Электродиализное обессоливание в интенсивных токовых режимах - усиление электроконвекции за счет использования спейсеров и модификации поверхности мембран

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 24-19-00648

НазваниеЭлектродиализное обессоливание в интенсивных токовых режимах - усиление электроконвекции за счет использования спейсеров и модификации поверхности мембран

Руководитель Коваленко Анна Владимировна, Доктор технических наук

Организация финансирования, регион федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Кубанский государственный университет" , Краснодарский край

Конкурс №92 - Конкурс 2024 года «Проведение фундаментальных научных исследований и поисковых научных исследований отдельными научными группами»

Область знания, основной код классификатора 09 - Инженерные науки; 09-206 - Нано- и мембранные технологии

Ключевые слова Ионообменная мембрана, электродиализ, спейсеры, электроконвекция, сверхпредельный ток, структурная модификация поверхности мембран, математическое моделирование

Код ГРНТИ27.31.00

ИНФОРМАЦИЯ ИЗ ЗАЯВКИ

Аннотация
Вода – самый ценный ресурс для человечества и жизни в целом. Однако сегодня половина речных бассейнов мира находится под нагрузкой, выходящей за рамки устойчивого потребления. Главным решением проблемы нехватки воды является доступ к эффективным технологиям опреснения, к которым, в частности, относятся электромембранные технологии. Эффективность электромембранных систем (ЭМС), таких как электродиализ, сильно зависит от гидродинамики процесса, а также от свойств поверхности мембраны. Исследования последних лет показывают, что существует два подхода, которые позволяют снизить ограничения массопереноса. Во-первых, это использование спейсеров, с помощью которых можно управлять течением раствора, т.е. гидродинамикой. Во-вторых, это структурирование поверхности мембран (СПМ) (мембраны с электрически неоднородной поверхностью, характеризуемой наличием островных структур, а также профилированные мембраны с геометрически неоднородной поверхностью). Мы ожидаем, что использование комбинации обоих подходов (спейсеров и СПМ) даст синергетический эффект, превышающий суммарный эффект каждого из них. Если ранее каждый из этих подходов развивался независимо от другого, мы предлагаем сосредоточиться на их комбинации, опираясь на положительные результаты экспериментов, проведенных группой ученых из Рейнско-Вестфальского технического университета города Аахен (Германия) под руководством профессора Маттиаса Весслинга. Известно, что электроконвекция обедненного раствора вблизи поверхности мембраны определяется параметрами электрической и геометрической неоднородности поверхности. Мы полагаем, что «правильное» СПМ (специально созданной электрической и геометрической неоднородностью поверхности мембран) и расположение спейсеров, их размеров и формы позволит существенно усилить электроконвекцию. Развитие этого комбинированного подхода предполагается проводить как экспериментально, так и теоретически с использованием математического моделирования на основе краевых задач для связанной системы уравнений Нернста-Планка-Пуассона и Навье-Стокса. Экспериментально будут изучены массообменные и электрохимические характеристики при наличии вынужденного течения (относительно высокие числа Рейнольдса) в условиях, приближенных к практическому электродиализу. Будут проведены численные исследования, которые позволят изучить основные закономерности электродиализа в интенсивных токовых режимах с учетом комбинированного воздействия СПМ и спейсеров. Результаты расчетов будут сопоставлены с экспериментальными данными и на этой основе будут предложены решения по оптимизации как структурирования поверхности мембран, так и позиции, размеров и формы спейсеров. В проекте будут получены серии таких мембран, со специально структурированными поверхностями, отличающихся параметрами электрической и геометрической неоднородности. Также одной из задач исследования будет повышение производительности ЭМС и микрофлюидных устройств путем прогнозирования и предотвращения комплексных деструктивных явлений, таких как пробой пространственного заряда и реакция диссоциации/рекомбинации молекул воды, возникающих при запредельных токовых режимах, существенно ограничивающих массоперенос и снижающих эффективность работы ЭМС. Данное исследование позволит оптимизировать параметры СПМ и спейсеров, а также условий проведения электродиализа (скорость вынужденного течения раствора, скачок потенциала и т.д.), которые являются значимыми и подлежат оптимизации. Проект предусматривает проведение такого рода оптимизации по наиболее значимым параметрам с использованием различных критериев эффективности, таких как выход по току, энергопотребление и себестоимость обессоливания единицы объема раствора. Авторы полагают, что выполнение данного Проекта станет важным шагом на пути существенно более широкого применения электродиализа на практике и может быть использовано для формирования новых научных направлений.

