Введение к работе
Актуальность проблемы
При проведении технологических процессов рабочие среды в основном находятся в неравновесном состоянии. Поэтому для их описания все шире используются методы неравновесной термодинамики. Однако, экспериментальное исследование неравновесных состояний и процессов связано с определенными трудностями и ограничивается, как правило, получением кинетических зависимостей, чаще всего в виде критериальных уравнений. Для процессов, осуществляемых вблизи равновесия, могут быть получены достаточно точные зависимости, сочетающие принципы классической и неравновесной термодинамики При исследовании химико-технологических процессов важно знать степень отклонения динамической системы от равновесия. Использование для этого модельных процессов является актуальным для развития общей теории процессов и аппаратов химической технологии.
Мембранные системы, в том числе системы, включающие ионоселектив-ные мембраны, находят широкое применение в научных исследованиях, в химической и смежных отраслях промышленности. В системах с ионоселектив-ными мембранами одновременно протекают химические процессы, процессы молекулярной и конвективной диффузии и их функционирование может осуществляться как в условиях равновесия или близких к ним, так и вдали от равновесия. Поэтому мембранные процессы могут быть использованы для моделирования неравновесных условий. В настоящее время при создании мембран с улучшенными характеристиками, в отличие от стандартных подходов, все чаше используются динамические методы измерения. Важной задачей этой области является выход на неравновесные режимы процесса.
Стоит подчеркнуть, что перенос вещества в гидродинамическом потоке и диффузия - это типичные необратимые процессы, которые требуют для своего количественного анализа применения закона диссипации. Часто к этим процессам применяются законы классической термодинамики, не совсем приспособленные для оценки эффекта необратимости.
Актуальной задачей научных исследований в области изучения закономерностей протекания совокупности процессов с позиций неравновесной термодинамики является рассмотрение функционирования ионообменных мембран в качестве измерительных элементов непрерывных проточных систем.
Цель работы - моделирование мембранных систем, функционирующих в условиях потока, с использованием теории графов и принципов неравновес-
ной термодинамики и применение их в изучении процессов, протекающих на границе раздела фаз.
В качестве физической модели взята разработанная мембранная система, высокоселективная к катионам алюминия(Ш) и к металлам с переменной валентностью - Fe(lll), Ni(II), Cu(H), Co(II), Cd(II), Mg(II), функционирующая в условиях непрерывного потока в сочетании с предложенной конфигурацией одноканальной проточной системы.
Для достижения сформулированной цели поставлены следующие задачи исследования:
создать на основе теории графов математическую модель реакции комплексо-образования на границе раздела фаз применительно к функционированию мембранных систем в условиях потока;
изучить закономерности протекания совокупности процессов с позиций неравновесной термодинамики и найти связь между экспериментально измеряемыми параметрами и термодинамическими показателями;
изучить механизм и кинетику функционирования мембран в неравновесных условиях с помощью метода ионометрии в проточных условиях, основанную на реакции комплексообразования катионов металлов с изучаемыми органическими лигандами;
установить оптимальные условия функционирования мембранной системы в условиях непрерывного потока с учетом гидродинамических условий процесса;
выявить возможность применения выбранных органических соединений в качестве электродно-активных компонентов мембраны в проточной измерительной системе;
применить полученные экспериментальные разработки к промышленным образцам.
Научная новизна:
на основе принципов неравновесной термодинамики дана характеристика стационарного состояния при функционировании мембранных систем в условиях непрерывного потока;
на основе анализа экспериментальных данных предложена формула для расчета скорости производства энтропии в мембранных системах;
с помощью теории графов дано математическое описание реакции потенциа-лобразования на границе раздела фаз при функционировании мембранных систем в равновесных и неравновесных условиях, осуществляемых в условиях потока;
- дана оценка стационарного состояния систем, работающих в условиях потока, включающие разработанные ионообменные мембраны на основе 1,2-диоксиан-трахинона и аммониевой соли ауринтрикарбоновой кислоты, обратимые к ионам алюминия и ряду других металлов. Описаны их основные электрохимические и термодинамические характеристики. Обоснована возможность их применения в мониторинге технологических растворов гальванического производства и сточных вод.
Практическая значимость
Разработана конструкция мембранного модуля и предложена мембранная установка, позволяющая изучать электрохимические и термодинамические свойства мембраны в неравновесных условиях, осуществляемых в гидродинамическом режиме.
В работе подобраны органические соединения и на их основе разработаны ионообменные мембраны, которые могут быть использованы для определений в потоке ионов А1(Ш), Fe(lII), Ni(II), Cu(II), Co(II), Cd(II), Mg(Il). Результаты их апробации для модельных растворов и реальных электролитов показали удовлетворительно воспроизводимые электрохимические характеристики. Предложена методика определения ряда металлов, содержащихся в электролитах гальванического производства, в условиях непрерывных измерений.
Найдены оптимальные режимы детектирования элементов в потоке и показано, что созданные мембранные системы в сочетании с предлагаемой схемой функционирования позволяют получать воспроизводимые результаты измерений.
На многих примерах показано, что непрерывный технологический процесс с применением ионоселективных мембран может быть использован как аппаратурное оформление чувствительного метода диагностики содержания металлов в жидких средах, основанного на быстром изменении концентраций определяемых элементов.
Апробация работы
Основные положения и результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались на Международной научной конференции «Математические методы в технике и технологии» (Казань, 2005 г.), на научно-практической конференции молодых ученых «Актуальные проблемы электрохимической технологии» (Саратов, 2005 г.), на ежегодных научно-технических конференциях Ангарской государственной технической академии «Современные технологии и научно-технический прогресс» (2005-2006 г.г), на научно-технической конференции «Математика и её приложения» (Ангарск, 2006 г.), на Всероссий-
ской научно-практической конференции «Химия и химическая технология» (Иркутск, 2006 г.). Публикации
По материалам диссертации опубликовано 8 работ, в том числе 3 статьи в центральных российских изданиях, 3 статьи в сборниках и 2 тезиса докладов на Всероссийской и Международной конференциях. Структура и объём
Диссертация состоит из введения, четырёх глав, выводов, приложения актов заводских испытаний и списка литературы, включаюшего 138 библиографических ссылок. Работа изложена на 142 страницах машинописного текста, содержит 34 рисунка и 22 таблицы.
