Theoretical analysis of the current-voltage characteristic of the unsteady 1:1 electrolyte transfer in membrane systems in terms of electroconvection and the dissociation/recombination reaction of water

Abstract

Вольтамперная характеристика (ВАХ) является важной интегральной характеристикой процесса переноса ионов соли в электромембранных системах, в качестве которых рассматривается канал обессоливания электродиализного аппарата. В статье исследуется теоретическая вольтамперная характеристика, для расчета которой сформулирована и численно решена новая 2D математическая модель нестационарного переноса 1:1 электролита в потенциодинамическом режиме с учетом электроконвекции и некаталитической реакции диссоциации и рекомбинации молекул воды. Установлены основные закономерности изменения вольтамперной характеристики и их связь с электроконвекцией и некаталитической реакцией диссоциации и рекомбинации молекул воды. Показано, что до возникновения электроконвекции значения ВАХ с учетом реакции диссоциации / рекомбинации молекул воды выше значения ВАХ без учета этой реакции. Эта разница вызвана влиянием на напряженность электрического поля продуктов диссоциации воды, т. е. экзальтацией предельного тока. Электроконвекция начинается позже с учетом реакции диссоциации / рекомбинации молекул воды, чем без учета этой реакции. При более высоких значениях скачка потенциала значения ВАХ с учетом реакции диссоциации / рекомбинации молекул воды ниже значения ВАХ без учета этой реакции. Установлено, что несоленоидальная часть тока мала, поэтому общий ток и соленоидальная часть тока совпадают с хорошей точностью как в случае с учетом, так и в случае без учета реакции диссоциации / рекомбинации молекул воды. Таким образом, в первом приближении в качестве общего тока можно рассматривать соленоидальную часть тока, которая рассчитывается с использованием двойного интеграла, устойчивого к ошибкам округления по пространственным переменным, но сохраняющего все особенности изменения плотности тока по времени. The current-voltage characteristic (CVC) is an important integral characteristic of the salt ion transfer process in electromembrane systems, which are considered as the desalination channel of the electrodialysis apparatus. The article examines the theoretical current-voltage characteristic, for the calculation of which a new 2D mathematical model of non-stationary 1:1 electrolyte transfer in a potentiodynamic mode is formulated and numerically solved, taking into account the electroconvection and non-catalytic reaction of dissociation and recombination of water molecules. The main regularities of changes in the current-voltage characteristic and their connection with the electroconvection and non-catalytic reaction of dissociation and recombination of water molecules are established. It is shown that before the electroconvection occurs, the values of CVC in terms of the dissociation/recombination reaction of water molecules are higher than the values of CVC without taking into account this reaction. This difference is caused by the effect of the water dissociation products, i.e., the exaltation of the limiting current, on the electric field strength. Electroconvection begins later in terms of the dissociation/recombination reaction of water molecules, than without consideration to this reaction. At higher values of the potential jump, the values of the VAC in terms of the dissociation/recombination reaction of water molecules are lower than the values of the CVC without consideration to this reaction. It is established that the non-solenoidal part of the current is small, so the total current and the solenoid part of the current coincide with good accuracy, both in the case of considering and in the case without considering the dissociation/recombination reaction of water molecules. Thus, in the first approximation, the total current can be regarded as the solenoid part of the current, which is calculated using a double integral that is resistant to rounding errors in spatial variables, but retains all the features of the change in current density over time.