Моделирование распределение компонент электролита, исследование гетерогенных процессов в системах: твердое тело-жидкость при получении порошков

КАРТОЧКА ПРОЕКТА ФУНДАМЕНТАЛЬНЫХ И ПОИСКОВЫХ НАУЧНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ,
ПОДДЕРЖАННОГО РОССИЙСКИМ НАУЧНЫМ ФОНДОМ

Информация подготовлена на основании данных из Информационно-аналитической системы РНФ, содержательная часть представлена в авторской редакции. Все права принадлежат авторам, использование или перепечатка материалов допустима только с предварительного согласия авторов.

ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ

Номер проекта 23-29-00099

НазваниеМоделирование распределение компонент электролита, исследование гетерогенных процессов в системах: твердое тело-жидкость при получении порошков

Руководитель Чебакова Виолетта Юрьевна, Кандидат физико-математических наук

Организация финансирования, регион федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Казанский (Приволжский) федеральный университет" , Республика Татарстан (Татарстан)

Конкурс №78 - Конкурс 2022 года «Проведение фундаментальных научных исследований и поисковых научных исследований малыми отдельными научными группами»

Область знания, основной код классификатора 09 - Инженерные науки; 09-304 - Электрофизические процессы в жидкостях, газах и твердых диэлектриках

Ключевые слова математическое моделирование, проточные накопители, осаждение порошка, электроэкстракция, электролиз

Код ГРНТИ31.15.33

ИНФОРМАЦИЯ ИЗ ЗАЯВКИ

Аннотация
Электрохимия растворов, несмотря на большую историю применения электролизеров, активно затрагивает новые области развития технологий. Так, например, в мире ежегодно образуется большое количество промышленных отходов, содержащих цинк, особенно в черной и цветной металлургии, металлообработке. Эти материалы обычно классифицируют как опасные из-за возможности выщелачивания токсичных элементов при длительном хранении. Вместе с тем, из-за достаточно высокой ценности цветных металлов, их рациональное использование привлекает все больший интерес. Один из способов утилизации - электроэкстракция цинковых порошков из щелочных электролитов. Так же электроэкстракция марганца дает возможность использовать в качестве сырья бедные марганцовые руды, непригодные для производства марганца другими способами (в том числе ферро- или силикомарганца). Кроме того разрабатываются технологии получения гидрооксида и оксида железа, а так же хлорида железа из металлических отходов электрохимическими способами- электролизом, это позволяет уменьшить вред наносимый окружающей среде по сравнению с традиционными способами (сточные воды, выделение вредных газов , образование минеральных солей). Оксид железа широко применяется в качестве красящего пигмента. Большое влияние на характеристики разрядов с жидкими электродами непосредственно оказывает и сам электролит: его состав и кислотность, электропроводность. Все это приводит к необходимости изучения электрохимических процессов в жидком электролите. Еще одной практической областью применения электрохимических процессах в растворах является проточные батареи (ПБ)– перезаряжаемая топливная ячейка, где электролит содержит один или больше растворенных электропроводящих элементов, протекающих сквозь гальванический элемент, который напрямую преобразует химическую энергию в электричество. Одним из преимуществ ПБ является возможность независимого маштабирования мощностных и емкостных характеристик накопителей электроэнергии. ПБ применяются для хранение и выпрямление подачи электроэнергии с ветровых и солнечных электростанций проточными батареями. Так же большой интерес представляется проточные редокс батареи (ПРБ), способные при полном заряде батарее выделять водород. Данный проект будет посвящен математическому моделированию и численному исследованию электрохимических процессов в жидких электролитах для разных технологических решений, таких как проточные накопители и разрядов с жидкими электродами в различных приближениях. Численное моделирование является одним из инструментов анализа, который наряду с теоретическими и экспериментальными исследованиями, позволяют получить наиболее полную информацию о наблюдаемом процессе. При исследовании используются модели разной размерности, при этом «0»-мерные, кинетические модели позволяют получить начальные данные и выявить наиболее значимые процессы для моделей больших размерностей. В результате проекта будут построены математические модели, описывающие процессы в электролитах как с учетом гидродигамики и механики жидкости, так электрохимических взаимодействий. Построенные в ходе проекта математические модели будут описывать как пространственное распределение компонент электролитов, так и электрохимические реакции, протекающие в как в объеме, так и гетерогенных процессы в системах: твердое тело-жидкость, жидкость-газ. В результате проекта планируется создать комплекс программ, реализующий численные алгоритмы для решения построенных в ходе проекта математических моделей. В дальнейшим это значительно уменьшит необходимость проведения большого числа натурных экспериментов по их отладке, что позволит уменьшить время ввода установок в эксплуатацию, так как математическое моделирование вместе с экспериментальными исследованиями, взаимно дополняют друг друга, позволяя связать внутренние и внешние параметры.

