Перенос ионов в мембранах - Заболоцкий В.И.
ISBN 5-02-001677-2
Скачать (прямая ссылка):
получены результаты [171], представленные в табл. 5.6.
Важно отметить, что полученные результаты слабо зависят от концентрации в
камере обессоливания и предельная концентрация рассола (около 5 моль/л
NaCI с мембранами МК-40 и МА-40) достигается, даже если cd = 0,02 моль/л.
ГЛАВА 6
СТАЦИОНАРНАЯ ЭЛЕКТРОДИФФУЗИЯ ЭЛЕКТРОЛИТА ЧЕРЕЗ ИОНООБМЕННУЮ МЕМБРАНУ.
УЧЕТ ДИФФУЗИОННЫХ СЛОЕВ
Выше уже отмечалось, что изменение концентрации ионов вблизи поверхности
мембраны (концентрационная поляризация мембраны) в процессах
электромассопереноса оказывает существенное влияние на интегральные
параметры процесса. Особенно сильно влияние концентрационной поляризации
при протекании высоких плотностей тока, превышающих так называемую
"предельную" плотность тока [1,2]. Целый ряд явлений, порожденных
сопряженными эффектами, проявляются при таких интенсивных токовых
режимах: диссоциация воды [1-12] и ток экзальтации ионов соли,
инициированный электрическим полем продуктов диссоциации воды [11, 13-
17]; нарушение электронейтральности вблизи поверхности мембраны [18-29] и
вызванная пространственным зарядом электроконвекция [19-23, 28, 29];
термоконвекция, порожденная неравномерным джоулевым разогревом раствора
[30-33]; возможен также эффект Марангони, обусловленный тангенциальным
градиентом поверхностного натяжения на границе мембрана/раствор [34].
Перечисленные явления играют очень важную роль в кинетике электродиализа,
с их помощью можно существенно увеличить полезный массоперенос в
мембранном канале [17, 35]. В качестве примера сошлемся на изобретение
[36], в котором увеличение производительности электродиализа достигается
за счет использования эффектов сопряжения.
Мы рассмотрим вкратце эффекты, проявляющиеся при высоких плотностях тока,
хотя они настолько важны, что им следовало бы посвятить отдельную
монографию. Механизм этих эффектов достаточно сложен и не укладывается в
схему, изображенную на рис. 2.3 и описываемую напрямую уравнениями ТНП. В
конечном счете все эти эффекты порождаются протекающим через границу
мембрана/раствор электрическим током, однако, действие тока проявляется
не непосредственно, а путем сопряжения одних явлений с другими. Так, в
"запредельном" режиме создаются условия, облегчающие диссоциацию воды на
межфазной границе; вблизи границы появляются в заметном количестве ионы
Н+ и ОН- (поток одних из этих двух сортов ионов направлен в мембрану, а
других - в раствор); электрическое поле продуктов диссоциации воды,
направленных в раствор, взаимодействует с ионами соли, в результате чего
поток противоионов соли возрастает, становится больше своего
"предельного" значения (происходит "экзальтация" тока противоионов соли
[13, 14]).
Механизм электроконвекции состоит в том, что пространственный
электрический заряд, порожденный в растворе вблизи границы с мембра-
263
ной протеканием электрического тока, под действием того же тока движется
и увлекает примембранные слои жидкости в вихревое конвективное движение,
которое частично разрушает диффузионный слой и приводит к росту потока
противоионов соли через мембрану.
В разделах 6.3-6.7 мы остановимся на эффектах, вызванных концентрационной
поляризацией при мягких токовых режимах до наступления предельного
состояния. Анализ таких эффектов потребует от нас введения только одного
нового понятия: диффузионного слоя. Остальные положения и понятия
(локальная электронейтральность и локальное термодинамическое равновесие,
а также уравнение переноса Нернста-Планка) будут теми же, что и при
рассмотрении проводящих свойств ионообменных мембран. Интенсивные токовые
режимы и некоторые протекающие в этих условиях явления рассмотрим в
разделах 6.8 и 6.9.
6.1. ПОНЯТИЕ ДИФФУЗИОННОГО слоя
Изучая процесс растворения твердых тел, Нернст [37] впервые предположил,
что у поверхности тела существует слой толщиной 6, в котором скорость
течения жидкости равна нулю; эту зону от остального перемешиваемого
раствора отделяет резкая граница. Внутри неперемешивае-мого пограничного
слоя (диффузионного слоя) перенос вещества осуществляется только
диффузией:
J = -D(cs - с0)/5. (6.1)
где D - коэффициент диффузии; cs - концентрация вещества на границе с
твердым телом; с0 - концентрация в перемешиваемом растворе.
Несмотря на некоторые внутренние противоречия (понятие о перемешиваемой и
неперемешиваемой зонах с резкой границей между ними плохо соответствует
представлениям механики жидкостей), концепция Нернста весьма успешно
использовалась при описании транспорта вещества на границе жидкой и
твердой фаз. Эта концепция получила непротиворечивую интерпретацию в
рамках развитой В.Г. Левичем теории конвективной диффузии [38]. Согласно
этой теории, вектор плотности потока вещества в жидкости складывается из
диффузионной и конвективной составляющих:
J = -D grad с + cv. (6.2)
К уравнению конвективной диффузии (6.2) добавляются уравнения
непрерывности
div 7 = 0, diviT = 0 (6.3)
и уравнение, определяющее закон распределения скоростей течения жидкости.
