Интенсивность электроконвекции возле катионообменных мембран выше (стоксовский радиус ионов Na+ больше, чем ионов Cl−, а генерация ионов Н+ и ОН− слабее), и, видимо, положительный эффект увеличения массопереноса, вызванный искривлением линий тока, перевешивает в ряде случаев отрицательный. Таким образом, данная работа дает фактический материал в пользу развития направления по созданию ионообменных мембран путем микродизайна их поверхности с целью увеличения скорости массопереноса в сверхпредельных токовых режимах.
Выводы
Проведены комплексные экспериментальные исследования влияния структурных, физических и химических свойств поверхности ионообменных мембран на их поведение в допредельных и сверхпредельных токовых режимах при электродиализе. Установлено, что электрохимическое поведение мембранных систем в основном определяется свойствами поверхности мембран: модификация поверхности мембран может приводить как к росту, так и к уменьшению скорости массопереноса в сверхпредельных токовых режимах.
Искусственная гомогенизация поверхности гетерогенных мембран делает их электрохимические характеристики (скачок потенциала при заданном токе, величина переходного времени на хронопотенциограммах, значения плотностей предельного тока и тока начала диссоциации воды на проводящих участках поверхности, величина потоков генерируемых H+, OH– ионов) сходными с характеристиками гомогенных мембран.
Обработка анионообменных мембран полиэлектролитным комплексом, содержащим диметидиаллиламмоний хлорид, позволяет снизить каталитическую активность фиксированных групп в приповерхностном слое. Ослабление генерации ионов H+ и OH− на поверхности мембран приводит к усилению электроконвекции раствора в прилегающем к мембране обедненном диффузионном слое.
Доказано, что в разбавленных растворах основным механизмом сверхпредельного прироста массопереноса в ионообменных мембранных системах является электроконвекция. При допредельных токах электроконвекция протекает по механизму электроосмоса первого рода, а при сверхпредельных токах − как электроосмос второго рода. Электроконвекция усиливается при увеличении стоксовского радиуса противоионов, формирующих пространственный заряд у поверхности мембраны, а также при наличии на поверхности мембран проводящих и непроводящих электрический ток участков. Таким образом, показана принципиальная возможность интенсификации сверхпредельного массопереноса через ионообменные мембраны путем формирования гетерогенной поверхности с заданными свойствами.
Основные результаты изложены в следующих публикациях:
Володина Е.И., Лопаткова Г.Ю, Письменская Н.Д., Никоненко В.В. Влияние гетерогенности поверхности на массообменные характеристики мембран // Тезисы докладов Всероссийской научной конференции молодых ученых и студентов «Современное состояние и приоритеты развития фундаментальных наук в регионах». Просвещение-Юг. Краснодар. 2004. Т.2. С. 168-170.
Лопаткова Г.Ю., Володина Е.И., Письменская Н.Д. Возможности Corel PHOTO-PAINT при обработке фотографий поверхности ионообменных мембран // Сборник материалов конференции ИВТН-2004 «Информационно-вычислительные технологии в решении фундаментальных проблем и прикладных научных задач». Москва. 2004. С. 28. Также на http://www.ivtn.ru/.
Лопаткова Г.Ю., Володина Е.И., Письменская Н.Д., Никоненко В.В. Метод оценки проводящей поверхности гетерогенных мембран / Сборник тезисов конференции «Мембранная электрохимия: Ионный перенос в органических и неорганических мембранах», Туапсе, 24-28 мая. 2004. С. 29-31.
Lopatkova G., Basova O., Volodina E., Pismenskaya N., Nikonenko V., Chaabane L., Cot D. Variation in surface and transport properties of ion-exchange membranes used in electrodialysis treatment of underground water in Aral Sea Basin // Proceedings of Workshop on «Environmental Problems and Ecological Safety», September 29 to October 1. Wiesbaden. 2004. P. 22-26.
Volodina E., Lopatkova G., Kovaliov I., Pismenskaya N., Nikonenko V., Pourcelly G. Calculation of diffusion layer parameters under electrodialysis with diluted solutions // Book of abstracts. The 2005 International Congress on Membranes and Membrane Processes, August 21-26, Seoul, Korea. 2005. P. 1231-1232.
Володина Е.И., Лопаткова Г.Ю., Письменская Н.Д., Никоненко В.В., Пурселли Ж., Ларше К. Электрохимическое поведение мембран, модифицированных полиэлектролитом // Сборник тезисов Российской конференции-школы с международным участием «Ионный перенос в органических и неорганических мембранах». Краснодар. 2005. С. 71-73.
Лопаткова Г.Ю., Рытухин Д.С., Володина Е.И., Письменская Н.Д., Никоненко В.В. Исследование механизмов переноса ионов через модифицированную мембрану при сверхпредельных токовых режимах // Труды II Всероссийской научной конференции молодых ученых и студентов «Современное состояние и приоритеты развития фундаментальных наук в регионах». Просвещение-Юг. Краснодар. 2005. С. 127.
Володина Е.И., Лопаткова Г.Ю., Письменская Н.Д., Никоненко В.В. Определение параметров диффузионного слоя в электромембранных системах // Тезисы докладов II Всероссийской научной конференции молодых ученых и студентов «Современное состояние и приоритеты развития фундаментальных наук в регионах». Просвещение-Юг. Краснодар. 2005. С. 105.