ОТЧЁТНЫЕ МАТЕРИАЛЫ

Публикации

1. Кашапов Л.Н., Кашапов Н.Ф., Чебакова В.Ю., Чебакова Е.В. Mathematical Modeling of Cathodic Zinc Electroextraction Processes Journal of Siberian Federal University. Mathematics & Physics, 5,16,572-582 (год публикации - 2023)

2. Чебакова В.Ю., Кашапов Л.Н., Кашапов Н.Ф. Mathematical Modeling of Heterogeneous Systems: Inert Electrode - Alkaline Electrolyte Lecture Notes in Networks and Systems, 706, 978–987 (год публикации - 2023)
10.1007/978-3-031-36960-5_110

3. Л. Н. Кашапов, Н. Ф. Кашапов, В. Ю. Чебакова, Е. В. Чебакова МАТЕМАТИЧЕСКОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ КАТОДНЫХ ПРОЦЕССОВ ЭЛЕКТРОЭКСТРАЦИИ ЦИНКА Тезисы докладов I Всероссийской научной конференции с международным участием, 413-415 (год публикации - 2023)

4. Л. Кашапов, Н. Кашапов, В.Чебакова МЕТОД ПОТОКОВОЙ ПРОГОНКИ ДЛЯ РЕШЕНИЯ УРАВНЕНИЯ ПЕРЕНОСА КОМПОНЕНТ ЭЛЕКТРОЛИТА Современные методы теории краевых задач. Понтрягинские чтения - XXXIV. Материалы международной Воронежской весенней математической школы, посвящённой 115-летию со дня рождения академика Л.С. Понтрягина, 206-208 (год публикации - 2023)

5. Кашапов Л.Н., Кашапов Н.Ф., Чебакова В.Ю., Чебакова Е.В. ЧИСЛЕННОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ ПРОЦЕССОВ ПОЛУЧЕНИЯ ВОДОРОДА ПРИ ЭЛЕКТРОЛИЗЕ РАСТВОРА КОН XIII семинар вузов по теплофизике и энергетике: тезисы докладов Всероссийской научной конференции, 99-101 (год публикации - 2023)

Аннотация результатов, полученных в 2024 году
В настоящее время во всем мире происходит поиск технологий, позволяющих использовать альтернативные (возобновляемые) источники энергии, что связано как с ухудшением экологической обстановки, так и с возрастающими потребностями в электроэнергии, одним из решений стали проточные накопители. Фундаментальные знания по теории процессов, проходящих при электролизе, позволяет находить более эффективные технологии получения металлических порошков и покрытий, электрохимического оксидирования, травления металлов и получении водорода. Электрохимические процессы электролиза растворов относятся к гетерогенным процессам, наиболее интенсивное их развитие и течение происходит на границе раздела сред металлического электрода и жидкого электролита. Внутренние процессы в электролитах различаются в зависимости от кислотности среды, так чистая вода является слабым электролитом и диссоциирует с образованием ионов гидрооксония и ионов гидроксида, в щелочных электролитах вода дисоциирует с образованием иона водорода и иона гидрооксида. Кинетика гетерогенных процессов играет важную роль в самых разнообразных областях, таких, как электролиз, электро-химическое оксидирование металлов, производства пигментов, выщелачивание металлов. Электро–химические стадийные реакции, описывающие выделение, растворение, и оксидирование веществ в процессе электролиза, могут быть описаны с помощью системы кинетических уравнений. Однако стоит отметить, что константы скоростей электрохимических реакций зависят от факторов свойственных техническим параметрам конкретных электролизеров. При этом математический модели, описывающие электрохимические процессы с помощью кинетических уравнений, позволяют построить прогноз выхода вещества, с меньшими затратами как машинных ресурсов, так и натурных экспериментов. Для решения систем кинетических реакций, необходимы скорости констант стадийных приэлектродных реакций, однако они зависят от ряда факторов, свойственных конкретным системам, это состав и шероховатость поверхности электрода, коэффициент переноса заряженных частиц в электролите и концентрации электролита, приложенного напряжения и поданного тока, следовательно сам поиск констант представляет нетривиальную задачу. В отчетный период было разработано приложение , соединяющие отдельные задачи первого года. Данное приложение содержит в себе два блока. Первый блок рассчитывает константы скоростей гетерогенных процессов, в различных приближениях. Второй блок решает задачу нахождения пространственного распределения характеристик в одномерной и двумерной постановке. Оба блока могут использоваться автономно. Бала поставлена и решена математическая модель мембранного электролиза с ионообменной однородной мембраной. При моделирование рассматривались как катионные (протонообменные), пропускающие частица, имеющие положительный заряд, так и анионные, пропускающие частица, имеющие отрицательный заряд, мембраны. Проведено численное моделирование фазы зародышеобразования цинка при электролизе, как методами молекулярной динамики, так и введением в математическую модель, разработанную в предположении пористой структуры осадка и того, что сопротивление пористого слоя мало и процесс переноса определяется диффузией, дополнительного коэффициента- функции , зависящей от тока и толщины нарастающей пленки. Для верификации численных результатов были проведены исследования на экспериментальной установке, предназначенной для исследования параметров газовых разрядов с жидкими электродами, и включающей электродную систему, источник электрического питания, насосный комплекс для прокачки электролита, емкости, непосредственно в которой производится процесс горения разряда, оборудования измерения электрических характеристик разряда и параметров процесса нагрева металлических образцов в реальном времени. Для описания и оценки электрических параметров электролитного процесса были получены вольтамперные характеристики с использованием щелочного водного раствора электролита NaOH. Для изучения влияния концентрации раствора использовались 1%, 3%, 5% растворы. В ходе проведения исследований были получены вольтамперные характеристики горения разряда для различных концентраций раствора гидроксида натрия и форм прикладываемого напряжения. Анализ полученных результатов показывает возможность применения газового разряда с жидким электролитическим анодом для процессов получения порошка цинка из щелочных растворов.