ОТЧЁТНЫЕ МАТЕРИАЛЫ

Аннотация результатов, полученных в 2024 году
1. С использованием гетерогенных мембран МА-41 и МК-40 производства Щекиноазот (Россия) получены профилированные мембраны с профилем в виде конусов высотой 0.6 мм. Для изготовления мембран применялся метод горячего прессования. С помощью программы Autodesk Inventor Pro 2023 создан паттерн из конусов, расставленных в шахматном порядке. Матрица для прессования печаталась на фотополимерном LCD принтере Phrozen Sonic Mighty 8K. Печать проводилась с использованием фотополимерной смолы, сохраняющей свои свойства при высокой температуре. Прессование выполнялось при температуре 110°С. Были также изготовлены мембраны с электрически неоднородной поверхностью, характеризуемой наличием островных структур. Для этого использовать гомогенная высокоосновная анионообменная мембрана Neosepta AMX-Sb производства Astom (Япония). Неоднородность поверхности создавалась путем нанесения на поверхность мембраны непроводящих полос методом 2D-лазерной печати Hewlett Packard, основным компонентом которого является сополимер стирола с акрилатом. Высота слоя нанесённого полимера составляла 7-10 мкм. Установлено, что электропроводность и диффузионная проницаемость мембраны МК-40 увеличилась в результате ее профилирования. Предположено, что этот эффект обусловлен появлением новых мезо- и макропор в материале мембраны в результате горячего прессования. Высокопроводящий раствор, заполняющий эти поры, вызывает рост как электропроводности, так и диффузионной проницаемости мембраны. Экспериментально определенный рост влагоемкости подтверждает данное предположение. В то же время электропроводность и диффузионная проницаемость мембраны AMX-Sb, модифицированной за путем нанесения непроводящих полос на ее поверхность, незначительно снижаются по сравнению с исходной мембраной. Данный эффект объяснен присутствием непроводящих полос на поверхности мембраны. Показано, что изменение чисел переноса противоионов в обеих мембранах в результате их модификации оказалось незначительным. Из анализа вольтамперных характеристик и хронопотенциограмм видно, что в случае модифицированных мембран предельная плотность тока и сверхпредельный перенос выше по сравнению с исходными мембранами. Также наблюдается увеличение переходного времени на ХП для профилированных мембран [https://mendeleevcongress.ru/media/program-project_eng_22.10.pdf]. Этот рост массопереноса в интенсивных токовых режимах объяснен увеличением электроконвекции. Последнее подтверждено прямой визуализацией электроконвективных вихрей. 2. При анализе полей концентрации и потенциала в диффузионном слое возникла необходимость построения 1D моделей [https://doi.org/10.14498/vsgtu2101] и сопоставления результатов с 2D моделями. Для исследования одномерных моделей нами был разработан новый аналитический метод, который позволил получить точное решение краевой задачи для нестационарной системы уравнений Нернста-Планка-Пуассона [https://www.preprints.org/manuscript/202410.2136/v1, https://www.elibrary.ru/item.asp?id=68586840]. Нами было проведено сравнение с численным решением этих же одномерных моделей и получено почти полное согласование результатов. Теоретически определены основные закономерности нестационарного переноса ионов соли в диффузионном слое у ионообменной мембраны. В ходе исследования выяснилась сильная зависимость и влияние изменения толщины диффузионного слоя со временем на перенос ионов соли [https://elibrary.ru/item.asp?id=69175333, https://elibrary.ru/item.asp?id=69175168]. В связи с этим возникла необходимость дополнительного изучения электромембранных систем, где толщина диффузионного слоя практически не зависит от длины канала и времени. В качестве такой системы мы выбрали электрохимическую ячейку с вращающимся мембранным диском, согласно классической гидродинамической теории В.Г. Левича [https://doi.org/10.14498/vsgtu2043]. Разработана новая иерархическая система математических моделей для прогнозирования концентрационных полей, напряженности электрического поля и гидродинамических параметров (скорости течения, возникновение и развитие электроконвективных и других вихрей и их взаимодействие) в каналах электродиализных аппаратов. Используя эти модели впервые теоретически изучены во взаимосвязи: - перенос ионов соли в диффузионном слое (1D модель), возникновение и развитие электроконвективных вихрей (2D модель) при наличии спейсеров (непроводящих и проводящих) [https://elibrary.ru/item.asp?id=69175312, https://www.pmp2024.org/_files/ugd/da009f_30ce10fe738e413ea5bd15033e127deb.pdf], а также вихрей, возникающих возле профилированной поверхности мембраны; - влияние диссоциации-рекомбинации молекул воды на процесс электродиализного обессоливания и толщину диффузионного слоя [https://neo.emma.events/static/upload/ow154/events/ev561/Site/files/ELKIN2024-Conference-Program-and-Book-of-Abstracts.pdf]. Впервые получены аналитические решения задачи нестационарного переноса ионов соли в диффузионном слое, позволяющие исследовать этот процесс с исчерпывающей полнотой [https://www.preprints.org/manuscript/202410.2136/v1 ]. Осуществлен расчет теоретических вольтамперных характеристик каналов обессоливания электродиализаторов [http://www.i-asem.org/publication_conf/acem24/3.%20MW/[0072].pdf] с использованием модели со спейсерами, диссоциацией/рекомбинацией молекул воды, со структурными неоднородностями с использованием современных нейросетевых технологий. Проведена оценка влияния непроводящих и проводящих спейсеров на ВАХ и в том числе геометрии спейсеров на усиления массопереноса. Установлены основные закономерности изменения ВАХ со спейсерами и дана оценка вклада диффузии, электромиграции, конвективного переноса и электроконвекции в ВАХ [https://www.pmp2024.org/_files/ugd/da009f_30ce10fe738e413ea5bd15033e127deb.pdf]. Были получены новые 2D модели и проведено теоретическое исследование влияния электроконвекции на эффективность импульсного электрического поля [https://doi.org/10.3390/membranes14110225]. Показано, что использование пульсирующего электрического поля при сверхпредельных токах, в области относительно низких частот скорость массопереноса позволяет увеличить, а энергозатраты уменьшить с ростом частоты. Однако в области высоких частот тенденция меняется на противоположную. Так, наилучшие характеристики получаются на частоте, близкой к 1 Гц (1.3 Гц). При более высоких частотах длительность импульса слишком мала, и электроконвективные вихри, усиливающие массоперенос, не успевают развиться.