Nikonenko V.V., Pismenskaya N.D., Volodina E.I., Lopatkova G.Yu., Kiva T.I., Pourcelly G., Larchet C. Electro-mass transfer through heterogeneous and two-layer ion-exchange membranes // Proceedings of VIII International Frumkin Symposium «Kinetics of electrode processes», 18-22 October. Moscow. 2005. P. 221.
Volodina E.I., Lopatkova G.Yu., Pismenskaya N.D., Nikonenko V.V. Determination of space charge region parameters in membrane systems at overlimiting currents // Proceedings of VIII International Frumkin Symposium «Kinetics of electrode processes», 18-22 October, 2005. Moscow. 2005. P. 246.
Никоненко В.В., Письменская Н.Д., Володина Е.И., Лопаткова Г.Ю., Ганыч В.В., Сеник Ю.В., Кива Т.И., Окулич О.М. Нестационарный конкурирующий перенос ионов в электромембранных системах // Тезисы докладов заключительной конференции грантодержателей регионального конкурса РФФИ и администрации Краснодарского края «р2003юг». 2006. С. 45-48.
Никоненко В.В., Письменская Н.Д., Володина Е.И., Лопаткова Г.Ю., Ганыч В.В., Сеник Ю.В., Кива Т.И., Окулич О.М. Нестационарный конкурирующий перенос ионов в электромембранных системах // Наука Кубани. № 4. 2006. C. 84-88.
Письменская Н.Д., Никоненко В.В., Володина Е.И., Лопаткова Г.Ю., Соловьева Т.Т., Окулич О.М. Влияние неоднородности поверхности ионообменных мембран на перенос ионов. Разработка двумерной математической модели и ее верификация с помощью хронопотенциометрических измерений // Тезисы докладов заключительной конференции грантодержателей регионального конкурса РФФИ и администрации Краснодарского края «р2003юг». 2006. С. 59-60.
Письменская Н.Д., Никоненко В.В., Володина Е.И., Лопаткова Г.Ю, Соловьева Т.Т., Окулич О.М. Влияние неоднородности поверхности ионообменных мембран на перенос ионов. Разработка двумерной математической модели и ее верификация с помощью хронопотенциометрических измерений // Наука Кубани 2006. № 4. С. 59-60.
Лопаткова Г.Ю., Белова Е.И., Письменская Н.Д., Никоненко В.В. Сверхпредельный перенос ионов в системах, содержащих бислойные ионообменные мембраны // Тезисы докладов российской конференции с международным участием «Ионный перенос в органических и неорганических мембранах». 2006. С. 114-116.
Рытухин Д.С., Лопаткова Г.Ю., Письменская Н.Д. Интерпретация электрохимических характеристик мембранных систем с использованием Фурье- и вейвлет-анализа // Тезисы докладов российской конференции с международным участием «Ионный перенос в органических и неорганических мембранах», 29 мая – 3 июня 2006 г. Краснодар. 2006. С. 135-137.
Belova E., Lopatkova G., Pismenskaya N., Nikonenko V., Larchet C., Pourcelly G. Role of water splitting in development of electro-convection in ion exchange membrane systems // Proceedings of International Congress Euromed 2006: Desalination Strategies in South Mediterranean Countries, Montpellier, France, May 21-25. 2006. P 159.
Belova E.I., Lopatkova G.Yu., Pismenskaya N.D., Nikonenko V.V., Larchet Ch., Pourcelly G. Effect of Anion-exchange Membrane Surface Properties on Mechanisms of Overlimiting Mass Transfer // J. Phys. Chem. B. 2006. Vol. 110. P. 13458-13469.
Лопаткова Г.Ю., Володина Е.И., Письменская Н.Д., Федотов Ю.А., Кот Д., Никоненко В.В. Влияние химической модификации ионообменной мембраны МА-40 на ее электрохимические характеристики // Электрохимия. 2006. Т. 42, № 8. С. 942-949.
Lopatkova G. Effect of surface heterogeneity on mechanisms of overlimiting mass transfer across ion-exchange membranes // Proceedings of International conference the «Network Young MemBrains 8», Rende, Italy, September 21-23. 2006. P. 41-42.
Belova E., Lopatkova G., Pismenskaya N., Nikonenko V., Larchet Ch. Role of water splitting in development of electro-convection in ion exchange membrane systems // Desalination. 2006. Vol. 199. P. 59-61.
[1]Ìåòîäèêó îáðàáîòêè äàííûõ âîëüòàìïåðîìåòðèè è õðîíîïîòåíöèîìåòðèè, îïèñàííóþ â ãëàâå 2, è èíòåðïðåòàöèþ ðåçóëüòàòîâ ðàáîòû, ïðåäñòàâëåííóþ â ãëàâàõ 3 è 4, êîíñóëüòèðîâàë ä.õ.í., ïðîô. êàôåäðû ôèçè÷åñêîé õèìèè Êóáàíñêîãî ãîñóíèâåðñèòåòà Íèêîíåíêî Â.Â.
[2] Ìåìáðàíû èçãîòîâëåíû Þ.À. Ôåäîòîâûì, ÎÎÎ «Âëàäèïîð», ã. Âëàäèìèð