ВЛИЯНИЕ ПРОБОЯ ПРОСТРАНСТВЕННОГО ЗАРЯДА НА ПРОИЗВОДИТЕЛЬНОСТЬ ЭЛЕКТРОМЕМБРАННЫХ СИСТЕМ

Известно, что существующие методы применения электромембранных систем (ЭМС) не позволяют максимально эффективно вести водоочистку и водоподготовку при сверхпредельных токовых режимах, в силу чего существует потребность в определении параметров работы электродиализных установок для предотвращения комплексных деструктивных воздействий, существенно ограничивающих массоперенос, и снижающих эффективность работы ЭМС. Кроме того, на практике обнаруживается противоречие в практике – повышение скачка потенциала в существующих ЭМС не обеспечивает интенсификации переноса ионов соли при сверхпредельных токовых режимах.

Статья посвящена исследованию влияния одного из деструктивных явления – пробоя пространственного заряда на производительность электромембранных систем в сильно разбавленных солевых растворах. Целью работы является теоретическая оценка влияния пробоя пространственного заряда на перенос ионов соли в электромембранных системах.

Разработана математическая модель на основе уравнений Нернста-Планка и Пуассона. Рассмотрен процесс электродиализного обессоливания раствора NaCl, находящегося в проточной камере между анионообменной мембраной (АЭМ) и катионообменной мембраной (КЭМ). Поток раствора направлен снизу вверх. Проведено численное моделирование влияния пробоя пространственного заряда на производительность ЭМС в сильно разбавленных солевых растворах.

Разработана новая математическая модель и программное обеспечение для численного моделирования влияния пробоя пространственного заряда на производительность ЭМС в сильно разбавленных солевых растворах.

В работе с помощью 2D математической модели и формулы вольтамперной характеристики канала обессоливания впервые определено влияние пробоя пространственного заряда на перенос ионов соли в электромембранных системах при различных значениях скачка потенциала. Определены диапазоны токов, которые соответствуют высокому и незначительному росту производительности электромембранных систем, а также диапазон токов, в котором рост отсутствует. Полученные результаты можно использовать для определения оптимального значения скачка потенциала по критерию максимальной производительности. Полученные результаты могут быть применены для проектирования промышленных ЭМС для интенсификации массопереноса и увеличения производительности.

1. Nikonenko, V. V. Desalination at overlimiting currents: state-of-the-art and perspectives / V. V. Nikonenko, A. V. Kovalenko, M. K. Urtenov, P. Sis-tat, G. Pourcelly // Desalination. - 2014. –№ 342. – pp. 85-106.

2. Uzdenova, A.M. Modeling of electroconvection in membrane systems: analysis of boundary conditions at the surface / A.M. Uzdenova // Fundamental research. – 2016. – № 12, – Part 5. – pp. 1010-1018.

3. Kovalenko, A. V. Space-charge breakdown phenomenon and spatio-temporal ion concentration and fluid flow patterns in overlimiting current elec-trodialysis / A. V. Kovalenko [et al.] // Journal of Membrane Science. – 2021. – Vol. 636. – P. 119583.

4. Urtenov, M. Reasons for the formation and properties of soliton-like charge waves in membrane systems when using overlimiting current modes / M. Urtenov, N. Chubyr, V. Gudza // Membranes. – 2020. – Vol. 10, № 8. – p. 189.

5. Chubyr, N. O. Prediction and analysis of current-voltage characteris-tic of transfer of binary salt ions in diffusion layer / N. O. Chubyr, V. A. Gudza, M. Kh. Urtenov, I. V. Shkorkina // International Journal of Mechanical and Pro-duction Engineering Research and Development. – 2020. – Vol. 10, iss. 3. – pp. 4757-4764.

6. Shkorkina, I. V. Voltampere characteristic of unsteady 1:1 salt ion transfer in the cross-section of the desalination channel / I. V. Shkorkina, N. O. Chubyr, V. A. Gudza, M. H. Urtenov // Modeling, optimization and information technology. – 2020. – Vol. 8, No. 3. – pp. 1-16.

7. Urtenov, M. K. Basic mathematical model of overlimiting transfer enhanced by electroconvection in flow-through electrodialysis membrane cells / M. K. Urtenov [et al.] // Journal of Membrane Science. – 2013. – Vol. 447. – pp. 190–202.

8. Urtenov, M.Kh. Model and numerical experiment for calculating the theoretical current-voltage characteristic in electro-membrane systems // M.Kh. Urtenov, A.V. Kovalenko, A.I. Sukhinov, N.O. Chubyr, V.A. Gudza / IOP Con-ference Series: Materials Science and Engineering. Collection of materials of the XV International Scientific - Technical Conference. Don State Technical University. 2019. pp. 012030.

9. Kovalenko A.V., Analysis of the theoretical CVC of electromembrane systems / A.V. Kovalenko, M. Urtenov // E3S Web of Conferences. «Topical Problems of Agriculture, Civil and Environmental Engineering, TPACEE 2020» 2020. pp. 02010.

10. Gudza, I.V. Theoretical current-voltage characteristic of the transfer of binary salt ions in the cross-section of the desalination channel taking into account the non-catalytic dissociation/recombination reaction / I.V. Gudza, A.V. Kovalenko, N.O. Chubyr, A.V. Pismenskiy // Research. Engineering. Extreme. 2021. pp. 35-39.

11. Chekanov, V. Experimental and theoretical study of an autowave process in a magnetic fluid / V. Chekanov, A. Kovalenko // International Journal of Molecular Sciencesthis link is disabled, 2022, 23(3), pp. 1642.

12. Kovalenko, A.V. Mathematical modelling of salt ion transfer in the three-dimensional desalting channel of an electrodialysis apparatus / A.V. Kovalenko, A.V. Ovsyannikova // Zhurnal Belorusskogo Gosudarstvennogo Universiteta. Matematika. Informatikathis link is disabled, 2022(2), pp. 70–81.

13. Gudza, I.V. Artificial intelligence system for the analysis of theoretical and experimental current-voltage characteristics / I.V. Gudza, A.V. Kovalenko, M.Kh. Urtenov, A.V. Pismenskiy // Journal of Physics: Conference Seriesthis link is disabled, 2021, 2131(2), 022089

14. Kovalenko, A. Mathematical modeling of the influence of non-catalytic dissociation / recombination of water molecules in the desalination channel on electric convection /A. Kovalenko, V. Gudza, M. Urtenov, N. Chubyr // Journal of Physics: Conference Seriesthis link is disabled, 2021, 2131(2), 022109

15. Kovalenko, A. Influence of spacers on mass transport in electromembrane desalination systems / A. Kovalenko, E. Evdochenko, F. Stockmeier, A., Uzdenova, M. Urtenov // Journal of Physics: Conference Seriesthis link is disabled, 2021, 2131(2), 022011