Макальский Л.М., кандидат технических наук, доцент
Пронин Б.В., кандидат технических наук, доцент
Хусаинов Ш.Г., доктор педагогических наук, профессор (Российский государственный
аграрный университет - МСХА имени К.А. Тимирязева)
РАЗРАБОТКА ФИЛЬТРОВАНИЯ ЖИДКИХ СРЕД ИОНООБМЕННЫМИ
ПРИЕМАМИ
В работе рассмотрен принцип формирования ионообменных мембранных фильтров с применением электрических полей. Показано, что электрическое воздействие эквивалентно механическому воздействию по изменению пограничного ионного слоя вблизи мембраны.
Ключевые слова: фильтрация, ионные компоненты жидкости, мембранные фильтры, электродиализ.
DEVELOPMENT OF FILTERING LIQUID MEDIA ION EXCHANGE TECHNIQUES
In this paper the principle of the formation of ion-exchange membrane filters with electric fields. It is shown that the electric effect equivalent to mechanical impact on the change of the border of the ion layer near the membrane.
Keywords:filtration, ion-component liquid, membrane filters, electrodialysis.
В основе работы нанометрических приемов фильтрования лежат электрокинетические явления на границе двойного электрического слоя (на границе раздела фаз): твердое тело - электролит. Схематическое представление фильтрования на мембране представлено на рис.1.
Р
СЯ Н© а)
V ера
V S01S0
©
ф
а
©
б)
Рис.1. Графическое представление двойного электрического слоя (DES):
а) аналог плоского конденсатора, б) электрический потенциал р = f(x)
На рис.1 введены следующие обозначения: ц— разность потенциалов в плотной части двойного слоя(фаза -¿о), ц1- разность потенциалов в диффузном (размытом) слое - 1; фа = ц +щ - алгебраическая сумма разности потенциалов (скачёк) DES по оси X образует два поверхностных слоя.
Первый слой: ¿о—плотный, образован из катионов, сорбированых из электролита,второй слой: X = f (x) - размытый (диффузный), образован из катионов электролита, частично размытых тепловым движением жидкой фазы. Изграфической модели DES, можно сделать вывод, что при условиях равновесия: в одной зоне градиент потенциала фазы ¿опостоянен, т.е. Цёо = const, а в другой -градиент потенциаладиффузнойфазы X переменныйи является нелинейной функцией ц1 = f(x).
Согласно II начала термодинамики, параметры равновесной системы с течением времени не меняют своих численных значений. В этом случае, равновесный потенциалсоответствует работе: фа = ц + ц1, при этом Amax = ра и ра =zF.
В реальных условиях энтропийных процессов действительная работа DESменьше максимальной AD<Amax, иЛо = ра zF, при этомра - равновесный потенциал,z- валентность иона, F- число Фарадея.
Это состояние соответствует отсутствию внешних энергетических потоков, система DESприходит в состояние энергетического равновесия (образуется потенциальная яма) и сформированная система с зарядами ионов самостоятельно из равновесия выйти не может. Равновесные мембранные процессы обратимы, если провести процесс в обратном направлении, приложив к мембранному пространству воздействие внешнего источника электрической энергии. В этом случаеDESможно рассматривать как плоский конденсатор с разноименным по знаку электрическим зарядом. Между обкладками конденсатора возникает скачек электрического потенциала. Электрический потенциал источника будет производить работу за счёт сторонних сил, что не противоречит основным законам термодинамики для открытых, неравновесных систем.
На рис. 2 приведена электрическая схема фильтрующего элемента, когда гидрофильная мембрана делит ячейку конденсатора на две камеры. В этом случае полная электрическая цепь может быть представлена в виде схемы последовательного соединения С, Т, R, которые подключены к U- источнику электрической энергии. Пористая мембрана толщиной x, массой m, и с относительной диэлектрической проницаемостью 8. Постоянный электрический ток от U - источника энергии переносит заряд конденсатору. Под действием электрического поля конденсатора мембрана поляризуется с образованием биполярного двойного электрического слоя (DES).
IUI к R
TC +
dx мембрана U + Ib
Рис.2. Схема электрической цепи на постоянном токе с последовательным соединением элементов: и- источник постоянного тока, Т - транзистор, С -конденсатор,К - резистор.
Оценки электрического управления транзистором могут соответствовать эквивалентному механическому силовому воздействию на мембрану. Проведенные расчеты показывают, что в электрическом поле конденсатора на полимерную мембрану, расположенную в элек-
1 ■
трическом поле, действуют механические силы деформации и их можно выразить в виде производной от энергии электрического поля по координате ёх.При этом сила упругости мембраны пропорциональна силе деформации, возвращают мембрану в первоначальное положение. Возвращающая сила выражается формулой: ёЕ = кёх. При этом на единицу ¿'поверхности мембраны действует механическая сила Е/^ =1/2 егЕо.
В результате, в расчетном мембранном конденсаторе происходит работа по обмену между электрической энергией и кинетической механической энергией, которую можно обозначить электрокинетическим генератором. Расчетный обмен энергией происходит в пределах наноразмерных расстояний вблизи фильтрующих мембран, которые могут быть использованы для фильтрации ионных компонентов жидкости.
ЛИТЕРАТУРА
1. ГакЕ.З. Магнитокинетические явления в водных растворах электролитов. Электрохимия. 1976, Т.12, №5, Деп.В ВИНИТИ, №3511-75.
2. Медведев И.Н., Лукашев Е.Л. Теоретические предпосылки повышения эффективности электродиализа // Применение электродиализа в мембранно-сорбционной технологии очистки и разделения веществ: Тез. докл. Всесоюз. совещ. - Черкассы. 1984. - С. 102-103.
3. Кухаркин Е.С. Электрофизика информационных систем. - М.: Высш. шк., 2001. - 671 с.
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.