Влияние температурных эффектов, связанных с реакцией диссоциации/рекомбинации молекул воды и джоулевым нагревом раствора на стационарный перенос ионов соли в диффузионном слое

  • Коваленко А.В. Кубанский государственный университет, Краснодар, Россия
  • Уртенов М.Х. Кубанский государственный университет, Краснодар, Россия
  • Чубырь Н.О. Кубанский государственный технологический университет, Краснодар, Россия
  • Узденова А.М. Карачаево-Черкесский государственный университет им. У.Д. Алиева, г. Карачаевск, Россия
  • Гудза В.А. Кубанский государственный университет, Краснодар, Россия
УДК: 303.732.4+514.84+515.1+530.1

Аннотация

Данная работа посвящена численному анализу решения краевой задачи математической модели температурных эффектов, связанных с реакцией диссоциации/рекомбинации молекул воды, электродиффузии четырех сортов ионов одновременно (двух ионов соли, а также ионов H+ и OH-) в диффузионном слое в электромембранных системах с идеально селективной мембраной и уравнения теплопроводности, учитывающей джоулев нагрев раствора, эндо- и экзотермический характер реакций диссоциации молекул воды и рекомбинации ионов H+ и OH-. Кроме того, учитывается зависимость коэффициента равновесия реакции диссоциации/рекомбинации от температуры. Разработан алгоритм численного решения. Установлены фундаментальные закономерности переноса симметричной бинарной соли при запредельных токовых режимах в диффузионном слое с учетом тепловых эффектов, связанных с реакцией диссоциации/рекомбинации молекул воды и джоулевым нагревом.

Ключевые слова: мембранная система, ионообменная мембрана, пространственный заряд, расширенная область пространственного заряда, реакция диссоциации/рекомбинации молекул вод

Информация об авторах

Анна Владимировна Коваленко
канд. эконом. наук, доц. кафедры прикладной математики Кубанского государственного университета
e-mail: savanna-05@mail.ru
Махамет Хусеевич Уртенов
д-р физ.-мат. наук, проф. кафедры прикладной математики Кубанского государственного университета
e-mail: urtenovmax@mail.ru
Наталья Олеговна Чубырь
канд. физ.-мат. наук, доц. кафедры прикладной математики Кубанского государственного технологического университета
e-mail: chubyr-natalja@mail.ru
Аминат Магометовна Узденова
канд. физ.-мат. наук, доц., доц. кафедры информатики и вычислительной математики Карачаево-Черкесского государственного университета имени У.Д. Алиева
e-mail: uzd_am@mail.ru
Виталий Александрович Гудза
аспирант кафедры прикладной математики Кубанского государственного университета
e-mail: vitaliy.gudza@gmail.com

