Введение к работе
Актуальность проблемы. Миллионы лет эволюции создали биологические мембраны в качестве самого совершенного инструмента транспорта, разделения и синтеза веществ. Первые попытки заимствования у природы этих функций еще очень далеки от оригинала, однако уже сейчас использование синтетических мембран дает возможность решения проблемы разделения веществ с более высокими экологическими и экономическими характеристиками. Применение ионообменных мембран в электрохимических процессах привело к возникновению новых методов разделения (электромембранных), в число которых входит электродиализ с чередующимися анионо- и катионообменными мембранами.
Основной областью применения электродиализа является деминерализация природных вод. Учитывая, что 60% поверхности земли неудовлетворительно обеспечено пресной водой, а также рост народонаселения к 2000г. до б млрд человек, эксперты разных стран оценивают опреснение как социальную, экономическую и политическую проблему большой значимости. Последние данные по стоимости воды, опресненной различными методами (дистиляцией, микрофильтрацией, ультрофильтрацией, обратным осмосом, ионным обменом) отдают преимущество злектродиализу при опреснении солоноватых вод (солесодержание не выше 10 г/л). В странах СНГ к районам с большим дефицитом пресней воды относятся в первую очередь среднеазиатские республики, южная Украина, часть Волгоградской области, Калмыкии и количество таких регионов непрерывно увеличивается. Электродиализ также используется для концентрирования солей в минимальном объеме раствора, обессоливания молочной сыворотки, аминокислот, плазмы крови. Особое значение приобретает увеличение глубины обессоливания воды вплоть до получения ультрачистой для современных прецизионных производств, в том числе электронной, радиотехнической и химической промышленности.
Несмотря на существенные результаты достигнутые в раскрытии и описании основных механизмов диффузионного транспорта в электромембранных системах при вынужденной конвекции, современное состояние теории электродиализа далеко от завершения. Модели, описывающие процессы электродиализного обессоливания (концентрирования) в каналах не содержащих турбулизаторы в межмембранном пространстве имеют некоторые ограничения: мембраны идеально селективны, числа переноса катионов и анионов в растворе равны (Сонин-Пробстен); учитывается кон-
центрационная поляризация только в секции обессоливания (Заболоцкий В.И. и др.); рассматриваются процессы обессоливания и концентрирования на участке канала до перекрывания диффузионных пограничных слоев (Коржов Е.Н.). Практически не развита теория конвективного диффузионного транспорта для электромембранных аппаратов частично заполненных ионопроводящим сепараторами. Решение данных задач представляется актуальным и имеет важное прикладное значение.
Работа выполнена на кафедре аналитической химии Воронежского госуниверситета в соответствии с координационным планом НИР Научного совета по хроматографии РАН по проблеме "Хроматография. Электрофорез." (тема 2.15.11.5:" Развитие мембранных методов разделения. Развитие теории кинетики и динамики электродиализа в аппаратах с гладкими каналами и сетчатыми сепараторами"1991-1995 г.г.). Работа поддержана Российским фондом фундаментальных исследований (проект 95-03-09613).
Дель работы. Развитие теории диффузионного транспорта в электродиализных системах с ионообменными мембранами при вынужденной конвекции. Задачами работы явилось: развитие модели процессов электродиализного обессоливания и концентрирования в гладких каналах; разработка модели электродиализного обессоливания в каналах с ионопро-водйшими сепараторами; исследование структуры гидродинамических и концентрационных полей, изучение локальных характеристик массопере-носа, и сопоставление полученных результатов с экспериментальными дачными.
Научная новизна. Впервые в аналитическом виде получено решение задачи стационарной конвективной диффузии для процессов электродиализного обессоливания и концентрирования, учитывающее различие в селективности катионо- и анионообмэкных мембран, чисел переноса катионов и анионов в растворе, концентрационную поляризацию в обеих секциях на участках до и после перекрывания диффузионных пограничных слоев. Решение позволяет рассчитывать необходимые параметры процесса как по заданной разности электрических потенциалов, так и по заданной силе тока на аппарате, приближенно оценивать величину локальной предельной плотности электрического тока, исследовать влияние геометрических параметров, скорости подачи раствора в секциях, селективности и электропроводности мембран на степень деионизации растЕора.
Впервые поставлена и численно решена задача стационарной диффузии при вынужденной конвекции в плоскопараллельном канале электродиализного аппарата с ионопроводящим прокладками, позволяющая опреде-
лять толщину диффузионных пограничных слоев, концентрационное поле, распределение поверхностной концентрации и локальной плотности электрического тока как функций координат, чисел Рейнольдса и приложенного напряжения. Установлено, что локальная скорость массоперено-са значительно изменяется в зависимости от положения участка поверхности относительно сепаратора из-за формирования после выступа и перед выступом зон возвратного течения различной интенсивности.
Проведены сравнения характеристик процесса для гладкого и частично заполненного ионопроводящим материалом каналов при одинаковых значениях чисел Рейнольдса. Количественно подтверждено, что присутствие ионообменных прокладок понижает сопротивление системы. Получено обобщенное уравнение массопереноса при электродиализе с ионопро-водящими сепараторами для отдельного диапазона изменения чисел Рейнольдса.
Практическая значимость.
Предложенные модели позволяют прогнозировать течение процессов электродиализного ооессоливания и концентрирования в зависимости от выбранных условий ( приложенного напряжения или силы электрического тока на аппарате, скорости протока, концентрации электролита на входе, геометрического размера секций), оценивать величину локальной предельной плотности тока, находить корреляцию этих парзметроз для получения заданной степени деминерализации раствора. Результаты работы могут быть использованы при проектировании промышленных электродиализных аппаратов и расчете их оптимальных параметров. Создан комплекс программ для IBM PC, используемый в учебном процессе кафедры аналитической химии (спецкурс "Мембранные методы разделения веществ").
Основные положения,выносимые на защиту: L. Аналитическое решение задачи стационарной конвективной диффузии позволяющее рассчитывать концентрационные поля растворов секций обессоливакия и концентрирования при электродиализе с ионообменными мембранами. 1. Электрохимическая модель электродиализного ооессоливания с ионообменными мембранами и ионопроводящими турбулизаторами, основанная на численном решении системы дифференциальных уравнений Навье-Стокса, неразрывности и стационарной конвективной диффузии с условиями однозначности, выражающими механизм электромембранного транспорта.
3. Закономерности электродиализа, представленные в виде функциональных зависимостей обобщенных переменных, составленных из определяющих параметров электродиализа (локальных и интегральных концентраций, плотности постоянного электрического тока, разности электрических потенциалов, скорости подачи раствора, электропроводности и чисел переноса мембран, геометрических параметров секций). Апробация работы. Материалы диссертации были доложены на XIX и XX Международных конференциях по мембранной электрохимии (Краснодар-Анапа, 1993, 1994), Республиканской конференции "Информационные технологии и системы. Технологические задачи механики сплошных сред" (Воронеж,1992),IX Украинском семинаре по мембранам и мембран-технологий (Киев,1994), Российской конференции по мембранам и мембранным технологиям "Мембраны-95",I-III региональных научно-технических конференциях"Проблемы химии и химической технологии Центрального Черноземья Российской Федерации" (Липецк,1993;Тамбов,1994; Воронеж, 1995) и на ежегодных научных сессиях Воронежского госуниверситета в 1992-1994 г.г.
Публикации.По материалам диссертации опубликовано 12 работ. . Структура работы. Введение, три главы, выводы, список литературы (131 наим.), приложение. Работа изложена на 167 стр..содержит 54 рисунка и 2 таблицы.
