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

Авторы

  • Демёхин Е.А. Финансовый университет при Правительстве Российской Федерации, Краснодар, Российская Федерация
  • Моршнева И.В. Южный федеральный университет, Ростов-на-Дону, Российская Федерация
  • Калайдин Е.Н. Кубанский государственный университет, Краснодар, Российская Федерация

УДК

519.63:[537.29:538.93+544.6.018.

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 о финансировании

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

Информация об авторах

  • Евгений Афанасьевич Демёхин

    д-р физ.-мат. наук, профессор кафедры математики и информатики Финансового университета при Правительстве Российской Федерации

  • Ирина Викторовна Моршнева

    канд. физ.-мат. наук, доцент кафедры вычислительной математики и математической физики Южного федерального университета

  • Евгений Николаевич Калайдин

    д-р физ.-мат. наук, профессор кафедры прикладной математики Кубанского государственного университета

Библиографические ссылки

  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. [Greben' V.P., Pivovarov N.Ja., Kovarskij N.Ja., Nefedova G.Z. Vlijanie prirody ionita na fiziko-himicheskie svojstva bipoljarnyh ionoobmennyh membran [Influence of the nature of the resin on the physicochemical properties of the bipolar ion-exchange membranes]. Zhurn. fiz. himii [J. of Physical Chemistry A], 1978, vol. 52, no. 10, pp. 2641. (In Russian)]
  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. [Timashev S.F., Kirganova E.V. O mehanizme jelektroliticheskogo razlozhenija molekul vody v bipoljarnyh membranah [On the mechanism of electrolytic decomposition of water molecules in the bipolar membranes]. Elektrokhimiya [Electrochemistry], 1981, vol. 17, no. 3, pp. 440-443. (In Russian)]
  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. [Zabolotsky V.I., Gnusin N.P., Sheldeshov N.V. Vol'tampernye kharakteristiki perekhodnoy oblasti bipolyarnoy membrany MB-1 [Current-voltage characteristics of the transition region of the bipolar membrane MB-1]. Elektrokhimiya [Electrochemistry], 1984, vol. 20, no. 10, pp. 1340-1345. (In Russian)]
  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. [Sheldeshov N.V., Zabolotsky V.I., Pismenskaya N.D., Gnusin N.P. Kataliz reaktsii dissotsiatsii vody fosfornokislotnymi gruppami bipoliarnoi membrany MB-3 [Catalysis of the water dissociation reaction bipolar membrane phosphoric acid group MB-3]. Elektrokhimiya [Electrochemistry], 1986, vol. 22, no. 6, pp. 791-795. (In Russian)]
  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. [Sheldeshov N.V., Zabolotsky V.I., Lebedev K.A., Alpatova N.V., Kovalev N.V. Stroenie oblasti prostranstvennogo zaryada na bipolyarnoy granitse i dissotsiatsiya molekul vody v bipolyarnoy membrane modifitsirovannoy soedineniem khroma(III) [Structure of the space charge region at bipolar junction and dissociation of water molecules in bipolar membrane modified by chromium (III) compound]. Politematicheskiy setevoy elektronnyy nauchnyy zhurnal Kubanskogo gosudarstvennogo agrarnogo universiteta [Polythematic online scientific journal of Kuban State Agrarian University], 2014, no. 10, pp. 990-1009. (In Russian)]
  15. Заболоцкий В.И., Никоненко В.В. Перенос ионов в мембранах. М.: Наука, 1996. 392 с. [Zabolotsky V.I., Nikonenko V.V. Perenos ionov v membranakh [Ion transport in membranes]. Moscow, Nauka Pub., 1996, pp. 392. (In Russian)]

Скачивания

Загрузки

Выпуск

Том  (2016) № 4

Страницы

39-46

Раздел

Статьи

Даты

Поступила в редакцию

7 декабря 2016

Принята к публикации

11 декабря 2016

Публикация

22 декабря 2016

Как цитировать

[1]
Демёхин, Е.А., Моршнева, И.В., Калайдин, Е.Н., Математическое моделирование электродинамики биполярных мембран с учетом диссоциации воды и химических реакций с ионогенными группами мембран. Экологический вестник научных центров Черноморского экономического сотрудничества, 2016, № 4, pp. 39–46.

Лицензия

Copyright (c) 2016 Демёхин Е.А., Моршнева И.В., Калайдин Е.Н.

Лицензия Creative Commons

Это произведение доступно по лицензии Creative Commons «Attribution» («Атрибуция») 4.0 Всемирная.

Похожие статьи

1-10 из 292

Вы также можете начать расширенный поиск похожих статей для этой статьи.

Наиболее читаемые статьи этого автора (авторов)

1 2 > >>