Будников Егор Юрьевич. Анализ флуктуационных явлений в области запредельных токов в электромембранной системе

brief description

Будников Егор Юрьевич. Анализ флуктуационных явлений в области запредельных токов в электромембранной системе : диссертация ... кандидата физико-математических наук : 05.17.18.- Москва, 2000.- 115 с.: ил. РГБ ОД, 61 01-1/119-0

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ НАУЧНЫЙ ЦЕНТР РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ
і
НАУЧНО-ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ ФИЗИКО-ХИМИЧЕСКИЙ ИНСТИТУТ
им. Л.Я. Карпова
На правах рукописи
Егор Юрьевич Будников
Анализ флуктуационных явлений
в области запредельных токов
электромембранной системе
(05.17.18 - мембраны и мембранная технология)
Диссертация на соискание ученой степени
кандидата физико-математических наук
Научные руководители:
доктор физико-математических наук,
профессор С.Ф. Тимашев
кандидат физико-математических наук
А.В. Максимычев,
МОСКВА 2000 
Я хотел бы выразить глубокую признательность своим научным руководителям Сергею Федоровичу Тимашеву и Александру Витальевичу Максимычеву за неизменную поддержку, внимание и интерес к работе, за интересную науку и дружеское общение. Мне хочется также поблагодарить Алексея Колюбина, Елену Зезину и других сотрудников Лаборатории мембранных процессов за помощь в работе, участие в обсуждении результатов и доброжелательное отношение.
Оглавление
Введение 5
1. Шумы и динамический хаос в электромембранных
и электрохимических системах (обзор литературы) 10
1.1. Флуктуации в электромембранных системах 11
1.2. Исследование шумов в электрохимических системах 19
1.3. Анализ временных рядов 25
1.4. Принципы фликкер-шумовой спектроскопии 28
1.5. Вейвлет-анализ 39
1.6. Заключительные замечания 40
2. Методика измерений и обработки результатов 42
2.1. Измерение флуктуаций разности потенциалов в электромембранной
системе 42
2.2. Анализ флуктуационных данных 46
3. Анализ электрических флуктуаций в системе с катионообменной
мембраной с использованием двухточечной методики измерений 49
3.1. Вольтамперные характеристики электромембранной системы 49
3.2. Спектры мощности флуктуаций разности потенциалов
в электромембранной системе 53
3.3. Масштабная инвариантность флуктуаций разности
потенциалов в электромембранной системе 61
4. Конвективный механизм электромассопереноса в системе
с ионообменной мембраной в области запредельной плотности тока 70
4.1. Физические предпосылки развития конвективной
неустойчивости в предельном состоянии 70
4.2. Влияние вязкости электролита на характер
флуктуаций разности потенциалов 78
4.3. Влияние формы мембраны на характер флуктуаций 79
з
5. Пространственно-временные корреляции в электромембранной . •
системе, исследованные методом многоэлектродных измерений ' 82
5.1. Анализ временных и пространственных разностных моментов ' 82
5.2. Скорости распространения гидродинамических возмущений • '
’вблизи'поверхности мембраны . 88
Приложение I. Анализ флуктуационных явлений в процессе .
электрохимического разложения воды с выделением ■
газообразного водорода 92
1.1. Измерение флуктуаций тока в электрохимической системе 92
1.2. Результаты исследований токового шума при
электрохимическом разложении воды 94
1.3. Природа наблюдаемых флуктуаций тока 98
Приложение II. Анализ шумов в электрохимическом
процессе формирования пористого кремния 104
Основные выводы 109
Список литературы 111

bibliography

Основные выводы
1. Разработана оригинальная методика многоэлектродных измерений и обработки хаотических флуктуаций электрического напряжения в электромембранной системе (ЭМС), что позволило впервые сделать заключения о свойствах гидродинамических потоков в примембранной области электролита в ЭМС. В частности было показано, что длина корреляций локальных возбуждений в области запредельной плотности тока составляет / ~ 1-3 мм, характерное время потери корреляционных связей т~1-5с, скорость передачи возмущения в горизонтальном направлении вдоль поверхности мембраны vy <1.8 мм/с, скорость передачи возмущения в вертикальном направлении вдоль поверхности мембраны Vy 2. Показано, что флуктуации разности потенциалов в ЭМС с катионообменной мембраной в области запредельной плотности тока генерируются в обедненном носителями заряда 8д-слое Нернста. Генерация флуктуаций обусловлена возникновением конвективной неустойчивости в Зд—слое Нернста.
3. Впервые установлено, что спектральные характеристики и разностные моменты флуктуирующих значений напряжения в ЭМС зависят от плотности тока, вязкости раствора электролита, а также формы и ориентации мембраны.
4. Анализ соответствующих флуктуационных зависимостей позволил заключить, что диффузионные ограничения на перенос ионов через обедненный 8ЛгСлой в области запредельной плотности тока в ЭМС с катионообменной мембраной преодолеваются путем доставки электролита из объема камеры к поверхности мембраны конвективными потоками, индуцированными локальными разогревами бдгслоя.
5. Показано, что изменение спектров мощности флуктуаций напряжения в ЭМС от линейчатых к фликкер-шумовым типа 1 If при увеличении плотности тока соответствует переходу от высокоупорядоченных квазипериодических гидродинамических потоков к турбулентному режиму переноса, в котором
показатель степени в частотной зависимости спектра достигает своего предельного значения п = 3.
6. Впервые методы вейвлет-анализа, примененные для обработки временных рядов флуктуаций разности потенциалов в ЭМС позволили выявить динамику перехода от упорядоченных квазипериодических гидродинамических потоков в примембранной области электролита к хаотическим и показать масштабную инвариантность турбулентных потоков при высокой плотности тока.
7. Разработанная методика анализа флуктуаций позволила исследовать особенности динамики протекания электрохимических процессов разложения воды с выделением газообразного водорода на платиновом катоде и анодного формирования пористого кремния в растворах HF.