Том 14, № 1 (2024)

Моделирование переноса ионов в трехслойной системе, содержащей ионообменную мембрану и два смежных с ней диффузионных слоя, позволяет описывать селективность мембраны путем определения плотности ее фиксированного заряда. Для теоретического анализа переноса ионов в таких системах широко используются уравнения Нернста–Планка и Пуассона. В статье показано, что в гальванодинамическом режиме функционирования мембранной системы, когда задается плотность протекающего тока, уравнение Пуассона в модели переноса ионов может быть заменено на уравнение для тока смещения. Построена новая модель в виде краевой задачи для системы уравнений Нернста–Планка и уравнения для тока смещения, на основе которой рассчитаны концентрации ионов, напряженность электрического поля, плотность пространственного заряда и хронопотенциограмма ионообменной мембраны и смежных с ней диффузионных слоев в режиме постоянного тока. Результаты расчета предлагаемой модели хорошо согласуются с результатами моделирования на основе ранее описанного подхода с использованием уравнений Нернста–Планка и Пуассона, а также с аналитической оценкой переходного времени. Показано, что в случае трехслойной геометрии задачи требуемая точность численного расчета с использованием предлагаемой модели достигается при меньшем количестве элементов вычислительной сетки и занимает меньше (в 26.7 раза для рассматриваемых параметров системы) процессорного времени по сравнению с моделью на основе уравнений Нернста–Планка и Пуассона.

В связи с повышенным вниманием к водородной энергетике и принятием многими странами программы ее развития, актуальным становится вопрос о перспективах этого направления. Изначально в программе развития водородной энергетики, принятой в России, основной акцент делался на получение водорода из природного газа. Однако в связи с изменившейся международной обстановкой и провозглашенным курсом на использование “зеленого” водорода, получение которого не связано с выбросом оксидов углерода, становится очевидным, что следует уделять особое внимание разработке топливных элементов (ТЭ) и электролизеров. В данном обзоре сопоставлены основные достоинства и недостатки ТЭ различных типов. На сегодняшний день наиболее развитой является индустрия низкотемпературных ТЭ на протонпроводящих мембранах, которые в англоязычной литературе обычно называют ТЭ на протонообменных мембранах (proton exchange membrane fuel cell). В то же время перспективными являются и ТЭ на анионообменных мембранах с проводимостью по ОН^- ионам. Их несомненным преимуществом является возможность использования существенно более дешевых неперфторированных мембран и бесплатиновых катализаторов. Значительное внимание в обзоре уделено и ТЭ, позволяющим работать при повышенных температурах.

Во второй части обзора подробно рассмотрены мембраны, используемые в данных устройствах в настоящее время, и перспективные материалы, которые могут заменить их в ближайшем будущем.

Проведены исследования по разделению водонефтяной эмульсии полиамидными мембранами с размером пор 0.2 мкм, обработанными плазмой коронного разряда при напряжении 5–25 кВ и времени 1–5 мин. Выявлено увеличение производительности и эффективности разделения водонефтяной эмульсии коронообработанными полиамидными мембранами. Показано увеличение шероховатости и изменение химической структуры модифицированных мембран.