Вплив просторового дисипативного структурування на процес електролізу системи твердий електрод – розчин електроліту - Автореферат

Один із перспективних напрямків пошуку шляхів інтенсифікації та підвищення ефективності використання енергії в електрохімічних виробництвах може бути звязаний з використанням раціональної організації процесу переносу маси, що має місце в умовах просторового дисипативного структурування. Незважаючи на ряд успіхів у поясненні формування просторових дисипативних структур (ПДС) у фізико-хімічних системах, знаходження критеріїв появи стійкості, в залежності від режиму та умов проведення електрохімічного процесу, питання практичного використання просторового дисипативного структурування в технологічних процесах, впливу магнітного поля, концентрації та деяких кінетичних характеристик електроліту, міжелектродної відстані, умов проведення електролізу, на основні параметри електрохімічного процесу в режимі дисипативного структурування залишались невивченими. Проаналізувати на основі математичної моделі для реальних електрохімічних систем її поведінку у режимі постійної різниці потенціалів між електродами в області значно віддаленій від рівноваги. Кількісно встановити величину інтенсифікації процесу електролізу в режимі з постійною напругою між електродами. Отримані результати необхідні для вибору оптимальних умов та оптимізації параметрів електролізу, при яких в системі формуються просторові дисипативні структури, що спричинюють інтенсифікацію електрохімічного процесу, зменшують витрати електроенергії на осадження одиниці маси металу.В першому розділі подано визначення і класифікацію дисипативних структур та умови їх формування у системах, потенційно здатних до самоорганізації. Проведено огляд літературних джерел по ПДС в електрохімічних системах, по впливу магнітних полів на хімічні та електрохімічні процеси: корозію, електроосадження, деякі хімічні перетворення, а також на фізичні системи - структурування рідин, здатних до намагнічування, в магнітному полі. В третьому розділі пропонується математична модель, що описує поведінку системи з конвективною нестійкістю, враховуючи кінетику електродних процесів як на катоді, так і на аноді при постійній напрузі між електродами. Сформульовані в роботі співвідношення між параметрами однозначно повязують приелектродні концентрації електроліту з прикладеною до комірки напругою U при постійних величинах концентрації електроліту в обємі і омічному опорі електроліту . В четвертому розділі експериментально вивчено поведінку системи та відгук її електричних параметрів під час електролізу в гальваностатичному режимі та при постійній напрузі між електродами; вплив орієнтації електродів у гравітаційному полі на інтенсивність транспортних процесів; дію магнітного поля на процеси самоструктурування та транспорту.Одержано швидкості циркуляційної конвекції для електроліту з концентрацією іонів Cu2 39·10-3 М. Встановлено, що із збільшенням міжелектродної відстані від 2 до 20 мм величина максимальної швидкості монотонно зростає, досягаючи стаціонарного значення 1,7 мм/с при міжелектродній відстані більше 20 мм. Збільшення міжелектродної відстані до 20 мм посилює інтенсивність природної конвекції, при цьому, характер руху рідини - ламінарний у всьому діапазоні досліджуваних густин струму та міжелектродних відстаней. При електролізі в концентрованих за іонами Cu2 електролітах з верхнім розташувванням катода виявлено режим осциляторної нестабільності, який характеризується двома типами коливань: моно - та три - амплітудними в області існування коливань при міжелектродній напрузі 115 - 250 МВ.

2. Основний зміст роботи

1. Одержано швидкості циркуляційної конвекції для електроліту з концентрацією іонів Cu2 39·10-3 М. Встановлено, що із збільшенням міжелектродної відстані від 2 до 20 мм величина максимальної швидкості монотонно зростає, досягаючи стаціонарного значення 1,7 мм/с при міжелектродній відстані більше 20 мм. Збільшення міжелектродної відстані до 20 мм посилює інтенсивність природної конвекції, при цьому, характер руху рідини - ламінарний у всьому діапазоні досліджуваних густин струму та міжелектродних відстаней.

2. При електролізі в концентрованих за іонами Cu2 електролітах з верхнім розташувванням катода виявлено режим осциляторної нестабільності, який характеризується двома типами коливань: моно - та три - амплітудними в області існування коливань при міжелектродній напрузі 115 - 250 МВ. Розташування верхнім електродом анода дає змогу усунути солеву пасивацію міді та уникнути коливань струму до міжелектродих напруг 400 МВ, що дозволяє проводити процес в більш інтенсивному режимі.

