Теоретическое и экспериментальное сопоставительное исследование потенциодинамического и гальванодинамического режимов массопереноса в мембранных системах

Мембранные системы составляют основу электродиализных аппаратов, нано- и микрофлюидных устройств, которые применяются при очистке вод, переработке сельскохозяйственной продукции (молока, вина и т.д.), выполнении химических анализов и многих других сферах человеческой деятельности. Проект посвящен установлению новых фундаментальных закономерностей, характеризующих влияние электрического режима эксплуатации мембранных систем на процессы переноса. В ходе проекта будет выполнено теоретическое и экспериментальное сопоставление потенциодинамического и гальванодинамического режимов переноса ионов в электродиализных мембранных систем. При теоретическом исследовании электромембранных процессов активно используются математические модели для потенциодинамического режима, при этом моделирование массопереноса в гальванодинамическом наталкивается на серьезные математические трудности, которые до сих пор не преодолены. Предлагается новый подход к моделированию гальванодинамического режима на основе уравнений Нернста-Планка, Пуассона и Навье-Стокса со специально выведенным граничным условием. Будут разработаны новый алгоритм численного решения краевой задачи, соответствующей указанной модели, и программный комплекс для компьютерного моделирования в случае двумерной геометрии рассматриваемой задачи.Данный подход позволит учесть формирование расширенной области пространственного заряда и развитие электроконвективного течения. Согласно современным экспериментальным и теоретическим исследованиям явление электроконвекции значимо влияет на процессы переноса в мембранных системах (увеличивает скорость массопереноса в процессе электродиализа, снижает или предупреждает осадкообразование, снижает паразитный процесс генерации ионов Н+ и ОН- на границе мембрана/раствор и др.). Впервые будет получено математическое описание сверхпредельного электроконвективного массопереноса для гальванодинамического режима, выявлены роли факторов, влияющих на интенсивность электроконвекции и скорость массопереноса: плотность тока, скорость вынужденного течения, концентрация раствора. Для верификации модели будет проведено сравнение результатов моделирования с экспериментальными данными и аналитическими оценками теории хронопотенциометрии, а также с результатами моделирования для потенциодинамического режима. В проекте будут проведены теоретические исследования потенциодинамического и гальванодинамического режимов пульсирующего электрического поля и будет найден ответ на вопрос, какой из режимов является предпочтительным. Полученные теоретические результаты будут подкреплены широким экспериментальным исследованием: методами хронопотенциометрии и вольтамперометрии будет изучено влияние параметров электрического режима для стационарных и пульсирующих электрических полей на процессы массопереноса в электродиализных мембранных системах.