Публикации

1. Коваленко С. Аналитическое решение краевой задачи для нестационарной системы уравнений Нернста-Планка-Пуассона в области пространственного заряда в диффузионном слое XII Всероссийская научная конференция с международным участием «МАТЕМАТИЧЕСКОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ И КРАЕВЫЕ ЗАДАЧИ» 2024. Самара. 16-19 сентября 2024. С. 166-171, XII Всероссийская научная конференция с международным участием «МАТЕМАТИЧЕСКОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ И КРАЕВЫЕ ЗАДАЧИ» 2024. Самара. 16-19 сентября 2024. С. 166-171 (год публикации - 2024)

2. Никоненко В.В., Узденова А.М., Коваленко А.В., Уртенов М.Х. Theoretical study of the influence of electroconvection on the efficiency of pulsed electric field (PEF) modes in ED desalination Membranes, 14 (11), 225 (год публикации - 2024)
10.3390/membranes14110225

3. Коваленко С. А. Асимптотическое решение одномерной стационарной краевой задачи для системы уравнений Нернста-Планка Пуассона в области пространственного заряда Прикладная математика: современные проблемы математики, информатики и моделирования. Материалы VI Всероссийской научно-практической конференции, молодых ученых. Краснодар, 2024. С. 34-38, Прикладная математика: современные проблемы математики, информатики и моделирования. Материалы VI Всероссийской научно-практической конференции, молодых ученых. Краснодар, 2024. С. 34-38 (год публикации - 2024)