3. Наявність просторових дисипативних структур в системі в гальваностатичному режимі спричинює зменшення напруги між електродами, внаслідок чого на осадження одиниці маси металу необхідно витратити менше електроенергії. Величина пониження енергоспоживання є функцією струму, міжелектродної відстані та концентрації електроліту.

4. Теоретично та експериментально показано, що в режимі з постійною напругою між електродами при наявності в системі просторового дисипативного структурування спостерігається інтенсифікація процесу. Експериментально встановлено, що величина параметра інтенсифікації зменшується із збільшенням концентрації електроліту.

5. Найбільший вплив магнітного поля під час електролізу в системі Cu|CUSO4, H2O|Cu спостерігається при перпендикулярності напруженості постійного магнітного поля електричному. Величина відношення граничних струмів при наявності та відсутності магнітного поля не залежить від концентрації електроліту та орієнтації електродів відносно гравітаційного поля і становить 1,22±0,03.

6. Накладання зовнішнього магнітного поля на електрохімічну систему веде до пониження напруги між електродами, причому у випадку змінного магнітного поля зазначений ефект більш суттєвий.

1. Нечипорук В.В., Скіп Б.В., Бабюк Д.П. Прискорення електрохімічних процесів за рахунок просторового дисипативного структурування // Укр. хім. журн. - 1999.- Т.65.- № 8.- С. 122-126.

2. Скіп Б.В., Нечипорук В.В., Олійник Т.М. Ефекти при електролізі в присутності просторового дисипативного структурування // Укр. хім. журн. - 2000. - Т. 66. - № 8. - С. 112-113.

3. Скіп Б.В., Нечипорук В.В. Про вплив орієнтації електродів стосовно сили гравітації у стандартному електроліті міднення на солеву пасивацію// Укр. хім. журн. - 2000. -Т. 66. - № 11. - С. 35-37.

4. Скіп Б.В., Нечипорук В.В., Бабюк Д.П. Енергетичні параметри електрохімічних процесів при наявності просторового дисипативного структурування // Вопросы химии и химической технологии. Днепропетровск.-1999.-№ 1.- С. 300-301.

5. Бабюк Д.П., Нечипорук В.В., Скип Б.В. Концентрационные граничные условия в теории конвективной устойчивости электролита при поддержке постоянного напряжения на ячейке // Там же.-С. 22-24.

6. Нечипорук В.В., Скіп Б.В., Бабюк Д.П., Олійник Т.М. Інтенсифікація електрохімічних процесів за рахунок просторових дисипативних структур // Науковий вісник Чернівецького університету. Вип.16. Хімія. 1997. С. 56-65.

7. Скип Б.В., Бабюк Д.П., Нечипорук В.В. Влияние пространственных диссипативных структур на процесс массопереноса в электрохимических системах // Тезисы докладов VII Всероссийской студенческой научной конференции "Проблемы теоретической и экспериментальной химии", 1997, Екатеринбург, -C. 5.

8. Скип Б.В., Нечипорук В.В., Ткач С.Н. Исследование естественной конвекции в процессе электролиза водных растворов сульфата меди // Тезисы докладов VIII Всероссийской студенческой научной конференции "Проблемы теоретической и экспериментальной химии", 2000, Екатеринбург, - C. 62.

9. Nechyporuk V.V., Skip B.V., Tkach S.M The influence of spatial dissipative structuration on power which is used to deposition of the unit metal mass and on the intensification of the electrolysis in the system Cu|CUSO4, H2O|Cu // Materials of the 14th International Congress of Chemical and Process Engineering CHISA 2000. Praha, Czech Republic, 27-31 August 2000. Set №1. P.211.

10. Babiuk D.P., Nechyporyk V.V., Skip B.V. An investigation of free convection between plane parallel electrodes during the electrolysis of an aqueous copper sulphate solution / Materials of the 14th International Congress of Chemical and Process Engineering CHISA 2000. Praha, Czech Republic, 27-31 August 2000. Set № 1. P. 197.

Размещено на .ru