Ячейка для измерения проницаемости ионных компонентов электролита через листовые материалы

Полезная модель относится к измерению проницаемости пористых тел и может быть использована для определения проницаемости ионных компонентов электролита через листовые материалы.
Известен способ измерения проницаемости жидкостей объемных материалов (патент РФ №2181883), заключающийся в следующем: образец помещают в камеру с жидкостью, на жидкость накладывают давление для ее вдавливания в поры образца, после чего регистрируют время заполнения пор и объем вдавленной в образец жидкости. На основании полученных данных с учетом дополнительных поправок определяют проницаемость жидкости через материал.
Недостатком данного способа является то, что его невозможно использовать для измерения проницаемости в направлении одной плоскости листовых материалов, так как в данном методе определяется объемная проницаемость материала. Кроме того, данным способом определяют проницаемость по отношению к самой среде (вещество диффундирует через образец под действием градиента давления).
Также известен способ определения параметров пористости материалов (патент РФ №2305828), заключающийся в следующем: исследуемый образец размещают между двух камер испытательного устройства (рабочей и измерительной) из измерительной камеры откачивают воздух, после чего увеличивают объем камеры до величин разрежения газа, при которых возможно молекулярное течение газа через слой испытуемого материала, и периодически регистрируют изменение давления в измерительной камере. Недостатком описанного выше способа является невозможность использования такого метода для определения параметров проницаемости жидкостей через исследуемый образец.
Существует метод определения проницаемости жидкостей (ГОСТ 25283-93 "Материалы спеченные проницаемые. Определение проницаемости жидкостей", патент РФ №2434223 (прототип)) заключающийся в том, что испытуемый образец размещают между двумя изолированными друг от друга пространствами (рабочего и измерительного) испытательной камеры, пространство измерительной камеры над образцом заполняют жидкостью и увеличивают давление в камере путем уменьшения ее объема, после чего периодически регистрируют изменение давления.
Недостатком данного способа определения проницаемости жидкостей является то, данный метод не может быть применен для измерения проницаемости ионов через образец под действием градиента концентрации.
Технической задачей заявляемой полезной модели является разработка устройства, обеспечивающего измерение проницаемости ионных компонентов электролита через листовые материалы за счет измерения концентрации прошедшего через листовой материал вещества кондуктометрическим методом.
Технический результат достигается за счет использования ячейки для измерения проницаемости ионных компонентов электролита через листовые материалы, состоящей из герметичных рабочего и измерительного пространств, которые формируются из нескольких листов прокладок с отверстиями, разделенных листовым материалом, причем в измерительном пространстве располагают электроды кондуктометра. Измерения проницаемости ионов через листовой материал проводят следующим образом: откачивают из обоих пространств воздух при помощи камеры высокого давления и приемной камеры, частично заполняют их жидкостью, причем рабочее пространство заполняют раствором вещества, который вдавливают в образец, а измерительное - чистым растворителем) и уменьшают объем камеры высокого давления до необходимой величины давления, обеспечивающей перемещение жидкости через листовой материал. Количество прошедшего через образец вещества определяют, периодически регистрируя изменение проводимости жидкости в измерительной камере при помощи расположенных в ней электродов, подключенных к кондуктометру. На основании полученной зависимости определяют величину проницаемости ионного компонента электролита через листовой материал.
Заявляемая ячейка является элементом установки для измерения проницаемости жидкостей через листовые материалы, состоящей из: измерительной ячейки с листовым материалом и электродами для подключения к кондуктометру, манометра, камеры высокого давления, приемной камеры и системы трубопроводов. Камера высокого давления и приемная камера представляют собой пространства, обеспечивающие возможность изменения внутреннего объема. Устройство измерительной ячейки приведено на (фиг. 1-5).
