Конкурентный перенос ионов в электро-баромембранных процессах

Объектом исследования является способ разделения одно- и многозарядных ионов при одновременном наложении на мембрану градиентов электрического потенциала и давления. Цель исследований – разработка фундаментальных основ нового гибридного процесса, сочетающего в себе преимущества традиционного электродиализа и баромембранного разделения. В рамках экспериментальных работ проведен сравнительный анализ структурных и электрохимических характеристик разных типов мембран (с использованием оптической и растровой электронной микроскопии, ИК-спектроскопии, измерения электропроводности, диффузионной проницаемости и чисел переноса, определение заряда поверхности, вольтамперометрии, хронопотенциометрии) для оценки их способности к селективному разделению одно- и двухзарядных ионов при наложении электрического поля и/или градиента давления. Исследован процесс конкурентного переноса и разделения одно- и двухзарядных ионов с использованием гибридного электро-баромембранного процесса, определены оптимальные параметры структуры мембран, конструкции мембранных систем и условий проведения эффективного разделения одно- и двухзарядных ионов. В рамках теоретических исследований построены математические модели типа «pore-flow model» и «solution-diffusion model» для каждого вида процесса на основе уравнений Нернста-Планка-Пуассона и Навье-Стокса. Сочетание экспериментальных и теоретических исследований позволило найти оптимальные параметры новых мембран, мембранных модулей и мембранных процессов для достижения эффективного разделения ионов по величине заряда. Величины коэффициента селективности разделения катионов K+ и Li+ и потока предпочтительно проницаемого иона находятся на уровне лучших мировых достижений. При этом энергозатраты на процесс разделения оказались беспрецедентно низкими. Электро-баромембранный метод представляется исключительно перспективным для использования в технологиях выделения ценных/вредных компонентов из природных и промышленных растворов. Высокая селективность и значительные плотности потоков выделяемых компонентов при беспрецедентно низких энергозатратах делают электро-баромембранный метод весьма привлекательным.