Математическое моделирование влияния на перенос ионов соли изменения константы скорости диссоциации/рекомбинации в диффузионном слое у ионообменной мембраны
- Авторы: Назаров Р.Р.1, Коваленко А.В.1, Бостанов Р.А.2, Уртенов М.Х.1
-
Учреждения:
- Кубанский государственный университет
- Карачаево-Черкесский государственный университет имени У. Д. Алиева
- Выпуск: Том 29, № 1 (2025)
- Страницы: 109-128
- Раздел: Математическое моделирование, численные методы и комплексы программ
- URL: https://journal-vniispk.ru/1991-8615/article/view/311043
- DOI: https://doi.org/10.14498/vsgtu2101
- EDN: https://elibrary.ru/AZCCRJ
- ID: 311043
Цитировать
Полный текст
Аннотация
Представлена новая теоретическая модель стационарного переноса ионных компонентов соли через катионообменную мембранную систему. В отличие от существующих теоретических подходов, в предложенной модели модификация константы равновесия обусловлена не только градиентом электрического потенциала, но и пространственным распределением заряда. Анализ уравнения Пуассона подтверждает существенную зависимость кинетики диссоциации ионов от локальной плотности пространственного заряда в мембранной структуре.
Разработанная математическая модель, учитывающая указанную зависимость, позволяет достичь более точного описания диффузионно-миграционных процессов в катионообменных мембранах. Полученные результаты обеспечивают более корректное описание поведения ионных компонентов в стационарных условиях переноса, что имеет существенное значение для разработки перспективных мембранных материалов и технологических процессов. Предлагаемая модель может быть применена в различных технологических областях, использующих ионообменные мембранные системы, включая процессы водоочистки и энергетические преобразователи.
Важным преимуществом предложенной модели является возможность комплексного учета ключевых параметров ионного транспорта, включая ионную силу раствора, температурные условия и структурно-функциональные характеристики мембраны. Это обеспечивает более точное прогнозирование эксплуатационных характеристик мембранных систем в реальных технологических процессах.
В частности, применение данной модели в системах мембранной очистки воды позволяет оптимизировать процессы деминерализации, что способствует повышению эффективности очистки водных сред и снижению энергетических затрат технологического цикла.
Таким образом, разработанная модель предоставляет новые возможности для фундаментального исследования и практической оптимизации процессов массопереноса в системах с ионообменными мембранами.
Полный текст
Открыть статью на сайте журналаОб авторах
Роман Равшанович Назаров
Кубанский государственный университет
Email: r.nazarov1998@mail.ru
ORCID iD: 0009-0001-7280-0563
https://www.mathnet.ru/person213833
аспирант; каф. анализа данных и искусственного интеллекта1
Россия, 350040, Краснодар, ул. Ставропольская , 149Анна Владимировна Коваленко
Кубанский государственный университет
Автор, ответственный за переписку.
Email: savanna-05@mail.ru
ORCID iD: 0000-0002-3991-3953
SPIN-код: 3693-4813
Scopus Author ID: 55328224000
ResearcherId: P-1166-2015
http://www.mathnet.ru/person112835
доктор технических наук, доцент; заведующий кафедрой; каф. анализа данных и искусственного интеллекта1
Россия, 350040, Краснодар, ул. Ставропольская , 149Рамазан Алиевич Бостанов
Карачаево-Черкесский государственный университет имени У. Д. Алиева
Email: bost-rasul@yandex.ru
ORCID iD: 0000-0002-8502-7653
https://www.mathnet.ru/person30830
кандидат физико-математических наук, доцент; каф. математического анализа2
Россия, 369202, Карачаевск, ул. Ленина, 29Махамет Хусеевич Уртенов
Кубанский государственный университет
Email: urtenovmax@mail.ru
ORCID iD: 0000-0002-0252-6247
https://www.mathnet.ru/person119069
доктор физико-математических наук, профессор; профессор; каф. прикладной математики1
Россия, 350040, Краснодар, ул. Ставропольская , 149Список литературы
- Ershkov S., Burmasheva N. V., Leshchenko D. D., Prosviryakov E. Yu. Exact solutions of the Oberbeck–Boussinesq equations for the description of shear thermal diffusion of Newtonian fluid flows // Symmetry, 2023. vol. 15, no. 9, 1730. EDN: UXUKDI. DOI: https://doi.org/10.3390/sym15091730.
- Burmasheva N. V., Prosviryakov E. Yu. Exact solutions to the Oberbeck–Boussinesq equations for shear flows of a viscous binary fluid with allowance made for the Soret effect // Bulletin Irkutsk State Univ., Ser. Mathematics, 2021. vol. 37. pp. 17–30. EDN: NTNSFJ. DOI: https://doi.org/10.26516/1997-7670.2021.37.17.
- Бурмашева Н. В., Просвиряков Е. Ю. Точное решение типа Куэтта–Пуазейля для установившихся концентрационных течений // Учен. зап. Казан. ун-та. Сер. Физ.-матем. науки, 2022. Т. 164, №4. С. 285–301. EDN: FXLLHT. DOI: https://doi.org/10.26907/2541-7746.2022.4.285-301.
- Bashurov V. V., Prosviryakov E. Yu. Steady thermo-diffusive shear Couette flow of incompressible fluid. Velocity field analysis // Vestn. Samar. Gos. Tekhn. Univ., Ser. Fiz.-Mat. Nauki [J. Samara State Tech. Univ., Ser. Phys. Math. Sci.], 2021. vol. 25, no. 4. pp. 763–775. EDN: AXCZUX. DOI: https://doi.org/10.14498/vsgtu1878.
