Перенос ионов в трехслойных ионообменных мембранных системах при интенсивных токовых режимах — страница 9

  • Просмотров 381
  • Скачиваний 13
  • Размер файла 136
    Кб

безразмерной плотностью тока I и внешней концентрацией: . (14) Получены приближенные аналитические формулы для расчета толщины ОПЗ в мембране , (15) и распределения напряженности электрического поля в этой области , . (16) Показано, что момент наступления режима Шоттки (плотность тока IШ) зависит от внешней концентрации электролита : , (17) а граничная напряженность электрического поля при токах выше тока Шоттки () оценивается по

формуле: . (18) Установлено, что ток Шоттки определяется только термодинамическими характеристиками мембраны и раствора, и не зависит от кинетических характеристик и размеров системы. Между двумя крайними случаями – режимом квазиравновесия и режимом Шоттки – выделен промежуточный режим. В этом переходном состоянии граничная концентрация cs с ростом тока уменьшается от концентрации , соответствующей квазиравновесному режиму,

до концентрации 0,001|Q|, соответствующей режиму Шоттки. В рамках модели дана оценка толщины плотной части ДЭС. Установлено, что плотная часть ДЭС – область ~ 20…100 Ả. Полученные значения напряженности электрического поля (рис. 1) в первом диффузионном слое (~5х104 В/см, при ) и в области нарушения электронейтральности мембраны (~2х106 В/см, при ) подтверждают факт, установленный ранее в работах В.И. Заболоцкого, Н.П. Гнусина, В.В. Никоненко,

К.А. Лебедева, Н.В. Шельдешова, С.Ф. Тимашева, Р. Саймонса, что в диффузионном слое не существует условий для существенного ускорения скорости реакции диссоциации воды. Рис. 1. Распределение напряженности электрического поля Е в диффузионном слое (I) (безразмерная координата 0≤X≤1) и в области нарушения электронейтральности мембраны (безразмерная координата 1≤X≤2) при плотности тока I = 2·Iпр. Это означает, что диссоциация воды

происходит на границе мембрана/раствор в фазе мембраны с непосредственным участием каталитически активных ионообменных групп. В этой области связь Н-ОН в молекуле воды ослаблена вследствие ее поляризации электрическим полем ионогенной группы. Дополнительная поляризация и ослабление этой связи происходит под действием приложенного к истощенному слою мембраны внешнего электрического поля, напряженность которого достигает

величин более 106 В/см. Показано, что толщина ОПЗ в диффузионном слое растет с увеличением плотности тока, стремясь занять весь диффузионный слой (рис. 2). В таких условиях расчетные вольт-амперные кривые не могут соответствовать экспериментальным данным. Рис. 2. Распределение плотности заряда в диффузионном слое (I) при различных значениях безразмерной плотности тока (пространственная координата – безразмерная): 1 – ; 2 – ; 3 – ; 4 – .