Modelul Numeric al Transportului Ionic in Electrodializa Continua si Discontinua

Extras din proiect Cum descarc?

ABSTRACT
We describe the transport of ions and dissociation of a single salt and a solvent solution in an electrodialysis (ED) stack. An ED stack basic unit is made of a two-compartment cell: dilute and concentrate. We use the fundamental principles of electrochemistry, transport phenomena, and thermodynamics to describe mechanisms and to predict the performance of the ED process. We propose and analyze three model formulations for a single salt (KCl). The first and second models are for a one- and two-dimensional continuous electrodialysis, and the third examines batch electrodialysis. The models include the effect of the superficial velocity in the boundary layer near the ion-exchange membranes. We examine the diffusion and electromigration of ions in the polarization region and consider electromigration and convection in the bulk region.
We show that the ionic surface concentration of both membranes in the dilute compartment is affected by two parameters: flow rate and current density. We also show that, in the dilute compartment, concentration changes along the x-axis are greater than along the y-axis because the ionic flux along the x-axis is greater and is in the direction of the current. In simulations where the KCl dilute concentration ranges from 200 to 500 mole m-3 with a constant concentrate concentration, the dilute voltage drop accounts for more than 36% of the total voltage drop. This
value is reduced to 7% as the dilute concentration increases and contributions of both ionexchange membranes drop account for more than 50% of the total cell voltage drop. All three models were validated experimentally.
INTRODUCERE
Electrodializa (ED) este un proces electrochimic folosit pentru indepartarea ionilor in solutie apoasa. Aplicarea unei diferente de potential intre doi electrozi in contact cu membranele si o solutie apoasa ionica genereaza un camp electric. Campul electric creeaza baza pentru migrarea ionilor de-a lungul membranelor schimbatoare de ioni. Unitatea de baza a electrodializei este o celula bicompartimentata cu un compartiment diluat si unul concentrat de o parte si de alta. Membranele schimbatoare de ioni folosite in electrodializa sunt subtiri, straturi uniforme ce contin o incarcatura fixa. Aceste incarcaturi fixe atasate lanturilor de polimeri resping ionii de aceeasi incarcatura (co - ioni). Astfel rezulta ca membrana mentine o concentratie relativ ridicata de catre contra - ioni. Acestia aduc cea mai mare parte a curentului electric prin membrana (schimbatoare de anioni sau schimbatoare de cationic). Transportul contra - ionilor are loc prin difuzia si migrarea printre membrana si solutia inconjuratoare. Obiectivul acestui proiect este de a intelege si prezice mecanismele de transport a clorurii de potasiu prin membrane schimbatoare de ioni cu potential folosit in electrodializa. Simularile computerizate a clorurii de potasiu de-a lungul membranelor schimbatoare de ioni furnizeaza informatii despre comportamentul transportului ionic la un nivel molecular si pentru un proces intermitent. In referatul prezent, s-a dezvoltat fenomenul transportului electrochimic al membranelor schimbatoare de ioni. Concentratia clorurii de potasiu in membrana a fost determinata la orice pozitie data de un set de parametri electrochimici determinati experimental sau descomperiti in literatura de specialitate. Pe de alta parte, modelele electrochimice care studiaza in detaliu viteza superficiala (luand in considerare concentratia ) si distributia de current si voltaj au fost aplicate studiului procesului de electrodializa continuu si in serie. Figura 1 arata cateva din fluxurile ionice prezente in membrana schimbatoare de cationic localizata intre compartimentul diluat si cel concentrat. In realitate, scurgerea este tridimensionala dar poate fi aproximata pentru proiectare ca fiind bidimensionala. Solutia procesata, are un debit de-a lungul axei Y si este direct perpendiculara unui potential electric (axa X ).
CONSIDERATII TEORETICE
Urmatoarele ipoteze au fost facute pentru modelul ED: (1) stare cvasistationara; (2) coeficientii de difuzie independenti de concentratie, mobilitate si numar de transport; (3) disociere completa a ionilor; (4) media grosimii stratului separator; (5) curgere repartizata uniforma indepartata de straturile de separare; (6) membrane ideale ( eliminare 100% a co-ionilor in ambele tipuri de membrane schimbatoare de ioni); (7) fluid incompresibil; (8) difuzie neglijabila si migrarea unidirectionala a debitului in comparatie cu transportul de convectie in faza de solutie; (9) transportul de convectie neglijabil perpendicular pe membrana in comparatie cu difuzia si migrarea in faza de solutie; si (10) cadere de tensiune identica pentru fiecare pereche de celule.
Modelul in jurul membranei
Ecuatia lui Nernst - Planck este baza caracterizarii transportului de ioni in faza de solutie
Ji = - niuiCiF - Di Ci + Ci . (1)
Indicele " i " se refera la speciile "i", Ji este fluxul speciilor "i", ni este valenta speciilor "i", ui este mobilitatea speciilor "i", Ci este concetratia speciilor "i", este diferenta de potential, Di este difuzia coeficientilor speciilor "i", F este constanta lui Faraday, este viteza fluidului. Primul, cel de-al doilea si cel de-al treilea termen din ecuatia (1) reprezinta gradientii de potential, concentratie si impuls, rezultati in electromigrare, difuzie si convectie, respective [8].
Transportul de masa al membranei
Consideram initial transportul de masa a membranei. Folosim sistemul de KCl (sare) si apa (solvent) ca un exemplu. Pentru studierea superficiala a sarii, speciile ionice sunt K+ si Cl -. Fluxul masic al fiecarui ion din membrana , Ji, este deasemenea reprezentat de ecuatia lui Nernst - Planck, dupa cum urmeaza :
(2)
Indicii i = 1, 2 se refera la K+ si Cl-; este coeficientul difuziei speciilor "i" in membrana; si si sunt conctratiile speciilor "i" si respectiv potentialul in membrana.
Datorita repulsiei electrostatice de co - ioni, doar contra - ionii adsorb in zonele cu incarcatura fixa. Contra - ionii migreaza prin membrana atunci cand gradientul de potential este aplicat si sunt eliberati catre aceste incarcaturi fixe. Presupunem ca fiecare contra - ion absorbit este atasat unei incarcaturi fixe individuale. Concentratiile incarcaturilor fixe si contra-ionii absorbiti sunt ajustati in asa fel incat oricare element al membranei ramane neutru din punct de vedere electric.


Fisiere in arhiva (1):

  • Modelul Numeric al Transportului Ionic in Electrodializa Continua si Discontinua.doc

Imagini din acest proiect Cum descarc?

Banii inapoi garantat!

Plateste in siguranta cu cardul bancar si beneficiezi de garantia 200% din partea Proiecte.ro.


Descarca aceast proiect cu doar 5 €

Simplu si rapid in doar 2 pasi: completezi adresa de email si platesti.

1. Numele, Prenumele si adresa de email:

Pe adresa de email specificata vei primi link-ul de descarcare, nr. comenzii si factura (la plata cu cardul). Daca nu gasesti email-ul, verifica si directoarele spam, junk sau toate mesajele.

2. Alege modalitatea de plata preferata:



* Pretul este fara TVA.


Hopa sus!