Введение к работе
Актуальность темы,
В электромембранных процессах движущей силой является градиент электрохимического потенциала, а потребляемой внешней энергией - электрическая энергия. Протекание электромембранного процесса в принципе не требует применения дополнительных химических реагентов, и при этом не создаются вещества, отравляющие окружающую среду. Эффективность использования электроэнергии в этих процессах составляет 80-95%. Если к тому же учесть, что при переработке растворов с помощью электромембранной технологии из них. как правило, удаляются микрокомпоненты, то становится понятным, почему оти процессы, в первую очередь, электродиализ, считаются экологически целесообразными, ресурсо- и энергосберегающими.
Данная работа направлена на развитие теории электродиализа разбавленных растворов-традиционной области применения этого процесса.
В настоящее время сформировались основные теоретические подходы к описанию явлений электропереноса в мембранных системах. Общепринятым является использование уравнения Нернота-Планка в качестве уравнения переноса как внутри мембраны, так и в граничащих с ней растворов. Имеется значительное число структурно-кинетических моделей, связывающих особенности строения мембраны с ее свойствами. Описаны основные закономерности концентрационной поляризации ионообменных мембран во внешнем электрическом поле. Сформулированы принципы построения двумерных моделей для описания электродиализа в рамках теории конвективной диффузии.
Однако модели, описывающие перенос на указанных трех пространственных уровнях (транспорт внутри мембраны, в системе мембрана/диффузионный пограничный слой и в двумерном мембранном канале), как правило, не связаны друг с другом: в них используются разные по смыслу параметры, а результаты расчета по одной модели не могут быть непосредственно использованы в другой. Недостаточно изученными остаются некоторые явления: зависимость проводящих свойств ионообменных мембран от концентрации равновесного раствора, зависимость селективности мембран от плотности тока; неясен механизм "запредельного" состояния Добавим, что установленные экспериментально закономерности протекания перечисленных явлений
различны в области разбавленных и концентрированных растворов.
Целью работы является построение системы математических моделей, охватывающей основные явления переноса в мембранных системах при электродиализе разбавленных растворов в стационарном режиме.
Научная новизна. Разработана иерархическая система математических моделей явлений переноса, протекающих при электродиализе разбавленных растворов: результаты расчетов по моделям, описывающим перенос иа некотором пространственном уровне, могут быть использованы непосредственно в качестве входных параметров для моделей переноса в более глобальном масштабе.
Получено сопряжение микрогетерогенной модели электропереноса в мембране с феноменологическим описанием с позиций неравновесной термодинамики и концепции виртуального раствора.
Построены новые математические модели электродиффузионного переноса ионов раствора тернарного электролита в системе диффузионный слой/мембрана/диффузионный слой.
Развита для случая произвольного бинарного электролита, двумерная конвективно-диффузионная модель элекгродиализа.
Впервые теоретически оценена роль гравитационной и электроконвекции в интенсификации массопереноса при электродиализе разбавленных растворов.
На основании развитых математических моделей дано количественное объяснение следующим явлениям: зависимости концентрации сорбированного мембраной электролита от его концентрации во внешнем растворе; зависимости эффективных чисел переноса ионов соли от плотности тока (явление потери селективности); зависимости ионного состава мембраны от плотности тока (явление перераспределения противоионов в системе мембрана/раствор под действием внешнего постоянного электрического поля); отсутствия горизонтального плато "предельного тока" на вольт-амперной кривой для протяженного мембранного канала за счет неодновременного наступления предельного состояния по длине канала.
Научная и практическая значимость работы. С единых теоретических позиций описаны явления переноса на разных пространствен-
ных уровнях, что способствует формированию целостной картаны и лучшему пониманию основных закономерностей электродиализа разбавленных растворов.
Получены объяснения некоторым явлениям, протекающим при электродиализе разбавленных растворов.
Часть разработанных математических моделей реализована в виде компьютерной информационно-вычислительной системы, используемой в научных исследованиях и в учебном процессе для обучения студентов 3-5 курсов университетов и аспирантов.
На основе проведенных исследований разработаны две новые конструкции мембранных каналов для электродиализного обессолива-ния разбавленных растворов, защищенных авторским свидетельством и патентом России.
Основные научные результаты и положения, выносимые на защиту :
-
Иерархическая система математических моделей, описывающих перенос ионов на трех пространственных уровнях мембранной системы.
-
Математическая модель электродиффузии тернарного электролита в системе диффузионный слой/мембрана/диффузионный слой.
-
Двумерная конвективно-диффузионная модель электродиализа разбавленного раствора бинарного электролита.
-
Количественное описание явлений потери селективности ионообменных мембран с ростом тока и перераспределения противоионов в системе мембрана/раствор под действием внешнего постоянного электрического поля.
-
Количественное описание несимметричного профиля концентрации бинарного электролита в мембранном канале электродиализатора.
-
Описание явления неодновременного наступления предельного состояния по длине мембранного канала при росте скачка потенциала на нем и связанное с этим объяснение отсутствия участка горизонтального плато на вольт-амперной кривой.
-
Теоретическая оценка роли гравитационной конвекции и электроконвекции в интенсификации массопереноса при электродиализе разбавленного раствора.
-
Теоретическое обоснование двух новых конструкций мембран-
ных каналов для электродиализного обессоливания разбавленных растворов.
Апробация работы. Материалы диссертации докладывались на ежегодных Всесоюзных и Международных конференциях по мембранной электрохимии в Джубге (1976-1993). Анапе (1994) и Туапсе (1995,1996); Всесоюзной конференции по экстракции" в Риге. (Латвия) (1977). 3-5 Всесоюзных конференциях по мембранным методам разделения смесей в Черкассах (1981), Москве (1987) и Владимире (1991). Всесоюзных конференциях по применению ионообменных материалов в промышленности и аналитической химии в Воронеже (1981, 1986. 1991), Республиканских украинских конференциях по мембранам и мембранной технологии в Киеве (1987,1991). Российской конференции Мембраны-95 в Москве (1995). на Международной конференции по неравновесным поверхностным явлениям в Киеве (Украина) (1991), 9-й Летней школе Европейского общества Мембранной науки и технологии в Звенигороде (Россия) (1991), на Международной конференции ІСОМ'93 в г.Хайдельберге (Германия); на трех семинарах по мембранной электрохимии в г. ' Монпелье (Франция) (1994); на рабочем семинаре лаборатории по электрохимии Университета Париж-6 (Ун-т Пьера и Марии Кюри) (1994); на рабочем семинаре по электродиализу Штутгардтского университета (19Э4); на Московском городском семинаре по электрохимии (1996) и др.
Публикации. Основное содержание диссертации опубликовано в 57 печатных работах, в том числе в 37 статьях и одной монографии.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, пяти глав, выводов, списка обозначений и списка цитируемой литературы. Материал диссертации изложен на 411 стр. машинописного текста, включая 75 рисунков, 16 таблиц и списка литературы (535 наименований).
