Исследование хронограмм тока, строения областей диссоциации, рекомбинации и равновесия в задачах нестационарного переноса 1:1 электролита в мембранных системах с использованием математической модели

Совместное исследование реакции диссоциации-рекомбинации и пространственного заряда и их влияние на перенос ионов 1:1 электролита является актуальной проблемой. Целью данной статьи является теоретическое исследование областей диссоциации, рекомбинации и равновесия и особенности переноса ионов соли в каждой из этих областей с использованием метода математического моделирования. В статье впервые на основе математической модели нестационарного переноса 1:1 электролита теоретически установлены основные закономерности влияния некаталитической реакции диссоциации и рекомбинации на перенос ионов 1:1 соли и электроконвекцию. В частности, исследованы хронограммы плотности тока с учетом и без учета реакции диссоциации/рекомбинации воды, строение областей диссоциации, рекомбинации и равновесия, определены зависимости от входных параметров: начальной концентрации, скорости развертки потенциала. Показано, что в погранслоях у ионообменных мембран реакция диссоциации преобладает над реакцией рекомбинацией, в связи с тем, что в этих областях напряженность электрического поля принимает настолько большие значения, что электрическое поле разрывает молекулы воды и растаскивает ионы Н+ и ОН- не позволяя им рекомбинировать. Впервые показано, что в средней части канала обессоливания образуется область, где преобладает рекомбинация ионов Н+ и ОН-. Эта реакция носит локальный характер, поэтому все ионы Н+ и ОН- одновременно не могут рекомбинировать. Вследствие этого в области рекомбинации образуется избыток ионов Н+ с одной стороны и ОН- с другой стороны, то есть образуется двойной электрический слой в средней части канала обессоливания, причем область рекомбинации достаточно узкая. Полученные теоретические результаты и выводы могут быть использованы для анализа работы каналов обессоливания электродиализных аппаратов.

1. Frilette V.J. Preparation and characterization of bipolar ion exchange membranes. J. Phys. Chem. 1956;60:435–439.

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;21:185–292.

3. Block M., Kitchener J.A. The phenomenon of polarization in an industrial ion-exchange membranes. J. Electrochem. Soc. 1966;113:947.

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;52(10):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;38(8):911–920. Доступно по: https://elibrary.ru/item.asp?id=44584753 (дата обращения: 12.01.2022).

6. Urtenov M.Kh., 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.B. 2008;111(51):14208–14222. Доступно по: https://www.researchgate.net/publication/5796236_Decoupling_of_the_Nernst-Planck_and_Poisson_Equations_Application_to_a_Membrane_System_at_Overlimiting_Currents. DOI:10.1021/jp073103d. (дата обращения: 12.01.2022).

7. Simons R. Effect of the electric field on proton transfer between ionized groups and water in ion exchange membranes. Electrochim. Acta. 1984;29(2):151–158. Доступно по: https://www.sciencedirect.com/science/article/abs/pii/0013468684870401?via%3Dihub (дата обращения: 12.01.2022). DOI:10.1016/0013-4686(84)87040-1.

8. Rubinstein I., Shtilman L. Voltage against current curves of cation exchange membranes. J. Chem. Soc. Faraday Trans. 1979;75:231–246. Доступно по: https://pubs.rsc.org/en/content/articlelanding/1979/F2/f29797500231. DOI:10.1039/F29797500231. (дата обращения: 12.01.2022).

9. 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;8(1):24–33. Доступно по: https://elibrary.ru/item.asp?id=32360057. (дата обращения: 12.01.2022). DOI: 10.1134/S2218117218010054.

10. 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 ЧЭС. 2018;15(4):67–84. Доступно по: https://elibrary.ru/item.asp?id=36642511. (дата обращения: 12.01.2022). DOI: 10.31429/vestnik-15-4-67-84.

11. Xu H., Ji X., Wang L., Huang J., Han J., Wang Y. Performance study on a small-scale photovoltaic electrodialysis system for desalination. Renewable Energy. 2020;154(11):1008–1013. Доступно по: https://www.researchgate.net/publication/339949517_Performance_study_on_a_small-scale_photovoltaic_electrodialysis_system_for_desalination (дата обращения: 12.01.2022).DOI:10.1016/j.renene.2020.03.066.

12. 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;19(3):268–280. Доступно по: https://elibrary.ru/item.asp?id=40962593 (дата обращения: 12.01.2022). DOI: 10.23947/1992-5980-2019-19-3-268-280.

13. 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;10(11):342. Доступно по: https://elibrary.ru/item.asp?id=45153303 (дата обращения: 12.01.2022). DOI: 10.3390/membranes10110342.

14. 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 ЧЭС. 2021;18(2):62–71. Доступно по: https://elibrary.ru/item.asp?id=46200217 (дата обращения: 12.01.2022). DOI: 10.31429/vestnik-18-2-62-71.

15. Харкац Ю.И. К теории эффекта экзальтации миграционного тока. Электрохимия. 1978;12(14):1840–1844.

16. Коваленко А.В., Гудза И.В., Письменский А.В., Чубырь Н.О., Уртенов М.Х. Теоретический анализ вольтамперной характеристики нестационарного переноса 1:1 электролита в мембранных системах с учетом электроконвекции и реакции диссоциации/рекомбинации воды. Моделирование, оптимизация и информационные технологии. 2021;9(3). Доступно по: https://moitvivt.ru/ru/journal/pdf?id=1014 (дата обращения: 12.01.2022). DOI: 10.26102/2310-6018/2021.34.3.011.

17. Urtenov M.Kh. Chubyr N.O., Gudza V.A. Reasons for the formation and properties of soliton-like charge waves in membrane systems when using overlimiting current modes. Membranes. 2020;10(8):189. Доступно по: https://www.researchgate.net/publication/343693372_Reasons_for_the_Formation_and_Properties_of_Soliton-Like_Charge_Waves_in_Membrane_Systems_When_Using_Overlimiting_Current_Modes (дата обращения: 12.01.2022). DOI:10.3390/membranes10080189.