4. Коваленко А.В., Назаров Р.Р., Уртенов М.Х. Программа для компьютерного моделирования изменения константы скорости диссоциации и рекомбинации молекул воды в диффузионном слое Свидетельство о регистрации программы для ЭВМ RU 2024688199, 26.11.2024. Заявка от 08.11.2024., Свидетельство о регистрации программы для ЭВМ RU 2024688199, 26.11.2024. Заявка от 08.11.2024 (год публикации - 2024)

5. Казаковцева К., Коваленко А., Патыковская М., Уртенов М. Stationary electroconvection in galvanostatic mode when following the generalized Ohm's law Ion transport in organic and inorganic membranes. Conference Proceedings. Krasnodar, Ion transport in organic and inorganic membranes. Conference Proceedings. Krasnodar, 2024. p. 114-115. (год публикации - 2024)

6. Коваленко А., Никоненко В., Уртенов М., Письменский А. Influence of spacers on salt ion transport in electromembrane systems considering the main coupled effects Ion transport in organic and inorganic membranes. Conference Proceedings. Krasnodar, 2024. p. 142-144., Ion transport in organic and inorganic membranes. Conference Proceedings. Krasnodar, 2024. p. 142-144. (год публикации - 2024)

7. Коваленко С., Кириллова Е., Чеканов В., Узденова А., Уртенов М. Analytical solutions and computer modeling of a boundary value problem for a nonstationary system of Nernst-Planck-Poisson equations in a diffusion layer Preprints 2024, 2024102136. https://doi.org/10.20944/preprints202410.2136.v1, Preprints 2024, 2024102136. https://doi.org/10.20944/preprints202410.2136.v1 (год публикации - 2024)
10.20944/preprints202410.2136.v1

8. Никоненко В.В., Шарафан М.В., Коваленко А.В. Concentration polarization in electromembrane systems XXII Mendeleev Congress on General and Applied Chemistry, October 7-12, 2024, Federal Territory “Sirius”, Russia. Book of abstracts in 7 volumes. Volume 4. — М.: “Buki Vedi” LLC, 2024. – 324 p. – 978-5-00202-676-0 (v. 4) p. 92, ХХII MENDELEEV CONGRESS ON GENERAL AND APPLIED CHEMISTRY, 11th International Frumkin symposium on electrochemistry, г. Сочи, Россия. 7-12.10.2024, P.92 (год публикации - 2024)

9. Назаров Р. Р., Коваленко А.В., Бостанов Р.А., Уртенов М.Х. Математическое моделирование влияния на перенос ионов соли изменения константы скорости диссоциации/рекомбинации в диффузионном слое у ионообменной мембраны Вестник Самарского государственного технического университета. Серия «Физико-математические науки», Т. 29, № 1 (год публикации - 2025)
10.14498/vsgtu2101

10. Казаковцева Е.В., Коваленко А.В., Письменский А.В., Уртенов М.Х. Гибридный численно-аналитический метод решения задач переноса ионов соли в мембранных системах с осевой симметрией Вестник Самарского государственного технического университета. Серия «Физико-математические науки», Т. 28, № 1. С. 130–151 (год публикации - 2024)
10.14498/vsgtu2043

11. Коваленко С.А., Уртенов М.Х. Асимптотическое решение краевой задачи в диффузионном слое для стационарной системы уравнений Нернста - Планка – Пуассона Перспективы науки, № 6 (177). С. 105-112 (год публикации - 2024)

12. Коваленко А., Мареев С., Уртенов М., Чеканов В. Mathematical modeling of the influence of spacers on salt ion transport in electromembrane systems considering the main coupled effects The 7th International Symposium on Physics and Membrane Processes (PMP2024)&The International Symposium on Separation Technologies Applied Research and Translation (IS-START2024), The 7th International Symposium on Physics and Membrane Processes (PMP2024)&The International Symposium on Separation Technologies Applied Research and Translation (IS-START2024) 2-6 Dec 2024 (год публикации - 2024)

