Введение к работе
- з -
Актуальность проблемы. Одной из главных задач, стоящих перед/ современной химией, является разделение смесей различных веществ и выделение отдельных компонентов. Перспективными в этом плане являются мембранные технологии, которые в настоящее время быстро развиваются. Преимущества использования мембран состоят в возможности создания безреагентных и безотходных технологий, что очень важно с точки зрения охраны окружающей среда. Потребіюсти мембранных технологий стимулировали создание новых видов мембран с новыми свойствами и функциями.
Одним из таких видов мембран являются биполярные мембраны, которые представляют собой систему из двух слоев, один из которых обладает катионообменными, а другой - аниопообменными свойствами. Их применение основано на способности генерировать ионы водорода и гидрокскла из молекул воды при прспуск&нии постоянного электрического тока, выпрямлять переменный электрический ток, пропускать преимущественно однозарядные ионы по сравнении с многозарядными, моделировать некоторые свойства биологических мембран.
Однако отсутствие ясных представлений о механизмах процессов, протекающих в биполярных мембранах и адекватных математических моделей этих процессов сдерживает разработку новых биполярных мембран и развитие технологий с их использованием. Существенная особенность теории ионного транспорта через биполярные мембраны состоит в том, что необходимо описывать процесс, учитывая протекание в объеме реакций диссоциации-рекомбинации для ионов водорода и гидроксила. При этом система демонстрирует сложное поведение, локализуя в узкой области пространства вблизи межфазиой границы катионитового и енионитового слоев производство указанных ионов. Это обуславливает особый интерес к структуре такой межфазной границы.
Эффект кислотно - основной генерации в значительной мере является следствием концентрационной поляризации межфазной границы. В то же самое время он оказывает и обратное влияние на транспорт ионоз сильного электролита. Одна из важных задач," которые возникают при исследовании транспортных характеристик мембран, состоит в том, чтобы проследить это взаимное влияние.
Явление кислотно - основной генерации наиболее ярко проявляет себя в биполярных мембранах. Однако родственные эффекты могут иметь место в случае границы раздела мембрана - раствор электролита. Построение теории мембранного транспорта в условиях кислотно - основной генерации применительно как к биполярным мембранам, так и к моноподяршм открывает возможности для математического моделирования процесса получения кислот и основании в алектродиализаторе, з котором эти мембраны выступает как фрагменты элементарной ячейки аппарата.
Основная цель работы - построение теории ионного транспорта через биполярные мембраны в многокомпонентных растворах электролитов, разработка на ее основе математической модели процесса получения кислот и оснований в злектродаализаторах с биполярными мембранами, сравнение основных выводов с экспериментом и исследование возможностей оптимизации процесса.
Научная новизна. Рассчитаны вольт-амперные характеристики биполярных мембран в растворе одко-однозэрядного электролита произвольной концентрации применительно к предельным случаям постоянной плотности фиксированных заряженных груші и постоянного дошановского потенциала в слоях мембраны. Решена задача о равновесном распределении потенциала в зазоре мевду слоями биполярной мембраны. Получены оценки пределов применимости условия локального равновесия на межфазных границах.
Построена теория конкурирующего переноса ионов разной зарядности через биполярную мембрану при постоянном фиксированном заряде и произвольном числе сортов ионов, учитывающая зависимость селективных свойств мембраны от плотности тока.
Предложено теоретическое описание эффекта кислотно-основной генерации, показывающее, что резкая интенсификация транспорта продуктов диссоциации воды через биполярные мембраны в зэпредельном режиме может быть объяснена в рамках традиционной модели, если в ней наряду с переносом ионов соли последовательно учесть транспорт ионов водорода и гидроксила. Исследованы особенности переноса ионов соли в условиях кислотно-основной генерации.
Разработана математическая модель и рассчитаны основные характеристики "идеального." биполярного алектродиализатора. Проведено математическое описание процесса утечки ионов водороде и
гидрксила из кагдар концентрирования кислоты и основания через монополярные мембраны.
На__заш«х_^ы139П15я__^^^ВД2__2^УРР^^ В5-52їРі!І'0 Ч
результаты:
-
Теория транспорта ионов одно-однозарядных электролитов через биполярны мембраны в растворе произвольной концентрации для случаев постоянного фиксированного заряда и постоянного докнановского потенциала в каждом из слоев мембраны.
-
Теория ионного транспорта через биполярные мембрани в многокомпонентных растворах электролитов малой концентрации для случая постоянного фиксированного зарила, позволявдзя рассчитать зависимость зарядовой селективности от приложенного напряжения при заданных характеристиках слоев.
-
Объяснение механизма эффекта кислотно-основной генерации, аналитический и численный расчет парциального тока ионов водорода и гидроксила в биполярных мембранах в случае большой константы скорости реакции диссоциации воды.
-
Теоретический анализ переноса ионов сильного электролита через биполярные мембраны в условиях интенсивного переноса продуктов диссоциации воды.
5. Математическая модель процесса получения кислот и
оснований в электродиализаторах с биполярными мембранами для
случая идеально селективных мембран с малым электрическим
сопротивленкем.
G. Исследование механизма переноса ионов водорода и гидроксила через монополярные мембраны с учетом протекания реакции диссовдаши-рекокбинацим, которое покапывает возможность по явления дополнительного перегиба на кривой зависимости тока от напряжения.
7. Выводы относительно возможных пределов и путей повышения эффективности процесса алектродаализного получения кислот и оснований с использованием биполярных мембран.
Практическая ценность работы. Проведенный теоретический анализ и его сравнение с экспериментом позволили раскрыть механизмы процессов, лежащих в основе таких практически важных свойств биполярных момбран, как генерация ионов водорода к гидроксила, зарядовая селективность, асимметрия проводимости, что может найти применение при разработке новых мембран и оптимизации технологических процессов с их использованием. Выводы
- б -
разработанной в диссертации теории нашли практическое приложение при проведение поисковых работ по алектродиэлизному получению кислот и оснований с применением биполярных мембран в НПО "Пластмассы" (г. Москва).
Апробация работы. Основные положения работы докладывались на Всесоюзном семинаре "Монообменнке мембраны и их применение в электродиализе" (г.Краснодар, 1987, 1988, 1991 гг.), Всесотаном семинаре по элоктроговерхностным яапеїшям и мембранным процессам (г.Кюв, 1987 г.), на научной конференции Института коллоидной химии и химии воды им. А.В.Думанского АН Украгаш (г.Киев, I9S6, li>Z8 гг.).
Рі'^іикаїїиИі По материалам диссертации опубликовано 7 работ.
Объем и структура диссертации. Диссертация состоит из введения, четырех глав, выводов и сі иска литературы. Материал диооертяпда иэлотан на 177 страігшах машинописного текста, содержит 18 рисунков. Список литературы включает 201 наименование.