Математическое моделирование нестационарного переноса 1:1 электролита и исследование области пространственного заряда в мембранных системах с учетом электроконвекции и реакции диссоциации/рекомбинации воды

Авторы

  • Уртенов М.Х. Кубанский государственный университет, Краснодар, Russian Federation
  • Коваленко А.В. Кубанский государственный университет, Краснодар, Russian Federation
  • Шарафан М.В. Кубанский государственный университет, Краснодар, Russian Federation
  • Гудза В.А. Кубанский государственный университет, Краснодар, Russian Federation
  • Чубырь Н.О. Кубанский государственный университет, Краснодар, Russian Federation

УДК

544.638.2:001.891.573

DOI:

https://doi.org/10.31429/vestnik-18-2-62-71

Аннотация

В статье сформулирована математическая модель нестационарного переноса 1:1 электролита в потенциодинамическом режиме с учетом электроконвекции и некаталитической реакции диссоциации/рекомбинации молекул воды в мембранных системах, в качестве которых рассматривается канал обессоливания электродиализного аппарата. С использованием этой модели теоретически установлены основные закономерности распределения пространственного заряда, определено влияние входных параметров: начальной концентрации, скорости развертки потенциала и т.д. Показано, что канал обессоливания состоит из узких квазиравновесных областей пространственного заряда, примыкающих к ионообменным мембранам, в центральной части возникает двойной электрический слой, вызванной реакцией рекомбинации. Между этим двойным электрическим слоем и примембранными областями пространственного заряда расположены области электронейтральности. Проведенное исследование в дальнейшем будет использование для анализа совместного влияния некаталитической реакции диссоциации молекул воды и рекомбинации и электроконвекции на вольтамперную характеристику канала обессоливания.

Ключевые слова:

диссоциация/рекомбинация молекул воды, компьютерное моделирование, математическое моделирование, электроконвекция, 2D моделирование, нестационарный перенос, канал обессоливания электродиализного аппарата, СOMSOL

Финансирование

Исследование выполнено при финансовой поддержке РФФИ в рамках научного проекта 19-08-00252 А "Теоретическое и экспериментальное исследование вольтамперных характеристик электромембранных систем".

Информация об авторах

Махамет Али Хусеевич Уртенов

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

e-mail: urtenovmax@mail.ru

Анна Владимировна Коваленко

канд. физ.-мат. наук,  доцент кафедры прикладной математики Кубанского государственного технологического университета

e-mail: savanna-05@mail.ru

Михаил Владимирович Шарафан

канд. хим. наук, доцент кафедры физической химии, проректор по научной работе и инновациям Кубанского государственного университета

e-mail: science-pro@kubsu.ru

Виталий Александрович Гудза

аспирант кафедры прикладной математики Кубанского государственного университета

e-mail: flash.wetal@mail.ru

Наталья Олеговна Чубырь

канд. физ.-мат. наук,  доцент кафедры прикладной математики Кубанского государственного технологического университета