13. Назаров Р., Коваленко А., Никоненко В., Уртенов М. Theoretical study of the effect of changes in the dissociation/recombination rate constant in the diffusion layer of a cation exchange membrane on salt ion transport Ion transport in organic and inorganic membranes. Conference Proceedings. Krasnodar, 2024. p. 208-209. , Ion transport in organic and inorganic membranes. Conference Proceedings. Krasnodar, 2024. p. 208-209 (год публикации - 2024)

14. Никоненко В., Письменская Н., Коваленко А. Electroconvection and water splitting in electrodialysis with ion-exchange membranes the 15th International Symposium on Electrokinetics, ELKIN2024, 2024. 61 p. (год публикации - 2024)

15. Кириллова Е., Коваленко А. Using machine learning and artificial intelligence methods to study the current-voltage characteristics of membrane systems The 2024 World Congress on Advances in Civil, Environmental, & Materials Research (ACEM24) , Advances in Civil, Environmental, & Materials Research (ACEM24) (год публикации - 2024)

16. Коваленко С.А., Кириллова Е.В., Уртенов М.Х. Математическое моделирование краевой задачи в диффузионном слое для стационарной системы уравнений Нернста-Планка Пуассона труды Международной научно-практической конференции ИИТ&ММ-2024 (пос. Дивноморское, г. Геленджик, Краснодарский край, 25–30 августа 2024 года) / Донской государственный технический университет; под ред. В.В. Сидорякиной. — Ростов н/Д : ДГТУ-Принт, 2024, труды Международной научно-практической конференции ИИТ&ММ-2024 (пос. Дивноморское, г. Геленджик, Краснодарский край, 25–30 августа 2024 года) / Донской государственный технический университет; под ред. В.В. Сидорякиной. (год публикации - 2024)

17. Назаров Р.Р., Коваленко А.В. Математическое моделирование влияния на перенос ионов соли изменения константы скорости диссоциации/рекомбинации в диффузионном слое у катионообменной мембраны Прикладная математика: современные проблемы математики, информатики и моделирования, Прикладная математика: современные проблемы математики, информатики и моделирования. Материалы VI Всероссийской научно-практической конференции, молодых ученых. Краснодар, 2024. С. 47-51 (год публикации - 2024)

18. Коваленко А., Письменский А., Мареев С., Кириллова Е., Чубырь Н., Уртенов М. Electrodialysis desalination in intensive current regimes - enhancement of electroconvection by use of membrane surface modification Ion transport in organic and inorganic membranes, Ion transport in organic and inorganic membranes : Conference Proceedings, Sochi, 25–30 мая 2025 года. – Best Print (Krasnodar), 2025. – P. 108-110. – EDN UZYRSY. https://elibrary.ru/item.asp?id=82934035 (год публикации - 2025)

19. Чубырь Н.О., Коваленко А.В., Назаров Р.Р., Уртенов М.Х. Theoretical assessment of the influence of change in the equilibrium coefficient of the dissociation/recombenation reaction of water molecules on the 1:1 electrolyte transfer in the extended space charge region Ion transport in organic and inorganic membranes, Ion transport in organic and inorganic membranes : Conference Proceedings, Sochi, 25–30 мая 2025 года. – Best Print (Krasnodar), 2025. – P. 38-40. – EDN ADOOMG. https://elibrary.ru/item.asp?id=82920721 (год публикации - 2025)

20. Петряков М., Кислый А., Мареев А., Горобченко А. 3D modeling of mass transport in electrodialysis chambers: a comparative study of mixing promoters Ion transport in organic and inorganic membranes, Ion transport in organic and inorganic membranes : Conference Proceedings, Sochi, 25–30 мая 2025 года. – Best Print (Krasnodar), 2025. – P. 174-175. – EDN DMMPIO. https://elibrary.ru/item.asp?id=82939166&pff=1 (год публикации - 2025)

21. Мареев С.А., Кириллова Е.В., Чубырь Н.О., Коваленко А.В., Уртенов М.Х., Петряков М.С. Numerical study of salt ion transport in electromembrane systems with ion-exchange membranes having geometrically structured surfaces Physics of Membrane Processes PMP 2025, Physics of Membrane Processes PMP 2025, Shanghai, China, December 11 - December 15, 2025. https://pmp2025.org.cn/Default.aspx (год публикации - 2025)