Измерительная ячейка состоит из двух герметичных пространств (рабочего и измерительного), разделенных листовым материалом 1. На фиг. 1 слева от листа листового материала 1 изображена рабочая камера, а справа - измерительная. Пространства ячейки формируют набором герметизирующих прокладок с отверстиями 2, формирующих внутренние объемы пространств. Количество и толщину прокладок 2, а также форму и размер центрального отверстия прокладок 2 определяют исходя из требуемого объема пространств. По краям ячейки располагают герметизирующие прокладки 3 и концевые металлические пластины 4, которые сжимают крепежными элементами 5-8. Количество и форма прокладок, формирующих внутренние объемы в обоих пространствах одинаковы для обеспечения равнозначности объемов за тем исключением, что в измерительном пространстве располагают также электроды кондуктометра 9. При необходимости в измерительное пространство ячейки может быть введена сетка из инертного пластика или пористого стекла во избежание деформации листового материала 1 при наложении давления. Прокладки 2 изготавливают из химически стойких полимеров, например, из фторированного каучука. Между прокладками 2 и герметизирующими прокладками 3 располагают входные прокладки 10. Входные прокладки 10 изготавливают из листов химически стойких полимеров достаточной толщины для обеспечения жесткости пространств камер ячейки. Электроды 9 кондуктометра изготавливают из металлов или сплавов, химически инертных к используемым жидкостям и обладающих высокой электрической проводимостью, например, ниобия или никеля. По центру концевых пластин располагают компрессионные фитинги 11 для соединения с трубопроводами. Рабочее и измерительное пространства соединяют трубопроводами с камерой высокого давления и приемной камерой соответственно для заполнения их жидкостями и наложения необходимого давления на слой диффундирующей через листовой материал жидкости. Трубопроводы и фитинги 11 изготавливают из химически стойких полимеров, например, из полипропилена, поливинилиденфторида и т.д. В трубопровод со стороны камеры высокого давления включают манометр.
Сборку измерительной ячейки проводят следующим образом. Листовой материал 1 располагают между слоями уплотнительных прокладок 2, формирующих объемы рабочего и измерительного пространств ячейки. Уплотнительные прокладки 2 изготавливают с центрирующими отверстиями по краям и с отверстием, формирующим объем камеры, по центру. Состав серии прокладок одинаков для обеих камер, причем между двумя соседними прокладками 2 в измерительной камере располагают пару электродов 9 кондуктометра.
После серии уплотнительных прокладок располагают листы со входными отверстия для объемов камер 10. После входных листов располагают концевые металлические пластины 4 с центрирующими отверстиями по краям и запрессованными компрессионными фитингами 11 по центру. Между концевыми пластинами 4 и входными листами 10 располагают герметизирующие прокладки 3. При сборке ячейки в указанной последовательности чередования слоев детали нанизывают на центрирующие втулки 5. После составления всех слоев во втулки вставляют болты 6 и сжимают концевые пластины гайками 8 с шайбами 7.
Фитинг 11 со стороны рабочего пространства подключают трубопроводом к камере высокого давления. Между камерой высокого давления и ячейкой в трубопровод включают манометр. К фитингу 11 со стороны измерительного пространства ячейки через трубопровод подключают приемную камеру.
Измерение проницаемости ионных компонентов через листовые материалы в заявляемой измерительной ячейке проводят следующим образом. Листовой материал 1 располагают в измерительной ячейке (по схеме, описанной выше). Пространства измерительной ячейки подключают к соответствующим камерам, которые частично заполняют жидкостями. Причем в камере высокого давления находится раствор, проницаемость ионов которого через листовой материал измеряют в эксперименте, а в приемной камере - растворитель. Путем увеличения объемов камеры высокого давления и приемной камеры из пространств измерительной ячейки откачивают воздух, после чего пространства заполняют соответствующими жидкостями, возвращая объемы камер в исходное положение. Камеру высокого давления соединяют с атмосферой с помощью крана и заполняют объем камеры воздухом. Затем увеличивают давление в камере путем уменьшения ее объема до достижения требуемой величины давления. Накладывают такую величину давления, при которой возможен процесс течения жидкости через листовой материал 1. При этом приемную камеру соединяют при помощи крана с атмосферой. После наложения давления на объем вдавливаемой жидкости начинают отсчет времени эксперимента, затем регулярно регистрируют проводимость жидкости в измерительном пространстве. В процессе измерений регистрируют показания манометра и, при необходимости, доводят давление в камере высокого давления до требуемой величины. Результатом описанного выше эксперимента является зависимость проводимости жидкости в измерительном пространстве ячейки от прошедшего времени.
