Математическое моделирование электродинамики биполярных мембран с учетом диссоциации воды и химических реакций с ионогенными группами мембран

  • Демёхин Е.А. Финансовый университет при Правительстве Российской Федерации, Краснодар, Россия
  • Моршнева И.В. Южный федеральный университет, Ростов-на-Дону, Россия
  • Калайдин Е.Н. Кубанский государственный университет, Краснодар, Россия
УДК: 519.63:[537.29:538.93+544.6.018.4]

Аннотация

Исследуется поведение электролита около и внутри биполярной ионообменной мембраны в микромасштабах под действием нормального к мембране электрического поля. Рассмотрена трехслойная система электролит-мембрана-электролит. В основе математической модели изучаемых явлений лежит система нелинейных уравнений Нернста-Планка-Пуассона, в которую также включены уравнения транспорта ионов диссоциированной воды с источниковыми слагаемыми. Численно обнаружено, что наибольшая диссоциация воды происходит на стыке двух мембран. Поток ионов воды не только увеличивает суммарный электрический ток, но и приводит к эффекту экзальтации. Включение в модель второго эффекта Вина позволяет объяснить появление в системе режима сверхпредельных токов, который наблюдается в экспериментах.

Ключевые слова: микрофлюидика, биполярная мембрана, система Нернста-Планка-Пуассона, второй эффект Вина, численное решение

Информация об авторах

Евгений Афанасьевич Демёхин
д-р физ.-мат. наук, профессор кафедры математики и информатики Финансового университета при Правительстве Российской Федерации
e-mail: edemekhi@gmail.com
Ирина Викторовна Моршнева
канд. физ.-мат. наук, доцент кафедры вычислительной математики и математической физики Южного федерального университета
e-mail: morsh4@yandex.ru
Евгений Николаевич Калайдин
д-р физ.-мат. наук, профессор кафедры прикладной математики Кубанского государственного университета
e-mail: enkalaydin@fa.ru

Литература

  1. Frilette V.J. Preparation and characterization of bipolar ion-exchange membranes // J. Phys. Chem. 1956. Vol. 60. No 4. P. 435-439.
  2. Гребень В.П., Пивоваров Н.Я., Коварский Н.Я., Нефедова Г.З. Влияние природы ионита на физико-химические свойства биполярных ионообменных мембран // Журн. физ. Химии. 1978. Т. 52. № 10. С. 2641.
  3. Simons R. A novel method preparing bipolar membranes // Electrochim. Acta. 1986. Vol. 31. P. 1175-1177.
  4. Тимашев С.Ф., Кирганова Е.В. О механизме электролитического разложения молекул воды в биполярных мембранах // Электрохимия. 1981. Т. 17. № 3. С. 440-443.
  5. Mafe S., Ramirez P., Alcaraz A. Electric field-assisted proton transfer and water dissociation at the junction of a fixed-charge bipolar membrane // Chem. Phys. Lett. 1998. Vol. 294. No. 4-5. P. 406-412.
  6. Заболоцкий В.И., Гнусин Н.П., Шельдешов Н.В. Вольтамперные характеристики переходной области биполярной мембраны МБ-1 // Электрохимия. 1984. Т. 20. № 10. С. 1340-1345.
  7. Conroy D.T., Craster R.V., Matar O.K., Cheng L.-J., and Chang H.-C. Nonequilibrium hysteresis and Wien effect water dissociation at a bipolar membrane // Phys. Rev. E. 2012. No. 86. P. 056104.
  8. Grabowski A., Zhang G., Strathmann H., Eigenberger G. Production of high-purity water by continuous electrodeionization with bipolar membranes: Influence of concentrate and protection compartment // Sep. Purif. Technol. 2008. Vol. 60. P. 86-95.
  9. Schiffbauer J., Leibowitz N., Yossifon G. Extended space charge near nonideally selective membranes and nanochannels // Phys. Rev. E. 2015. Vol. 92. P. 013002.
  10. Demekhin E.A., Nikitin N.V., Shelistov V.S. Direct numerical simulation of electrokinetic instability and transition to chaotic motion // Physics of Fluids. 2013. Vol. 25. P. 122001.
  11. Danielsson C.-O., Dahlkild A., Velin A., Behm M.A. Model for the enhanced water dissociation on monopolar membranes // Electrochimica Acta. 2009. Vol. 54. P. 2983-2991.
  12. Electric field effects on proton transfer between ionizable groups and water in ion exchange membranes // Electrochimica Acta. 1984. Vol. 29. P. 151-158.
  13. Катализ реакции диссоциации воды фосфорнокислотными группами биполярной мембраны МБ-3 // Электрохимия. 1986. Т. 22. № 6. С. 791-795.
  14. Шельдешов Н.В., Заболоцкий В.И., Лебедев К.А., Алпатова Н.В., Ковалев Н.В. Строение области пространственного заряда на биполярной границе и диссоциация молекул воды в биполярной мембране модифицированной соединением хрома(III) // Политематический сетевой электронный научный журнал Кубанского государственного аграрного университета. 2014. № 10. С. 990-1009.
  15. Перенос ионов в мембранах. М.: Наука, 1996. 392 с.

Финансирование

Работа выполнена при финансовой поддержке РФФИ (14-08-00789 а, 16-48-230107 р_а.)

Выпуск
Страницы
39-46
Прислано
2016-12-07
Опубликовано
2016-12-22

Наиболее читаемые статьи этого автора (авторов)