22. Коваленко А.В., Назаров Р.Р., Чубырь Н.О. Программа для компьютерного моделирования влияния на перенос ионов соли изменения константы скорости диссоциации/рекомбинации в сечении канала обессоливания ГОСУДАРСТВЕННАЯ РЕГИСТРАЦИЯ ПРОГРАММЫ ДЛЯ ЭВМ, свидетельство о государственной регистрации программы для ЭВМ, RU 2025680308, Россия, 2025. Номер заявки: 2025669172. Дата регистрации: 27.06.2025. Дата публикации: 04.08.2025 (год публикации - 2025)

23. Коваленко А.В., Коваленко С.А., Уртенов М.Х. Программа для анализа влияния спейсеров-планок на перенос ионов соли в ЭМС с учетом основных сопряженных эффектов ГОСУДАРСТВЕННАЯ РЕГИСТРАЦИЯ ПРОГРАММЫ ДЛЯ ЭВМ, Свидетельство о регистрации программы для ЭВМ RU 2025614150, 19.02.2025. Заявка № 2025611591 от 04.02.2025. (год публикации - 2025)

24. Кириллова Е., Чубырь Н., Назаров Р., Коваленко А., Уртенов М. Investigation of the Boundary Value Problem for an Extended System of Stationary Nernst–Planck–Poisson Equations in the Diffusion Layer Mathematics, 13 (8), 1298 (год публикации - 2025)
10.3390/math13081298

25. Петряков М., Мареев А., Горобченко А., Кислый А., Мареев С., Коваленко А., Уртенов М., Никоненко В. 3D simulation of electrodialysis with profiled membranes Journal of Membrane Science (год публикации - 2025)
10.2139/ssrn.5722405

26. Коваленко А.В., Коваленко С.А., Уртенов М.Х. ПРОГРАММА ДЛЯ КОМПЬЮТЕРНОГО МОДЕЛИРОВАНИЯ ВЛИЯНИЯ ОСНОВНЫХ СОПРЯЖЕННЫХ ЭФФЕКТОВ НА ПЕРЕНОС ИОНОВ СОЛИ В ЭЛЕКТРОМЕМБРАННЫХ СИСТЕМАХ ГОСУДАРСТВЕННАЯ РЕГИСТРАЦИЯ ПРОГРАММЫ ДЛЯ ЭВМ, Свидетельство о регистрации программы для ЭВМ RU 2025613161, 10.02.2025. Заявка № 2025611605 от 04.02.2025. (год публикации - 2025)

27. Коваленко А.В., Коваленко С.А., Уртенов М.Х. Программа для компьютерного моделирования влияния спейсеров круглой формы на перенос ионов соли в электромембранных системах с учетом основных сопряженных эффектов ГОСУДАРСТВЕННАЯ РЕГИСТРАЦИЯ ПРОГРАММЫ ДЛЯ ЭВМ, Свидетельство о регистрации программы для ЭВМ RU 2025613886, 17.02.2025. Заявка № 2025611593 от 04.02.2025. (год публикации - 2025)

28. Кириллова Е.В., Чубырь Н.О., Назаров Р.Г., Коваленко А.В., Уртенов М.Х. Mathematical Modeling of the Influence of Equilibrium Coefficient Variation on the Steady-State Transport of a Binary Electrolyte in the Cross-Section of a Desalination Channel Axioms , 14(11), 839 (год публикации - 2025)
10.3390/axioms14110839

29. Казаковцева Е.В., Кириллова Е.В., Коваленко А.В., Уртенов М.Х. Mathematical Modeling of the Influence of Electrical Heterogeneity on the Processes of Salt Ion Transfer in Membrane Systems with Axial Symmetry Taking into Account Electroconvection Inventions, 10(4), 50 (год публикации - 2025)
10.3390/inventions10040050

30. Кириллова Е.В., Чубырь Н.О., Коваленко А.В., Уртенов М.Х. Numerical Study of Salt Ion Transport in Electromembrane Systems with Ion-Exchange Membranes Having Geometrically Structured Surfaces Mathematics , 13(9), 1523 (год публикации - 2025)
10.3390/math13091523

