Отчет по проекту РФФИ № 20-58-12018 ННИО_а, итоговый отчет.
Результаты
Аннотация
В ходе выполнения Проекта получен ряд теоретических и экспериментальных результатов мирового уровня, а именно, впервые показано, что при далеких свехпредельных токовых режимах появляется новый эффект, — пробой пространственного заряда, когда пространственные заряды из расширенной области пространственного заряда у ионообменных мембран, движутся навстречу друг-другу и при встрече взаимно компенсируются. Изучены теоретически фундаментальные закономерности этого явления. Показано, пробой пространственного заряда отрицательно влияет на электроконвекцию и перенос ионов соли и ограничивает возможности интенсификации массопереноса за счет увеличения скачка потенциала и уменьшения межмембранного расстояния.
Теоретически, с использованием математической модели, проанализировано влияние реакции диссоциации/рекомбинации молекул воды на перенос ионов соли и впервые показано, что образуется достаточно узкий двойной электрический слой в средней части канала обессоливания из-за реакции рекомбинации ионов Н+ и ОН-. Этот эффект, а также явление экзальтации в свою очередь, приводят к увеличению переноса ионов соли по сравнению с переносом ионов соли без учета реакции диссоциации/рекомбинации молекул воды и поэтому раствор обессоливается больше и электроконвекция возникает при меньших значениях скачка потенциала. Таким образом, реакция диссоциации/рекомбинации молекул воды способствует более быстрому обессоливанию раствора вначале и, соответственно, более раннему началу электроконвекции. Однако, со временем, электроконвекция начинает подавляться новыми носителями заряда H+ и OH-. Проведенные нами в ходе выполнения Проекта экспериментальные исследования подтверждают эти выводы.
Определены основные закономерности переноса ионов соли в канале обессоливания со спейсерами с учетом электроконвекции и реакции диссоциации/рекомбинации, а именно, впервые показано, с использованием вольтамперной характеристики, что на различных стадиях процесса обессоливания оптимальными являются спейсеры разной формы и местоположения. Показано, что профилированные спейсеры, несколько смещенные от центра канала с хордой вниз по потоку, с определенным углом атаки, является наиболее эффективными одновременно на всех стадиях процесса обессоливания. Смещенное от центра размещение спейсеров дополнительно увеличивает массоперенос как из-за асимметрии коэффициентов диффузии катионов и анионов, так и по причине образования в средней части канала истощенной области, возникающего из-за внутреннего двойного электрического слоя.