Публикации

1. Кашапов Л.Н., Кашапов Н.Ф., Чебакова В.Ю. MATHEMATICAL SIMULATION OF CATHODE PROCESSES DURING HYDROGEN PRODUCTION THEORETICAL FOUNDATIONS OF CHEMICAL ENGINEERING, Theor Found Chem Eng (2024). https://doi.org/10.1134/S0040579524601031 (год публикации - 2024)
10.1134/s0040579524601031

2. Чебакова Виолетта Юрьевна Modeling of hydrogen release during electrolysis of alkaline solution E3S WEB OF CONFERENCES, Chebakova V. Modeling of hydrogen release during electrolysis of alkaline solution// E3S Web of Conferences 592, 01010 (2024) (год публикации - 2024)
10.1051/e3sconf/202459201010

3. Кашапов Н.Ф., Чебакова В.Ю., Чебакова Е.В. Моделирование гетерогенных систем X Международный симпозиум по теоретической и прикладной плазмохимии. (9 – 13 сентября 2024 г., Иваново, Россия): сборник трудов/ Иван. гос. хим.-технол. ун-т. - Иваново, X Международный симпозиум по теоретической и прикладной плазмохимии. (9 – 13 сентября 2024 г., Иваново, Россия): сборник трудов/ Иван. гос. хим.-технол. ун-т. - Иваново, 2024. - с.29 (год публикации - 2024)

4. Р. М. Асхатов, Н. Ф. Кашапов, К. В. Кормушин, В. Ю. Чебакова МАТЕМАТИЧЕСКОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ ДВУХФАЗНЫХ ГАЗОЖИДКОСТНЫХ СРЕД В ПРОЦЕССАХ ЭЛЕКТРОЛИЗА Материалы XV Международной конференции по прикладной математике и механике в аэрокосмической отрасли (AMMAI’2024), 1–8 сентября 2024 г., Алушта. — М.: Изд-во МАИ, , Материалы XV Международной конференции по прикладной математике и механике в аэрокосмической отрасли (AMMAI’2024), 1–8 сентября 2024 г., Алушта. — М.: Изд-во МАИ, 2024.-с. 237-238 (год публикации - 2024)

5. КАШАПОВ Н.Ф., ЧЕБАКОВА В.Ю., ЧЕБАКОВА Е.В., КОРМУШИН К.В. АЛГОРИТМ ЧИСЛЕННОГО ИССЛЕДОВАНИЯ ПРИКАТОДНЫХ ПРОЦЕССОВ ЭЛЕКТРОВЫДЕЛЕНИЯ ЦИНКА Вестник Югорского государственного университета, 2024. Т. 20. № 1. С. 11-18. (год публикации - 2024)
10.18822/byusu20240111-18