Литература

  1. Коваленко А.В., Уртенов М.Х., Чубырь Н.О., Узденова А.М., Гудза В.А. Математическое моделирование влияния основных температурных эффектов на стационарный перенос ионов соли в диффузионном слое // Экологический вестник научных центров Черноморского экономического сотрудничества. 2018. Т. 15. № 3. С. 78–86.
  2. Nikonenko V.V., Vasil'eva V.I., Akberova E.M., Uzdenova A.M., Urtenov M.K., Kovalenko A.V., Pismenskaya N.P., Mareev S.A., Pourcelly G. Competition between diffusion and electroconvection at an ion-selective surface in intensive current regimes // Advances in Colloid and Interface Science. 2016. Vol. 235. P. 233–246.
  3. Письменский А.В., Уртенов М.Х., Никоненко В.В., Систа Ф., Письменская Н.Д., Коваленко А.В. Моделирование и экспериментальное исследование гравитационной конвекции в электромембранной ячейке // Электрохимия. 2012. Т. 48. № 7. С. 830.
  4. Pismensky A.V., Urtenov M.K., Nikonenko V.V., Pismenskaya N.D., Kovalenko A.V., Sistat Ph. Model and experimental studies of gravitational convection in an electromembrane cell // Russian Journal of Electrochemistry. 2012. Vol. 48. No. 7. С. 756–766.
  5. Коваленко А.В., Уртенов М.А.Х., Сеидова Н.М., Письменский А.В. Влияние реакции диссоциации/рекомбинации молекул воды на перенос 1:1 электролита в мембранных системах в диффузионном слое. Часть 1. Математическая модель // Политематический сетевой электронный научный журнал Кубанского государственного аграрного университета. 2016. № 121. С. 1929–1941.
  6. Шапошникова Т.Л., Уртенов К.М., Коваленко А.В. Моделирование тепломассопереноса в канале обессоливания электродиализного аппарата водоподготовки для предприятий энергетики // Энергосбережение и водоподготовка. 2010. № 6 (68). С. 53–55.
  7. Коваленко А.В. Численный анализ 2D модели ЗОМ переноса симметричного бинарного электролита // Фундаментальные исследования. 2015. № 11-1. С. 59–65.
  8. Коваленко А.В., Уртенов М.Х., Узденова А.М., Никоненко В.В. Математическое моделирование физико-химических процессов в среде Comsol Multiphysics 5.2. СПб: Лань, 2017. 228 с.
  9. Уртенов М.А.Х., Коваленко А.В., Сеидова Н.М., Письменский А.В. Математическое моделирование влияния реакции диссоциации/рекомбинации молекул воды на перенос 1:1 электролита // Современные методы в теории обратных задач и смежные вопросы: тезисы докладов Всероссийской научной конференции. 2017. С. 110–112.
  10. Kovalenko A.V., Urtenov M.A.Kh., Seidova N.M., Pismenskiy A.V. Influence of dissociation/recombination of water molecules on the transport of binary salt ions in membrane systems // Ion transport in organic and inorganic membranes international conference: conference proceedings. Russian Academy of Sciences; Section ``Membranes and membrane technologies'' of D.I. Mendeleev;. 2017. С. 191–192.
  11. Rubinstein I., Shtilman L. Voltage against current curves of cation exchange membranes // J. Chem. Soc. Faraday Trans. II. 1979. Vol. 75. P. 231.
  12. Никоненко В.В., Заболоцкий В.И., Гнусин Н.П. Электроперенос ионов через диффузионный слой с нарушенной электронейтральностью // Электрохимия. 1989. Т. 25. № 3. С. 301–306.
  13. Листовничий А.В. Концентрационная поляризация системы электрод-раствор электролита в режиме нарушенной электронейтральности // Докл. АН УССР: Сер. Б. Геол., хим. и биол. науки. 1988. № 8. С. 39–41.
  14. Уртенов М.Х. Асимптотический и численный анализ уравнений Нернста–Планка–Пуассона. деп. №6968-В86. М.: ВИНИТИ. 1986. 18 с.
  15. Коваленко А.В., Уртенов М.Х., Чубырь Н.О., Хромых А.А., Узденова А.М., Барсукова В.Ю. Анализ краевой задачи модели переноса бинарного электролита в приближении закона Ома // Политематический сетевой электронный научный журнал Кубанского государственного аграрного университета. 2012. № 77. С. 137–150.
  16. Коваленко А.В., Уртенов М.Х., Письменский А.В. 2D Моделирование влияния основных сопряженных эффектов на перенос ионов бинарной соли в электромембранных системах // Политематический сетевой электронный научный журнал Кубанского государственного аграрного университета. 2016. № 123. С. 1711–1726.
  17. Коваленко А.В., Уртенов М.Х., Письменский А.В. Влияние реакции диссоциации/рекомбинации молекул воды на перенос 1:1 электролита в мембранных системах в диффузионном слое. Часть 3. Оценка возможности возникновения гравитационной конвекции // Политематический сетевой электронный научный журнал Кубанского государственного аграрного университета. 2016. № 123. С. 283–297.
