Моделирование электроконвекции в ЭМС с гетерогенными мембранами - Дипломная работа

электроконвекция моделирование гетерогенный мембрана Проблема постоянно растущего загрязнения гидросферы может иметь очень серьезные последствия для существования всего живого на нашей планете. Один из путей защиты гидросферы состоит в разработке и оптимизации экологически чистых методов водоподготовки и переработки сточных вод, в том числе методов получения питьевой, сверхчистой, апирогенной, деминерализованной и др. видов вод для промышленного и бытового пользования. В настоящее время среди наиболее эффективных и востребованных методов очистки и разделения водных растворов можно выделить мембранные методы: обратный осмос, ультрафильтрацию и электродиализ. В настоящее время наибольшее развитие получили одномерные модели стационарного переноса (Гнусин Н.П., Заболоцкий В.И., Лебедев К.А., Никоненко В.В., Уртенов М.Х., Рамирес П., Рубинштейн И., Манзанарес Ж.А., Мафе С.). Проблемы, возникающие при описании переноса в многоионных системах, рассмотрены только в случае стационарных моделей. Целью дипломной работы является моделирование электроконвекции в ЭМС с гетерогенными мембранами в среде Comsol Multiphysics 4.3 и установление основных закономерностей гетероэлектроконвекции. Одним из самых экологичных методов опреснения, очистки сточных вод, выделения из загрязненных вод определенных видов ионов являются электромембранные технологии и, в частности, электродиализ. Применение электродиализа для дезактивации воды в случае слабоминерализованных вод имеет целый ряд преимуществ перед традиционными системами очистки воды, такими как, дистилляция и ионный обмен. При эксплуатации и моделировании ЭМС принято различать мягкие токовые режимы, при которых можно пользоваться условием электронейтральности (например, допредельные токи для бинарных электролитов и токи Харкаца при учете диссоциации воды и т.д.) и жесткие (интенсивные, запредельные) токовые режимы, когда этого делать нельзя. Для глубокой деминерализации воды с исходным солесодержанием до 0.01 М предпочтительнее использование интенсивных токовых режимов (например, токов больше предельного и тока Харкаца), при которых происходит повышение эффективности процесса обессоливания за счет так называемых вторичных или сопряженных эффектов (эффект экзальтации предельного тока, гравитационная конвекция, электроконвекция и т.д.), способствующих уменьшению эффективной толщины диффузионного слоя и облегчающих доставку ионов соли из ядра потока к межфазной границе раствор/мембрана. Математические модели мембранной электрохимии строятся на основе уравнений Навье-Стокса, Нернста-Планка, Пуассона, теплопереноса и т.д. Исторически в России и в других республиках бывшего СССР сравнительно большее развитие получили электромембранные технологии и, в первую очередь, - электродиализ, который появился первым среди других мембранных методов, взяв начало в широко применяемом в своё время ионном обмене. О.Н. Григоров с сотрудниками в 1954 г. получили гетерогенные ионообменные мембраны прессованием измельчённых ионообменных смол с порошком полиэтилена, а в 1955-1958 гг. В.С. Титов, А.Б. Пашков и К.М. Салдадзе усовершенствовали этот метод и организовали в г. Щёкино Московской области цех по производству гетерогенных катионообменных и анионообменных мембран [3]. Производство биполярных мембран на основе монополярных гетерогенных мембран было налажено Г.З. Нефёдовой и Ю.Г. Фрейдлиным [4]. В 1980 г. в Воронежском государственном университете была создана установка для электродиализного получения глубокообессоленной воды производительностью 2 м3/ч [6]. 1.2 Синтез и производство гетерогенных ионоообменных мембран Основной тип ионообменных мембран, применяемых при электродиализе в России, - гетерогенные мембраны, производство которых было основано в г. Для приготовления серийной катионообменной мембраны МК-40 составляется смесь из 65% сильнокислотного сульфокатионообменника, получаемого сульфированием сополимера стирола и дивинилбензола. Серийная анионообменная мембрана МА-40 на 55% состоит из полифункционального анионообменника, содержащего, кроме 20% четвертичных аммониевых оснований, вторичные и третичные амины. Производство электромембранных установок на АЭЗ в настоящее время осуществляется компанией “Membrane Technologies” (Алматы - Москва). Другое решение проблемы утилизации минеральных солей при комплексной переработке шахтных и коллекторно-дренажных почвенных вод предлагают В.Д. Гребенюк и его коллеги (Институт коллоидной химии и химии воды им. Думанского, Киев). Если использовать “мягкие” токовые режимы, когда не происходит необратимого разложения воды на Н и ОН- ионы вблизи границ мембрана/раствор, то с уменьшением концентрации раствора скорость процесса, контролируемая внешней диффузией, слишком снижается.