31. Назаров Р. Р., Коваленко А. В., Бостанов Р. А., Уртенов М. Х. Mathematical modeling of the influence of dissociation/recombination rate constant dependence on salt ion transport in the diffusion layer near an ion-exchange membrane Vestnik Samarskogo Gosudarstvennogo Tekhnicheskogo Universiteta, Seriya Fiziko-Matematicheskie Nauki, Т. 29, № 1, С. 109-128 (год публикации - 2025)
10.14498/vsgtu2101

32. Коваленко А.В., Коваленко С.А., Уртенов М.Х. Программа для моделирования влияния основных сопряженных эффектов и спейсеров новой профилированной формы ГОСУДАРСТВЕННАЯ РЕГИСТРАЦИЯ ПРОГРАММЫ ДЛЯ ЭВМ, Свидетельство о регистрации программы для ЭВМ RU 2025613977, 18.02.2025. Заявка № 2025611703 от 04.02.2025. (год публикации - 2025)

33. Чубырь Н.О., Коваленко А.В., Назаров Р.Р., Уртенов М.Х. Влияние электрического поля на коэффициент равновесия реакции диссоциации/рекомбинации молекул воды МЕМБРАНЫ-2025, МЕМБРАНЫ-2025. XVI Международная научная конференция, г. Минск, Республика Беларусь, 15-20 сентября 2025 г. – М.: Издательский центр БГУ, 2025. – С. 39-41 (год публикации - 2025)

34. Коваленко С., Уртенов М., Письменский А. Analytical solutions of a boundary value problem for a nonstationary system of Nernst – Planck – Poisson equations in a diffusion layer Ion transport in organic and inorganic membranes, Ion transport in organic and inorganic membranes : Conference Proceedings, Sochi, 25–30 мая 2025 года. – Best Print (Krasnodar): Без Издательства, 2025. – P. 113-115. – EDN TOKNEF. https://elibrary.ru/item.asp?id=82934294 (год публикации - 2025)

35. Никоненко В.В. , Коваленко А.В., Солонченко К.В., Рулева В.Д., Горобченко А.Д. Концентрационная поляризация в электромембранных системах: влияние на селективный перенос ионов и скорость массопереноса МЕМБРАНЫ-2025, МЕМБРАНЫ-2025. XVI Международная научная конференция, г. Минск, Республика Беларусь, 15-20 сентября 2025 г. – М.: Издательский центр БГУ, 2025. – С. 19-21 (год публикации - 2025)

36. Кириллова Е., Коваленко А., Уртенов М. Study of the Current–Voltage Characteristics of Membrane Systems Using Neural Networks AppliedMath, 5(1), 10 (год публикации - 2025)
appliedmath5010010