  18. Коваленко А.В. Математическая классификация электроконвекции в электромембранных системах // Экологический вестник научных центров Черноморского экономического сотрудничества. 2016. № 4. С. 61–68.
  19. Лаврентьев А.В.,Чубырь Н.О., Уртенов К.М., Хромых А.А. Численное и асимптотическое решение неодномерной системы уравнений Нернста–Планка–Пуассона // Известия вузов. Северо-Кавказский регион. Естественные науки. 2010. № 5. С. 17–22.
  20. Сокирко А.В., Харкац Ю.И. К теории эффекта экзальтации миграционного тока с учетом диссоциации воды // Электрохимия. 1988. Т. 24. № 12. С. 1657–1663.
  21. Коваленко А.В. Влияние диссоциации воды на развитие электроконвекции в мембранных системах // Конденсированные среды и межфазные границы. 2014. Т. 16. № 3. С. 288–293.
  22. Уртенов М.Х., Письменский А.В., Никоненко В.В., Коваленко А.В. Математическое моделирование переноса ионов соли и диссоциации воды у границы ионообменная мембрана/раствор в интенсивных токовых режимах // Мембраны и мембранные технологии. 2018. Т. 8. № 1. С. 24–33.
  23. Urtenov M.Kh., Pismensky A.V., Nikonenko V.V., Kovalenko A.V. Mathematical modeling of ion transport and water dissociation at the ion-exchange membrane/solution interface in intense current regimes // Petroleum Chemistry. 2018. Т. 58. № 2. С. 121–129.
  24. Письменская Н.Д., Никоненко В.В., Белова Е.И., Лопаткова Г.Ю., Систа Ф., Пурселли Ж., Ларше К. Сопряженная конвекция раствора у поверхности ионообменной мембраны при интенсивных токовых режимах // Электрохимия. 2007. Т. 47. № 3. С. 1–21.
  25. Уртенов К.М., Коваленко А.В., Чубырь Н.О., Хромых А.А. Краевая задача для плотности тока в области пространственного заряда // Экологический вестник научных центров Черноморского экономического сотрудничества. 2010. № 1. С. 70–73.
  26. Письменский А.В., Коваленко А.В., Уртенов М.А.Х. Математическое моделирование процессов массопереноса в электромембранных системах в условиях одновременного действия вынужденной, гравитационной и электроконвекции. зависимость от начальной концентрации // Экологический вестник научных центров Черноморского экономического сотрудничества. 2014. № 3. С. 59–68.
  27. Urtenov M.A.Kh., Kovalenko A.V., Pismenskiy A.V. Evaluation of the possibility of the emergence of gravitational convection due to the recombination of hydrogen ions and hydroxyl // Ion transport in organic and inorganic membranes international conference: conference proceedings. Russian Academy of Sciences; Section ``Membranes and membrane technologies'' of D.I. Mendeleev;. 2017. С. 189–190.
  28. Коваленко А.В., Уртенов М.А.Х., Письменский А.В. 2D моделирование влияния основных сопряженных эффектов на перенос ионов бинарной соли в электромембранных системах // Политематический сетевой электронный научный журнал Кубанского государственного аграрного университета. 2016. № 123. С. 1711–1726.
  29. Казаковцева Е.В., Чубырь Н.О., Коваленко А.В., Уртенов М.А.Х., Мамчуев А.М. Перенос ионов соли в электрохимической ячейке с вращающимся мембранным диском с учетом электроконвекции. часть 3. зависимость толщины диффузионного слоя от падения потенциала // Политематический сетевой электронный научный журнал Кубанского государственного аграрного университета. 2016. № 117. С. 269–280.
  30. Коваленко А.В., Никоненко В.В., Уртенов М.А.Х., Лойко В.И. Физический смысл некоторых критериев подобия процесса переноса в канале обессоливания электродиализного аппарата с учетом электроконвекции // Политематический сетевой электронный научный журнал Кубанского государственного аграрного университета. 2015. № 105. С. 846–865.
  31. Коваленко А.В., Письменский А.В., Уртенов М.А.Х. Теория подобия электромембранных систем с учетом вынужденной, гравитационной и электроконвекции // Политематический сетевой электронный научный журнал Кубанского государственного аграрного университета. 2015. № 105. С. 866–887.
  32. Коваленко А.В., Узденова А.М., Уртенов М.А.Х., Чубырь Н.О., Хромых А.А. Программный комплекс для моделирования процессов переноса в мембранных системах в двумерном случае // Свидетельство о регистрации программы для ЭВМ RUS 2012613903 11.03.2012

Финансирование

Исследование выполнено при поддержке РФФИ (16-08-00128 А и 18-58-16003 НЦНИЛ_а).

Страницы
67-84
Раздел
Физика
Прислано
2018-10-12
Опубликовано
2018-12-21

Наиболее читаемые статьи этого автора (авторов)