Основные закономерности возникновения и развития электроконвекции

Электроконвекция возникает при некотором соотношении между скоростью прокачки раствора и падением потенциала, причем, чем больше скорость прокачки, тем больше требуется падение потенциала для возникновения электроконвекции (рис.1) при некотором фиксированном моменте времени.

Пороговые значения падения потенциалов на рис. 1 определены визуально по численному решению и поэтому на зависимость пороговой разности потенциалов от скорости прокачивания раствора на рис. 1 нужно смотреть как на качественную характеристику, которая показывает монотонно рост пороговой разности потенциалов от скорости прокачивания раствора. В нестационарном случае пороговые значения падения потенциалов должны зависит как от скорости прокачивания раствора, так и от времени возникновения электроконвекции.

Рисунок 1. Зависимость пороговой разности потенциалов от скорости прокачивания раствора, м /с Расчеты в канале без учета электрических сил и с учетом при одинаковых остальных параметрах (рис.2) приводят к существенно различающимся течениям раствора.

Рисунок 2. Течение в канале, рассчитанные спустя 100 секунд с момента включения электрического тока при скорости прокачивания раствора м/с и скачке потенциала В. а) без учета электроконвекции и б) с учетом электроконвекции, соответственно.

В первом случае наблюдается безвихревое течение, тогда как с учетом кулоновских сил в примембранной области наблюдается вихревое течение. Отсюда можно сделать вывод, что причиной электроконвекции в проточных электромембранных системах является действие кулоновских сил на пространственный заряд, которые образуется на межфазной границе мембрана/раствор электролита.

При наличии электроконвекции вихревое течение в канале не симметрично. Это связано с различием коэффициентов диффузии, в случае раствора NaCl коэффициент диффузии катионов меньше коэффициента диффузии анионов примерно в 1.54 раза и вихри появляются, в первую очередь, у катионообменной мембраны. Это связано с тем, что концентрация у катионообменной мембраны истощается в большей степени, чем у анионообменной мембраны, поэтому напряженность электрического поля у катионообменной мембраны значительна выше, чем у анионообменной мембраны. Пространственный заряд формируется как у катионообменной мембраны, так и у анионообменной мембраны, причем их величины приблизительно равны.

Однако, электрические силы у катионообменной мембраны, больше, чем у анионообменной мембраны благодаря характеру распределения напряженности электрического поля.

Расчеты показывают, что вихреобразование наблюдается при разности потенциалов 0.5 В приблизительно в 15 с, когда величина ротора плотности силы (в рассматриваемой точке) достигает величины. Дальше наблюдается колебание этих величин, связанное с влиянием вихрей. Причем амплитуда колебаний ротора и скорости с течением времени уменьшается.