Введение. 
Влияние реакции диссоциации/рекомбинации молекул воды на перенос 1:1 электролита в мембранных системах в диффузионном слое

Реакции диссоциации/рекомбинации молекул воды в растворе NaСl происходят лишь в сверхпредельных токовых режимах. Однако существуют растворы, в которых подобные реакции происходят и при допредельных токах. Примерами являются многие амфолит-содержащие растворы: виноматериалы, соки, молочные продукты, продукты микробиологической переработки биомассы (аминокислоты, анионы многоосновных карбоновых кислот), муниципальные сточные воды (анионы фосфорной кислоты) и др. Молекулы амфолитов содержат одновременно и кислотные, и основные группы, и поэтому в водных растворах диссоциируют и как кислоты с отщеплением водородных ионов, и как основания с отщеплением гидроксильных ионов. Эти реакции также сопровождаются тепловыми эффектами.

Экспериментальные вольт-амперные характеристики, полученные в амфолит-содержащих растворах дигидрофосфата натрия, свидетельствуют о существенном увеличении предельного и сверхпредельного тока при электродиализе амфолитов в вертикальном положении канала обессоливания (КО) по сравнению с горизонтальным положением, что свидетельствует о наличии в таких системах гравитационной конвекции (ГК). В то же время при электродиализе в тех же условиях растворов, не содержащих амфолитов, например растворе NaCl, этот эффект не наблюдается, или наблюдается в значительно меньшей степени.

Это позволяет выдвинуть гипотезу, что основной причиной наблюдаемой ГК являются тепловые эффекты, возникающие наряду с другими эффектами концентрационной поляризации. Это поглощение теплоты на границе раствор/анионообменная мембрана (АО) в результате диссоциации (депротонирования) аниона-амфолита:

.

и поглощение теплоты на некотором удалении от межфазной границы в результате реакции рекомбинации (протонирования) с образованием молекулярной формы амфолита — фосфорной кислоты:

.

На то, что две эти реакции разнесены в пространстве, указывают вычисления, сделанные в рамках 1D трехслойной модели [7]. Согласно этой модели протоны появляются в обедненном диффузионном слое (ДС) вследствие их доннановского исключения из мембраны и рекомбинируют с однозарядными ионами (гидрокарбонатами) на некотором расстоянии от мембраны внутри ДС.

Нами будет рассматриваться реакция рекомбинации ионов и, хотя основные результаты могут быть применены и к амфолит-содержащим растворам, после соответствующих изменений.

Поскольку рекомбинация ионов и происходит в глубине раствора и при этом выделяется тепло в узком реакционном слое (РС), то это может привести к ощутимому неравномерному разогреву раствора, и как, следствие к ГК. Для проверки этой гипотезы рассчитаем тепло выделяемое при рекомбинации ионов и, а затем, используя уравнения теплопроводности и Навье-Стокса рассчитаем течение раствора.