e-mail: chubyr-natalja@mail.ru

Библиографические ссылки

  1. Frilette V.J. Preparation and characterization of bipolar ion exchange membranes // J. Phys. Chem. 1956. Vol. 60. P. 435–439. DOI: 10.1021/j150538a013
  2. Kressman T.R.E., Tye F.L. The effect of current density on the transport of ions through ion-selective membranes // Discuss. Faraday Soc. 1956. Vol. 21. P. 185–192. DOI: 10.1039/DF9562100185
  3. Block M., Kitchener J.A. The phenomenon of polarization in an industrial ion-exchange membranes // J. Electrochem. Soc. 1966. Vol. 113. P. 947. DOI: 10.1149/1.2424162
  4. Гребень В.П., Пивоваров Н.Я., Коварский Н.Я., Нефедова Г.З. Влияние природы ионита на физико-химические свойства биполярных ионообменных мембран // Журнал физической химии. 1978. Т. 52. № 10. С. 2304–2307.
  5. Заболоцкий В.И., Никоненко В.В., Корженко Н.М., Сеидов Р.Р., Уртенов М.Х. Влияние гетеролитической диссоциации воды на массоперенос ионов соли в электромембранной системе при нарушении электронейтральности в области диффузионного слоя // Электрохимия. 2002. Т. 38. № 8. P. 911–920.
  6. Urtenov M.K., Kirillova E.V., Seidova N.M., Nikonenko V.V. Decoupling of the Nernst-Planck and Poisson equations. Application to a membrane system at overlimiting currents // J. Phys. Chem. 2007. Vol. 111. P. 14208–14222. DOI: 10.1021/jp073103d
  7. Simons R. Effect of the electric field on proton transfer between ionized groups and water in ion exchange membranes. Electrochim. Acta. 1984. Vol. 29. P. 151–158. DOI: 10.1016/0013-4686(84)87040-1
  8. Rubinstein I., Maletzki F. Electroconvection at an electrically inhomogeneous permselective membrane surface // Trans. Faraday Soc. 1991. Vol. 87. P. 2079–2087. DOI: 10.1039/FT9918702079
  9. Nikonenko V., Kovalenko A., Urtenov M., Pismenskaya N., Han J., Sistat P., Pourcelly G. Desalination at overlimiting currents: State-of-the-art and perspectives // Desalination. 2014. Vol. 342. P. 85–106. DOI: 10.1016/j.desal.2014.01.008
  10. Уртенов М.Х., Письменский А.В., Никоненко В.В., Коваленко А.В. Математическое моделирование переноса ионов и диссоциации воды у границы ионообменная мембрана/раствор в интенсивных токовых режимах // Мембраны и мембранные технологии. 2018. Т. 8. № 1. С. 24–33. DOI: 10.1134/S2218117218010054
  11. Коваленко А.В., Уртенов М.Х., Чубырь Н.О., Узденова А.М., Гудза В.А. Влияние температурных эффектов, связанных с реакцией диссоциации/рекомбинации молекул воды и джоулевым нагревом раствора на стационарный перенос ионов соли в диффузионном слое. Экологический вестник научных центров Черноморского экономического сотрудничества. 2018. Т. 15. №4. С. 67–84. DOI: 10.31429/vestnik-15-4-67-84
  12. Rubinstein I., Warshawsky A., Schechtman L., Kedem O. Elimination of acid-base generation ("water-splitting") in electrodialysis // Desalination. 1984. Vol. 51. Iss. 1. P. 55–60. DOI: 10.1016/0011-9164(84)85052-3
  13. Васильева В.И., Акберова Э.М., Заболоцкий В.И. Электроконвекция в системах с гетерогенными ионообменными мембранами после температурной модификации // Электрохимия. 2017. Т. 53. № 4. C. 452–465. DOI: 10.7868/S0424857017040132
  14. Choi J.-H., Lee H.-J., Moon S.-H. Effects of Electrolytes on the Transport Phenomena in a Cation-Exchange Membrane // J. Colloid Interface Sci. 2001. Vol. 238. P. 188–195. DOI: 10.1006/jcis.2001.7510
  15. Листовничий А.В. Прохождение токов больше предельного через систему электрод-раствор электролита // Электрохимия. 1989. Т. 25. № 12. С. 1651–1654.
  16. 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.
  17. Графов Б.М., Черненко А.А. Прохождение постоянного тока через раствор бинарного электролита // Журнал физической химии. 1963. № 3. Т. 37. С. 664–665.
