Фундаментальные основы получения новых гетерогенных ионообменных мембран с доминирующей электроконвекцией для высокоинтенсивного электродиализа

Проект направлен на изучение механизма переноса ионов и молекул воды, а также гидродинамических явлений в растворе на внешних межфазных границах экспериментальных образцов мембран с доминирующей электроконвекцией. Особенностью таких мембран является различное содержание и размеры частиц ионообменника, придающих им новые улучшенные физико-химические и эксплуатационные свойства. С использованием технологии горячего прессования композитов на основе ионообменных смол и полиэтилена в лабораторных условиях и в производственных условиях ООО «ИП Щекиноазот» будут получены образцы катионообменных и анионообменных мембран с различным соотношением композитов и степенью их дисперсности. Морфология, химический состав и микрорельеф поверхности экспериментальных образцов мембран будут исследованы с использованием современных физико-химических и микроскопических методов. С использованием авторского программного комплекса по обработке РЭМ-изображений будут определены средние эффективные радиусы проводящих и непроводящих участков и расстояния между ними на поверхности мембран. Эти характеристики морфологии поверхности будут использованы в качестве «входных» параметров для математического моделирования процессов переноса ионов в электромембранных системах с учетом экранирования части активной поверхности полиэтиленом и развитием электроконвекции. Для определения электрохимических и массообменных характеристик мембран будет использован метод вращающего мембранного диска (ВМД) с одновременным определением эффективных гитторфских чисел переноса ионов. На основании полученных данных будут построены общие и парциальные вольтамперные характеристики для переноса ионов соли и продуктов диссоциации воды. Параллельно методом лазерной интерферометрии и фликер-шумовой спектроскопии будут визуализированы области электроконвективной нестабильности примембранных слоев раствора, оценены размеры электроконвективных вихрей и определена эффективная толщина диффузионного слоя при мягких и жестких токовых режимах. Обобщением полученных данных будут найдены фундаментальные корреляции между морфологией поверхности, интенсивностью электроконвекции и сверхпредельным массопереносом в ЭМС (электромембранных системах) с мембранами с различным содержанием и размерами частиц ионообменника. С использованием разработанной математической модели электродиффузионного переноса ионов через гетерогенные мембраны, учитывающей экранирование части поверхности мембран инертными участками и возникновение электроконвекции при сверхпредельных токовых режимах, а также результатов экспериментальных исследований, будут найдены оптимальные соотношения композитов ионит-полиэтилен и их степень дисперсности. Электрохимические и массообменные характеристики новых гетерогенных мембран с доминирующей электроконвекцией будут сопоставлены с российскими промышленными гетерогенными мембранами МК-40, МА-40 и МА-41 и зарубежными гомогенными мембранами. Новые знания, полученные в ходе выполнения проекта, будут использованы при разработке исходных данных для масштабного промышленного производства гетерогенных мембран для высокоинтенсивного электродиализа.