Релаксация ионного пограничного слоя в задаче протонного обмена

Аннотация

Статья посвящена исследованию поведения продуктов реакции протонного обмена в расплаве бензойной кислоты при ее взаимодействии с кристаллом ниобата лития. В ходе протонирования в кислоту попадают положительно заряженные ионы лития и отрицательно заряженные бензоат-ионы, которые после рекомбинации образуют молекулы бензоата лития. Описание процессов диффузии и рекомбинации было осуществлено при помощи уравнений механики сплошных сред: уравнений Навье-Стокса для несжимаемой жидкости, уравнений электростатики и уравнений переноса. В результате численного решения данной системы уравнений было показано, что вблизи межфазной поверхности бензоат-ионы формируют стационарный пограничный слой, поддерживаемый потоком ионов со стороны кристалла. Ионы лития в силу большей подвижности заполняют всю расчетную область. Из-за различий в распределениях концентрации ионов в пределах пограничного слоя возникает электрическое поле. Тем не менее, возникающих неоднородностей недостаточно для возникновения крупномасштабного конвективного переноса, поэтому все поля являются однородными вдоль межфазной поверхности. В работе проводится моделирование ситуации, в которой в определенный момент времени перестают выполняться условия, способствующие протонному обмену, и указанный поток ионов со стороны кристалла прекращается, в результате чего наблюдается постепенное исчезновение пограничного слоя. Приводятся временны̀е эволюции профилей концентрации ионов, молекул бензоата лития и электрического потенциала в ходе данной релаксации. Ионы, как и электрическое поле, с течением времени исчезают, в то время как молекулы бензоата лития стремятся равномерно заполнить все пространство. Показано влияние интенсивности начального потока ионов на релаксационные процессы.