Введение к работе
Актуальность проблемы.
Разработка новых экологически чистых энергосберегающих технологий и совершенствование существующих в большой степени зависят от эксплуатационных качеств полимерных разделительных мембран. В настоящее время выпускается большое количество промышленных образцов ионообменных мембран. Область их применения расширяется и выходит за рамки водопод-готовки. В связи с этим актуальной является проблема обобщения и систематизации физико-химических свойств мембран с целью получения оперативной информации о возможности их использования в различных технологических схемах. Не менее важным представляется создание новых полимерных мембран и совершенствование уже имеющихся мембран путем их модифицирования. С этой целью необходимо систематическое изучение комплекса электротранспортных и структурных свойств ионообменных мебран, детальное исследование их взаимосвязи, выявление оптимального } .бора уравнений для описаний электротранспортных свойств мембранной системы, а также параметров, адекватно описывающих электродиффузионное поведение системы в различных условиях проведения процесса электродиализа.
Несмотря на существенные результаты, достигнутые в раскрытии и описании электротранспортных явлений в мембранных системах, современное состояние в области экспериментального определения, систематизации основных физико-химических характеристик ионообменных мембран, унифицирования подходов к количественному описанию далеко от совершенства. Известные теоретический подходы (Кедем-Качальского, Стефана-Максвелла, Шпиглера и др.), описывающие процессы злектропереноса в мембраных системах, являются довольно сложными для практического применения, несмотря на целый ряд упрощающих допущений об идеально-селективной мембране, однородности. Из рассмотрения обычно исключают изменения свойств равновесного раствора с ростом концентрации, в частности не учитываются коэффициенты активности. Определение коэффициентов взаимодействия потоков в уравнениях линейной неравновесной термодинамики не приносит большой пользы, так как их эффективность перекрывается условием неоднородности при решении электродиффузионкых задач, а их нахождение сопряжено с большим количеством экспериментов. Практически не развиты подходы, на основе которых возможно составление баз данных по электродиффузионным свойствам ионообменных мебран. Решение данных задач представляется актуальным и имеет важное как теоретическое, так и
прикладное значение.
Работа выполнена в соответствии с научной программой "Университеты России", а также Российского фонда фундаментальных исследований (РФФИ).
Цель работы. Развитие теоретических представлений об электротранспортных процессах в мембранных системах на основе физико-химических свойств ионообменных мембран и раствора электролита. Работа включает следующие направления исследования : развитие способа решения задач на основе феноменологического подхода;определение способов расчета коэффициентов обобщенной проводимости в уравнении Нернста-Планка; исследование физико-химического поведения системы мембрана-раствор при изменении различных внешних факторов и параметров системы; изучение характеристик массопереноса и проверка полученных результатов экспериментальными данными.
Научная новизна. Определена достаточная замкнутая система уравнений для описания явлений электропереноса ионов бинарного электролита и воды в мембранной системе в широком диапазоне концентраций.
Обоснован способ нахождения коэффициентов обобщенной проводимости для данной системы уравнений из концентрационных зависимостей удельной электропроводности, диффузионной и электроосмотической проницаемости.
Впервые учтены физико-химические характеристики раствора электролита в мембранной системе, что позволило значительно расширить диапазон концентраций, в котором возможен расчет потоков ионов и воды, диффузионного и омического падения напряжения, чисел переноса, предельного тока, концентрационного профиля при различных внешних условиях.
Практическая значимость. Предложенный подход позволяет прогнозировать поведение мембранной системы в широком диапазоне концентраций в зависимости от выбранных внешних условий (наличие концентрационного, электрического поля, их совместное действие), оценить величину предельной плотности тока от различных факторов, находить значения' величин потоков ионов и воды. Результаты работы могут быть использованы для создания баз данных физико-химических свойств мембран, первичного тестирования и сопоставления мембран по выбранным признакам . Предложена схема обработки и ввода экспериментальных данных различных форм представления, создана схема базы данных физико-химических свойств мембран. Создан комплекс програм для IBM PC, используемых в учебном процессе (спецкурс по мембранной электрохимии).
Основные положения выносимые на защиту:
-
Показана замкнутая система уравнений на основе уравнений Нерн-ста-Планка и уравнения для электроосмотического потока воды, достаточная для описания электропроводности, диффузионной проницаемости, мембранного потенциала и электроосмоса в системе ионообменная мембрана/раствор простого электролита в широком диапазоне концентраций.
-
Метод определения коэффициентов обобщенной проводимости в уравнении Нернста-Планка. основанный на обработке экспериментальных концентрационных зависимостей свойств мембраны: диффузионной проницаемости, удельной электропроводности.
-
Решение электродиффузионных задач переноса в мембранной системе, не требующее специальных знаний о структуре материала мембраны (модельных представлений), ко учитывающее его неоднородное строение, проявляющееся в характере концентрационных зависимостей удельной электропроводности и диффузионной проницаемости.
Апробация работы. Материалы диссертации докладывались на VII Всесоюзной конференции "Применение ионообменных материалов в промышленности и аналитической химии"(Воронеж, 1991). II Республиканской конференции "Мембраны и мембранная технология"(Киев, 1991(.Краевой научной конференции "Современные проблемы экологии" (Краснодар,1994). IX Всероссийском совещании "Совершенствование технологии гальванических покрытий" (Киров,1994). Научно-практической конференции " Развитие социальной и культурной сферы Кубани"(Краснодар-Горячий Ключ,1994). Всероссийской конференции по мембранам и мембранным технологиям "Мембра-ны-95"(Москва, 1995), ежегодных конференциях по электрохимии ионитов (Анапа, 1994; Туапсе, 1995,1996).
Публикации. По материалам диссертации опубликовано 9 работ.
Структура работы. Введение, четыре главы, выводы, список литературы (173 наим.). Работа изложена на 148 стр., содержит 33 рисунка и 3 таблицы.