- Burmasheva N. V., Prosviryakov E. Yu. Influence of the Dufour effect on shear thermal diffusion flows // Dynamics, 2022. vol. 2, no. 4. pp. 367–379. EDN: NGVOBP. DOI: https:// doi.org/10.3390/dynamics2040021.
- Шельдешов Н. В. Процессы с участием ионов водорода и гидроксила в системах с ионообменными мембранами : Дис. . . . докт. хим. наук: 02.00.05 — электрохимия. Краснодар: КубГУ, 2002. 405 с. EDN: NNNGQN.
- Никоненко В. В., Письменская Н. Д., Володина Е. И. Зависимость скорости генерации H+- и OH−-ионов на границе ионообменная мембрана/разбавленный раствор от плотности тока // Электрохимия, 2005. Т. 41, №11. С. 1351–1357. EDN: HSIUHJ.
- Гребень В. П., Пивоваров Н. Я., Коварский Н. Я. [и др.] Биполярная ионообменная мембрана : Авторское свидетельство № 745193 A1 СССР, МПК C25B 13/04. № 2665517 : заявл. 18.09.1978 : опубл. 15.04.1990. EDN: VNZYHP.
- Головня В.А., Капустин А. Ф., Смирнова Н. М. [и др.] Способ регенерации неорганических кислот : Авторское свидетельство № 865321 A1 СССР, МПК B01D 13/00. № 2867388 : заявл. 04.01.1980 : опубл. 23.09.1981. EDN: GSAAWG.
- Смагин В. Н., Чухин В. А., Медведев И. Н., Щекотов П. Д. Электродиализатор для обессоливания воды : Авторское свидетельство № 971403 A1 СССР, МПК B01D 13/02. № 3275226 : заявл. 10.04.1981 : опубл. 07.11.1982. EDN: STKKOM.
- Гребень В. П., Пивоваров Н. Я., Лацков В. Л. [и др.] Биполярная ионообменная мембрана : Авторское свидетельство № 1150989 A1 СССР, МПК C25B 13/00, B01D 69/00. № 3634930 : заявл. 22.07.1983 : опубл. 15.11.1990. EDN: UYAFXH.
- Rubinshtein I., Maletzki F. Electroconvection at an electrically inhomogeneous permselective membrane surface // J. Chem. Soc., Faraday Trans., 1991. vol. 87, no. 13. pp. 2079–2087. DOI: https://doi.org/10.1039/FT9918702079.
- Рубинштейн И., Зальцман Б., Прец И., Линдер К. Экспериментальная проверка электроосмотического механизма формирования "запредельного" тока в системе с катионообменной электродиализной мембраной // Электрохимия, 2002. Т. 38, №8. С. 956–967. EDN: RSNSYP.
- Гребень В. П., Пивоваров Н. Я. Лацков В. Л. [и др.]. Электродиализатор : Авторское свидетельство № 1237230 СССР, МПК B01D 13/02. № 3736135 : заявл. 04.05.1984 : опубл. 15.06.1986. EDN: LHEPGD.
- Mareev S. A., Evdochenko E., Wessling M., et al. A comprehensive mathematical model of water splitting in bipolar membranes: Impact of the spatial distribution of fixed charges and catalyst at bipolar junction // J. Membr. Sci., 2020. Т. 603, 118010. EDN: AJNNIW. DOI: https://doi.org/10.1016/j.memsci.2020.118010.
- Коваленко А. В., Узденова А. М., Овсянникова А. В. [и др.] Математическое моделирование влияния спейсеров на массоперенос в электромембранных системах // Вестн. Сам. гос. техн. ун-та. Сер. Физ.-мат. науки, 2022. Т. 26, №3. С. 520–543. EDN: JWREJU. DOI: https://doi.org/10.14498/vsgtu1944.
- Казаковцева Е. В., Коваленко А. В., Письменский А. В., Уртенов М. Х. Гибридный численно-аналитический метод решения задач переноса ионов соли в мембранных системах с осевой симметрией // Вестн. Сам. гос. техн. ун-та. Сер. Физ.-мат. науки, 2024. Т. 28, №1. С. 130–151. EDN: BOXTTX. DOI: https://doi.org/10.14498/vsgtu2043.
- Newman J. S. Electrochemical Systems. Hoboken, N.J.: John Wiley & Sons, Inc., 2004. xx+647 pp.
- Urtenov M. K., Kovalenko A. V., Sukhinov A. I., et al. Model and numerical experiment for calculating the theoretical current-voltage characteristic in electro-membrane systems // IOP Conf. Ser.: Mater. Sci. Eng., 2019. vol. 680. pp. 012030. EDN: AUNMRR. DOI: https://doi.org/10.1088/1757-899X/680/1/012030.
- Kovalenko A. V., Nikonenko V. V., Chubyr N. O., Urtenov M. Kh. Mathematical modeling of electrodialysis of a dilute solution with accounting for water dissociation-recombination reactions // Desalination, 2023. vol. 550, 116398. EDN: UCCTJU. DOI: https://doi.org/10.1016/j.desal.2023.116398.
- Узденова А. М., Коваленко А. В., Уртенов М. Х., Никоненко В. В. Теоретический анализ влияния концентрации ионов в объеме раствора и у поверхности мембраны на массоперенос при сверхпредельных токах // Электрохимия, 2017. Т. 53, №11. С. 1421–1433. EDN: JVMTDS. DOI: https://doi.org/10.7868/S0424857017110032.
- Kovalenko A. V., Yzdenova A. M., Sukhinov A. I., et al. Simulation of galvanic dynamic mode in membrane hydrocleaning systems taking into account space charg // AIP Conf. Proc., 2019. vol. 2188, 050021. EDN: YHCGZX. DOI: https://doi.org/10.1063/1.5138448.
Дополнительные файлы
