в электродиализе при высокоинтенсивных токовых режимах» № 06-03-96676 (2006-2008 г.г.). Локальный анализ диффузионных пограничных слоев и математическое описание стационарной одномерной диффузии при диализе с ионообменными мембранами, основанное на решении дифференциального уравнения стационарной диффузии в трехслойной мембранной системе, для установления факторов, обеспечивающих высокую интенсивность и селективность диффузионного транспорта неэлектролитов и амфолитов через ионообменные мембраны. Методами локально-распределительного анализа концентраций, измерения температуры и вольтамперометрии показано, что переход от стационарного состояния к автоколебательному режиму в ЭМС обусловлен возникновением термо-и электроконвективных течений на границе мембрана - раствор. · Установлен нестационарный характер диффузионного слоя у мембраны и уменьшение его толщины по мере роста плотности тока в результате возникающей на межфазных границах конвективной неустойчивости раствора при токах выше предельного диффузионного значения.Введение содержит обоснование актуальности проведенного исследования, цели и задачи работы, ее научную новизну, практическую значимость и положения, выносимые на защиту.Материал главы содержит анализ основных результатов теоретических и экспериментальных исследований конвективно-диффузионного переноса в электрохимических системах, теории диффузионного пограничного слоя, закономерности транспорта ионов через ионообменные мембраны при электродиализе. Рассмотрены краевые задачи, описывающие концентрационные поля и поля скоростей при электродиализе с чередующимися катионообменными и анионообменными мембранами, дана оценка возможностей теоретического прогнозирования электромембранных процессов.В главе 2 приводятся основные физико-химические, равновесные и кинетические характеристики ионоселективных мембран и растворов, играющие существенную роль при формировании концентрационных полей, и методы исследования мембранных систем. Для исследований были взяты отечественные серийные гетерогенные катионообменные мембраны марки МК-40, МК-41, анионообменные мембраны марки МА-40, МА-41 производства ОАО «Щекиноазот» и растворы сильных, слабых электролитов, амфолитов (нейтральных ?-аминокислот), неэлектролитов (сахаридов и низших алифатических спиртов). Были применены перестраиваемый аргоновый лазер ЛГН-503 с длинами волн 457,9 и 514,5 нм, лазер непрерывного действия на парах кадмия с длиной волны 441,6 нм и гелий - неоновый лазер ЛГН-207В с длиной волны 632,8 нм. Изменение концентрации в диффузионном слое ?С, связанное с изменением показателя преломления раствора ?n, выражалось через относительное смещение интерференционных полос S: , (1) где l - толщина оптической ячейки по направлению прохождения света, ? - длина волны монохроматического источника света, ? - коэффициент чувствительности определения, который определялся при предварительной градуировке интерферометра. Для определения парциальных коэффициентов чувствительности в оптической ячейке без мембран пропускали стандартные растворы исследуемых веществ и измеряли относительные сдвиги полос при постоянной толщине оптической ячейки и заданной длине волны монохроматического источника.В главе 3 представлены результаты экспериментального измерения концентрационных полей при электродиализе в секции обессоливания при токах, не превышающих предельную диффузионную величину, в растворах сильных, слабых электролитов и амфолитов в условиях естественной и вынужденной конвекции; проведена проверка согласования полученных методом лазерной интерферометрии результатов с численными и аналитическими решениями известных электродиффузионных задач, описывающих корреляции параметров при электродиализе с ионообменными мембранами. Нелинейность концентрационных профилей заключалась в максимальном значении градиента концентрации на границе мембрана - раствор и постепенном его уменьшении до нуля в области, где концентрация раствора оставалась равна начальной (или постоянной). Несимметричность концентрационных профилей проявлялась в образовании большего градиента концентрации и, соответственно, скорости массопереноса, у мембраны с большей разностью чисел переноса противоионов в мембране и растворе. Были получены экспериментальные зависимости величин диффузионного пограничного слоя как функции скорости подачи раствора, координаты

Основное содержание работы