  18. Бабешко В.А., Заболоцкий В.И., Кириллова Е.В., Уртенов М.Х. Декомпозиция системы уравнений Нернста–Планка–Пуассона // ДАН. 1995. Т. 344. № 3. С. 485–486.
  19. Бабешко В.А., Заболоцкий В.И., Уртенов М.А.Х., Сеидов Р.Р., Сеидова Н.М. Декомпозиционные уравнения для стационарного переноса электролита в одномерном случае // Электрохимия. 1997. Т. 33. № 8. С. 855–862.
  20. Бабешко В.А., Заболоцкий В.И., Корженко Н.М., Сеидов Р.Р., Уртенов М.Х. Декомпозиционные уравнения для стационарного переноса электролита в одномерном случае // Электрохимия. 1997. № 8. С. 855–863.
  21. Бабешко В.А., Заболоцкий В.И., Уртенов М.А.Х., Сеидов Р.Р., Сеидова Н.М. Декомпозиционные уравнения для стационарного переноса электролита в одномерном случае // Электрохимия. 1997. Т. 33. № 8. С. 855–862.
  22. Бабешко В.А., Заболоцкий В.И., Корженко Н.М., Сеидов Р.Р., Уртенов М.Х. Декомпозиция неодномерной нестационарной системы уравнений Нернста-Планка и Пуассона // ДАН. 1998. Т. 361. № 1. С. 45–46.
  23. Бабешко В.А., Заболоцкий В.И., Уртенов М.А.Х., Корженко Н.М., Сеидов Р.Р. Теория стационарного переноса бинарного электролита в одномерном случае // Электрохимия. 1997. Т. 33. № 8. С. 793–800.
  24. Бабешко В.А., Заболоцкий В.И., Уртенов М.А.Х., Корженко Н.М., Сеидов Р.Р. Теория стационарного переноса бинарного электролита в слое Нернста // ДАН. 1998. Т. 361. № 2. С. 208–211.
  25. Бабешко В.А., Заболоцкий В.И., Корженко Н.М., Сеидов Р.Р., Уртенов М.Х. Теория стационарного переноса тернарного электролита в одномерном случае // ДАН. 1997. Т. 355. № 4. С. 488–497.
  26. Babeshko V.A., Zabolotskii V.I., Korzhenko N.M., Seidov R.R., Urtenov M.Kh. Stationary transport theory of ternary electrolyte in the Nernst layer // Doklady Physical Chemistry. 1998. Т. 361. № 1–3. С. 215–218.
  27. Zabolotsky V.I., Nikonenko V.V., Pismenskaya N.D., Laktionov E.V., Urtenov M.K., Strathmann H., Wessling M., Koops G.H. Coupled transport phenomena in overlimiting current electrodialysis // Separation and Purification Technology. 1998. Vol. 14. No. 1–3. P. 255–267. DOI: 10.1016/S1383-5866(98)00080-X
  28. Бабешко В.А., Заболоцкий В.И., Сеидов Е.В., Уртенов М.Х. Взаимодействие гидродинамических и электрохимических полей в мембранных процеццах // Проблемы физико-математического моделирования // Межвузовский тематический сборник. Краснодар: КубГТУ, 1998.
  29. Бабешко В.А., Заболоцкий В.И., Уртенов М.Х. Математические проблемы мембранной электрохимии // Наука Кубани. 2000. Вып. 5 (часть 1). Специальный выпуск. Материалы международной конференции. С. 3–6.
  30. Urtenov M., Gudza V., Chubyr N., Shkorkina I. Theoretical analysis of the stationary transport of 1:1 salt ions in a cross-section of a desalination channel, taking into account the non-catalytic dissociation/recombination reaction of water molecules // Membranes. 2020. Vol. 10(11) P. 342. DOI: 10.3390/membranes10110342
  31. Чубырь Н.О., Коваленко А.В., Уртенов М.Х., Сухинов А.И., Гудза В.А. Моделирование и численный анализ влияния реакции диссоциации (рекомбинации) молекул воды на перенос ионов соли в диффузионном слое // Вестник Донского государственного технического университета. 2019. Т. 19. № 3. C. 268–280. DOI: 10.23947/1992-5980-2019-19-3-268-280

Загрузки

Выпуск

Раздел

Физика

Страницы

62-71

Отправлено

2021-05-28

Опубликовано

2021-06-28

Как цитировать

Уртенов М.Х., Коваленко А.В., Шарафан М.В., Гудза В.А., Чубырь Н.О. Математическое моделирование нестационарного переноса 1:1 электролита и исследование области пространственного заряда в мембранных системах с учетом электроконвекции и реакции диссоциации/рекомбинации воды // Экологический вестник научных центров Черноморского экономического сотрудничества. 2021. Т. 18, №2. С. 62-71. DOI: https://doi.org/10.31429/vestnik-18-2-62-71

Наиболее читаемые статьи этого автора (авторов)

1 2 > >>