Аннотация результатов, полученных в 2025 году
В отчётном периоде проведён комплекс экспериментальных, теоретических и вычислительных исследований, направленных на развитие методов управления гидродинамикой, массопереносом и электроконвекцией в электромембранных системах (ЭМС) с использованием электрически и геометрически неоднородных ионообменных мембран (ИОМ). Были изготовлены серии ионообменных мембран с электрически неоднородной поверхностью путём термического нанесения сополимера стирола с акрилатом на гомогенные ИОМ. Образцы различались долей экранированной поверхности и конфигурацией островных структур. Дополнительно сформированы мембраны с геометрической неоднородностью (конусами-«холмами»), полученные прессованием при температуре плавления связующего МК-40 и МА-41. Мембраны отличались количеством и размерами конусов на 1 см². Для всех образцов определены обменная ёмкость, влагоёмкость, удельная проводимость, диффузионная проницаемость и числа переноса. Получены вольтамперные характеристики (ВАХ), хронопотенциограммы, проведена визуализация концентрационных полей и исследование параметров электроконвективных вихревых структур (размеров вихрей, их числа и скорости дрейфа при различных скоростях вынужденного потока). Установлена устойчивая корреляция между параметрами электроконвекции, формой ВАХ и динамикой потенциала. Проведено CFD-моделирование различных типов спейсеров, по результатам которого изготовлены опытные образцы методом 3D-фотополимерной печати [1, 15]. Разработаны две новые математические модели — 2D Structured Membranes Model [2, 18] и 3D Structured Membranes Model [1, 3, 15], предназначенные для описания комбинированного влияния электрической неоднородности, геометрической модификации мембран и электроконвекции на перенос ионов соли в канале обессоливания. Впервые выполнено моделирование электроконвекции в осесимметричных ЭМС (кольцевой мембранный диск), обладающее важным свойством равнодоступности при допредельных токах. Показано, что электроконвективные вихри формируются на границах проводящих и непроводящих областей мембраны при определённом сочетании скачка потенциала и угловой скорости. Выявлены законы изменения размеров ЭВ и их исчезновения при росте скорости вращения, а также закономерности возникновения вихрей при фиксированной скорости вращения и возрастающем потенциале [3]. Проведён углублённый анализ влияния геометрической структурированности поверхности ИМ (холмов и долин) на процессы переноса. Установлено, что модификация поверхности [2, 12, 15, 16, 18]: усиливает развитие электроконвекции, изменяет структуру течения вплоть до ядра потока, приводит к образованию зон рециркуляции и «застойных» областей, трансформирующихся под действием ЭВ, зависит от нелинейного взаимодействия электроконвективных и гидродинамических вихрей. Экспериментально подтверждено увеличение среднего размера вихревых структур у профилированных мембран: около 300 мкм против 200 мкм у непрофилированных. Полученные данные хорошо согласуются с результатами численного моделирования. Так как расчёт ВАХ является ресурсоёмким, разработаны нейронные сети для быстрого получения характеристик ЭМС в широком диапазоне параметров. Тестирование различных архитектур показало, что наилучшие результаты обеспечивает модель, включающая сверточные и LSTM-слои. Нейросеть позволила выявить закономерности изменения форм ВАХ при варьировании параметров мембран и внешних условий [4]. Проведено теоретическое исследование переноса бинарного электролита с учётом изменения коэффициента равновесия реакции диссоциации/рекомбинации воды, основанное на решении расширенной системы стационарных уравнений Нернста–Планка–Пуассона [14]. Установлено, что сечение канала разбивается на семь областей с различающимися доминирующими процессами; увеличение коэффициента равновесия усиливает потоки ионов H⁺ и OH⁻, уменьшая плотность пространственного заряда; электроконвективные вихри возникают позже и имеют меньшие размеры при высоких коэффициентах равновесия. Полученные результаты представляют новое понимание механизмов формирования ЭВ и влияния реакции диссоциации/рекомбинации на перенос ионов [5-7, 13, 17]. Разработанные математические модели реализованы в виде программ для ЭВМ. В 2025 году зарегистрированы четыре программных продукта в Роспатенте, предназначенных для моделирования влияния сопряжённых эффектов и различных типов спейсеров на перенос ионов в ЭМС. Ссылки на свидетельства [8-11]. Ключевые публикации проекта (2025) 1. http://dx.doi.org/10.2139/ssrn.5722405 2. https://doi.org/10.3390/math13091523 3. https://doi.org/10.3390/inventions10040050 4. https://doi.org/10.3390/appliedmath5010010 5. https://doi.org/10.3390/axioms14110839 6. https://doi.org/10.3390/math13081298 7. https://doi.org/10.14498/vsgtu2101 8. https://elibrary.ru/download/elibrary_80411345_75415017.PDF 9. https://elibrary.ru/download/elibrary_80412161_81255624.PDF 10. https://elibrary.ru/download/elibrary_80412070_57364480.PDF 11. https://elibrary.ru/download/elibrary_80412334_88039681.PDF 12. https://elibrary.ru/item.asp?id=82934035 13. https://elibrary.ru/item.asp?id=82920721 14. https://elibrary.ru/item.asp?id=82934294 15. https://elibrary.ru/item.asp?id=82939166&pff=1 16. https://rusmem.ru/files/Membranes-2025_Sbornik_tezisov.pdf 17. https://rusmem.ru/files/Membranes-2025_Sbornik_tezisov.pdf 18. https://pmp2025.org.cn/Default.aspx

Публикации