Введение к работе
Актуальность проблемы. Экологически чистая и экономичная
мембранная технология находит в настоящее время все новые области пршленеяия. Ее используют для обессоливания, концентрирования, разделения л очистки природных и промышленных растворов, для получения кислот и щелочей из растворов солей, для утилизации ценных и вредных веществ и для решения ряда других задач. Одним из наиболее ванных свойств ионообменных мембран, обусловливающих их практическое применение, является селек-' тивяая проницаемость мембран по отношению к одному или нескольким сортам ионов. При этом селективность мембранной системы (фрагмента мембранного аппарата) определяется не только свойствами самой мембраны, но и параметрами, отражающими состояние всей системы: концентрацией и составом раствора, гидродинамическими условиями, плотностью электрического тока. Последовательное теоретическое исследование селективности мембранных систем с учетом как свойств мембраны, так и условий ее функционирования, является необходимым этапом при решении задач оптимизации, улучшения существующих и .создания новых мембранных процессов.'"
В большинстве' современных исследований электромассспере-нос в мембранных системах рассматривается с позиций либо внутри-, либо внешнедиффузионной кинетики. В известных случаях применения смешаянодиффузионного подхода авторы не учитывают перенос коионов через мембрану, что иногда существенно ухудшает адекватность математического описания. Другой нерешенной проблемой является учет неоднородности структуры юнообменной мембраны при моделировании электродиффузионного транспорта в системе, содернащей такую мембрану. Известные теоретические и экспериментальные исследования показывают,
что без привлечения представлений о структурной неоднородности мембран не удается не только количественно описать, но и корректно объяснить характер концентрационной зависимости их электропроводности н диффузионной проницаемости.
Имеется также ряд нерешенных задач, касающихся экспериментальных методов оценки селективных свойств ионообменных мембран: отсутствует строгое теоретическое обоснование применяющихся методик, известные методики не во всех случаях являются достаточно удобными и точными.
Работа выполнялась в соответствии с целевой комплексной программой 0.10.13 ГКНТ и АН СССР "Мембранная технология" на 1986-1990 гг. и единым пятилетним планом МНТК "Мембраны" на 1986-1990'гг.
Цель работы. Теоретическое исследование селективных свойств мембранных систем путем построения и анализа смешан-нодиффузионной модели стационарного ионного транспорта в системе с учетом структурной неоднородности мембраны; критическое рассмотрение,в рамках построенной модели экспериментальных методик оценки селективных свойств ионообменных мембран.
Научная новизна. Разработана смешанно-диффузионная модель переноса трех сортов ионов через ионообменную мембрану, представляющая собой краевую задачу для трехслойной области. Проведен анализ влияния перекоса коионов на селективность мембранной системы с одно- и двухкомпонентным раствором с помощью построенной модели. Установлена.связь между эффективными и электромиграционными числами переноса, характеризующими соответственно селективность мембранной системы и самой мембраны. Впервые учтена структурная неоднородность мембраны при опи-
сании электродиффузии в мембранной системе. Предложены новые способы экспериментальной оценки элентромиграцлонных чисел переноса. Разработана модификация численного метода пристрелки для решения многослойных краевых задач.
Практическая значимость. Проведенный анализ литературных данных по экспериментальным методам определения чисел переноса представляет интерес для выбора практических способов оценки селективности ионообменных мембран при решении прикладных задач электромембранной технологии, а такне при проведении стандартизации свойств мембран.
Развитая в диссертации смешанно-диффузионная модель позволяет по набору "паспортных" -параметров мембраны (объемной доле гелевой фазы; значению структурного параметра, характеризующего взамное расположение гелевой и межгелевой Фаз в мембране; толщине мембраны; коэффициентам диффузии ионов в гелевой фазе а в растворе; константе Доннана); по значениям концентрации ионов и толщин диффузионных слоев в растворах, разделяемых мембраной; а также по заданной величине тока рассчитать плотности потоков конкурирующих противоионов и коконов, определив, таким образом, специфическую и зяакозарядо-вую селективность системы. Получаемая расчетная информация является необходимой при выборе мембраны, предназначенной цля разделения заряженных компонентов в данном растворе, а также для оптимизации процесса разделения. Указанная задача решается с помощью созданного пакета прикладных програмі.! и выведенных аналитических формул, позволяющих проводить инженерные расчеты экстремальных значений селективности. ' Теоретический анализ корректности известных методов
экспериментального определения электромиграционных чисел переноса (t. ) ионов в мембранах позволяет делать обоснованный
выбор в пользу той или иной методики. Предлояеяные новые способы измерения ; отличаются от известных простотой реализации и повышенной точностью нахождения данной величины.
Разработанная модификация метода пристрелки может быть применена для решения широкого круга проблем, приводящих к постановке краевых задач в многослойных областях.
Аптюбацкя работы. Материалы диссертации докладывались на Всесоюзной конференции "Иокоселектизные электроды" и ионный транспорт" 1982 г. в г.Ленинграде; Всесоюзном семинаре "Электроповерхностные явления и мембранные процессы" (1987 г.) в г.Киеве; Рабочем совещании "Кинетики гетерогенного массооб-ыена в ионообменных и биологических мембранах" (1987 г.) в г.Пущияо; на 6 ежегодных Всесоюзных конференциях, посвященных проблемам электрохимии яонятов (1983-1989 г.г.) в г. Краснодаре.
Публикации. Основное содержание работы излонено в 12 публикациях.
Структура и объем работы. Диссертация изложена на-191
страницах и состоит из введения, шести глав, выводов, списка
литературы, списка условных обозначений и приложений. Работа
содержит 43 рисунка, 5 таблиц, список литературы включает
203 ссылки. .