6. КАШАПОВ Л.Н., КУДРЯВЫЙ А.Д., ЧЕБАКОВА В.Ю., КОРМУШИН К.В. ВЛИЯНИЕ ВЫДЕЛЕНИЯ ВОДОРОДА НА ПРОЦЕССЫ ОСАЖДЕНИЯ ЦИНКА ИНФОРМАЦИОННО-ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЙ ВЕСТНИК, Номер: 4 (38) Год: 2023 Страницы: 143-162 (год публикации - 2023)

7. Чебакова Виолетта, Дмитриев Максим, Кашапов Наиль, Кормушин Константин Nonlinearity of the heterogeneous process of zinc release in flow Batteries E3S Web of Conferences. , E3S Web of Conferences. - 2024. - Vol.531, Is.. - Art. №01023 (год публикации - 2024)
10.1051/e3sconf/202453101023

Возможность практического использования результатов
Данные исследования могут стать базовой составляющей при создании научного описания и понимания процессов, происходящих в электролитах различных систем, таких как электролизеры, разряды с жидкими электродами и проточные накопители разных типов., а также при разработке новых численных методов решения нелинейных задач математической физики, представляющих собой системы дифференциальных уравнений разного типа. Электрохимия растворов, несмотря на большую историю применения электролизеров, активно затрагивает новые области развития технологий. Так, например, в мире ежегодно образуется большое количество промышленных отходов, содержащих цинк, особенно в черной и цветной металлургии, металлообработке. Эти материалы обычно классифицируют как опасные из-за возможности выщелачивания токсичных элементов при длительном хранении. Вместе с тем, из-за достаточно высокой ценности цветных металлов, их рациональное использование привлекает все больший интерес. Один из способов утилизации - электроэкстракция цинковых порошков из щелочных электролитов. Электрическое цинкование применяется для получения покрытий, обладающих антикоррозионными свойствами, в автомобилестроении и авторемонтном производстве. Отмечено следующее преимущество электрического цинкования перед горячим: отсутствие термического воздействия на детали, приводящего к изменению структуры и физико-механических свойств, осаждение покрытия с заданной толщиной, что позволяет минимизировать последующую механическую обработку. При этом покрытие, нанесенное таким способом, по механическим свойствам подобно чистому цинку, т. е. является относительно мягким и более пористым. Также следует отметить, что гальванические не содержат интерметаллических соединений (фаз) и держатся на защищаемом материале только за счет адгезии, т. е. налипания, тогда как получаемые методом горячего цинкования представляют из себя систему железо-цинковых сплавов с постепенно уменьшающимся содержанием железа по мере приближения к внешней стороне покрытия. Еще одной практической областью применения электрохимических процессах в растворах является хранение и выпрямление подачи электроэнергии с ветровых и солнечных электростанций проточными батареями. Данные исследования могут стать базовой составляющей при разработке новых прототипов ПРБ. На данное время альтернативные источники не могут соперничать с углеводородном сырьем для получения энергии. Однако уже сейчас используются ветровые и солнечные электростанции, при этом одной из проблем, возникающий при использовании альтернативных источников, является проблема накопления и бесперебойной подачи энергии. Так согласно указу Президента Российской Федерации от 18 июня 2024 года №529 одной из приоритетных наукоемких технологий обозначено создания систем генерации и хранения энергии. В настоящее время для маштабного стационарного хранения электроэнергии актуальность приобретают проточные накопители. Одним из преимуществ проточных накопителей является возможность независимого маштабирования мощностных и емкостных характеристик накопителей электроэнергии. Наиболее известны Ванадьевые и Литий-ионные батареи, цинк-бромные, никель- водородные аккумуляторы, но существуют также другие пары электроносителей. Гибридная проточная батарея использует один и более электропроводящих компонентов, оседающих как твердый слой. В цинковых проточных накопителях во время зарядки металлический цинк выделяется из раствора электролита на поверхности отрицательных электродов. При разрядке происходит обратный процесс: металлический цинк, нанесенный на отрицательные электроды, растворяется в электролите. Однако данный тип проточных батарей имеет ряд проблем таких как : рост дендритов, вызванный изначально ограниченной диффузией ионов цинка, выделение водорода и коррозия, сказывающихся на возможность долгосрочного использования. На данный момент исследования, направленные на устранения данных проблем, носят комплексный характер, при этом рассматривается и модификация систем, и добавление добавок, влияющих на однородность заполнения осадком площади электродов. Математическое моделирование является одним из способов исследования.