Обработка экспериментальных данных
Проводимость жидкости, измеряемая кондуктометром, определяют по уравнению:
-1
1/R=1/р×A
где R - сопротивление жидкости, измеряемое кондуктометром
р - удельное сопротивление электролита
А - константа ячейки (параметр электродов), А=l/S, где l - длина, a S - площадь электрода
Перед началом проведения кондуктометрических испытаний проводят калибровку измерительной ячейки, то есть определяют константу ячейки А. Для этого измеряют сопротивление серии растворов KCl известной концентрации. На основании табличных значений удельной проводимости растворов KCl строят график зависимости 1/R от 1/р, по углу наклона которого определяют константу ячейки. Полученную константу используют для пересчета измеренного сопротивления жидкости в удельное сопротивление.
Перед определением проницаемости ионных компонентов растворов листовых материалов строят зависимость удельного сопротивления от концентрации растворенного вещества. Используя полученную зависимость, определяют концентрацию вдавливаемого вещества в измерительном пространстве в данный момент времени.
Для определения проницаемости ионного компонента электролита через листовой материал строят график в координатах dN=f(dt). На основании зависимости dN=f(dt) по первому закону Фика можно рассчитать коэффициент диффузии D жидкости в листовом материале:
J=dN/dt=-D×dC/dx
Пример 1.
2
4
В качестве примера использования заявляемой измерительной ячейки приведен эксперимент по измерению проницаемости раствора 1 М HSO графитовой фольги Графлекс, модифицированной фторполимером Ф-42.
2
Использовали графитовую фольгу Графлекс толщиной 0.6 мм. Модифицирование образцов проводили путем лазерной гравировки сетчатого узора на двух листах образцов, после чего на гравированные области наносили раствор фторполимера, после высыхания полимерной пленки совмещали листы гравированными областями и прессовали с давлением 240 кг/см при нагревании до 160-180°С. Толщина полученного листового материала составила 1 мм.
-1
-7
Ячейку калибровали по серии растворов KCl, константа измерительной ячейки А составила 3.58×10 см (см. фиг. 6).
2
4
2
4
Измерительное пространство ячейки заполняли свежедистиллированой водой, рабочую камеру заполняли свежеприготовленным раствором 1 М HSO. Раствор 1 М HSO подавали на листовой материал под избыточным давлением 1 атм.
2
4
2
4
-12
2
В ходе эксперимента регистрировали проводимость жидкости в измерительном пространстве ячейки. Используя градуировочную кривую, (см. фиг. 7) определяли концентрацию HSO в измерительном пространстве ячейки. Полученная зависимость dN/dt приведена на фиг. 8. На основании полученных данных была определена величина проницаемости раствора 1 М HSO 1 мм листа графитовой фольги, модифицированной фторполимером Ф-42. Полученная величина J составила 5.06×10 моль/(м×с).
Пример 2.
2
4
Измеряли проницаемость раствора 1 М HSO листа графитовой фольги, изготовленного по методике, описанной в примере 1 исключая стадию лазерной гравировки и нанесения раствора фторполимера.
-1
-7
2
4
2
4
Константа измерительной ячейки А составила 3.58×10 см (см. фиг. 6). Измерительное пространство ячейки заполняли свежедистиллированой водой, рабочую камеру заполняли свежеприготовленным раствором 1 М HSO. Раствор 1 М HSO подавали на листовой материал под избыточным давлением 1 атм.
2
4
-12
2
Полученная зависимость dN/dt приведена на фиг. 9. На основании полученных данных была определена величина проницаемости раствора 1 М HSO 1 мм листа графитовой фольги, модифицированной фторполимером Ф-42. Полученная величина составила 2.14×10 моль/(м×с).