УСТРОЙСТВО ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ ЭЛЕКТРОХИМИЧЕСКИХ И ТРАНСПОРТНЫХ ХАРАКТЕРИСТИК В ЭЛЕКТРОМЕМБРАННЫХ СИСТЕМАХ

Полезная модель относится к оборудованию, используемому при электрохимическом анализе, а также при исследовании явлений, возникающих в электромембранных системах (ЭМС) на границе раздела мембрана/раствор при высоких и сверхвысоких плотностях тока.
Известно устройство с вращающимся мембранным диском (ВМД) для измерения ВАХ мембран созданное в 1979 г. учеными D.A.Gough и J.K.Leypoldt [D.A.Gough, J.K.Leypoldt Membrane-Covered, Rotated Disc Electrode // J.Analytical Chemistry 1979 Vol.51, №3. P. 439]. Устройство состоит из мембранного диска, вращающегося цилиндра, заполняемого раствором, поляризующих и измерительных электродов, расположенных по обе стороны от мембранного диска. Мембранный диск прикреплен на вращающемся цилиндре с помощью кольцевого фланца, который минимизирует гидродинамические краевые эффекты, как требует теория Левича, но не устраняет их полностью. Схема электрического контакта поляризующих электродов и источника тока посредством ртутной капли выполнена сложно.
К недостаткам устройства относится - ограничены функциональные возможности.
Наиболее близким аналогом является устройство для одновременного измерения вольтамперной характеристики и чисел переноса ионов в электромембранных системах, состоящее из мембранного диска, который горизонтально закреплен на одном из концов вращающегося цилиндра в виде стеклянной трубки, и емкости, заполняемых раствором, поляризующих и измерительных электродов по одному в емкости и во вращающейся стеклянной трубке, при этом дополнительно содержит в стеклянной трубке два капилляра, один из которых для подвода, а другой для забора раствора, поляризующие и измерительные электроды расположены центрально-симметрично и подведены на одинаковом расстоянии к исследуемому мембранному диску [патент РФ №78577, МПК (7) G01N 27/40, G01N 27/333].
Недостатком прототипа являются его низкие эксплуатационные характеристики, обусловленные ограниченными функциональными возможностями ввиду необходимости использования дополнительного оборудования для определения чисел переноса и парциальных токов ионов в ЭМС.
Задачей полезной модели является расширение ассортимента средств подобного назначения, характеризующихся высокими эксплуатационными характеристиками.
Техническим результатом является упрощение процесса измерения чисел переноса процесс, а также сокращение времени его осуществления, за счет обеспечения возможности одновременного измерения вольт-амперных характеристик (ВАХ) и чисел переноса ионов и продуктов диссоциации воды в устройстве без забора пробы на химический анализ.
Технический результат достигается тем, что устройство для измерения электрохимических и транспортных характеристик в электромембранных системах состоит из мембранного диска, который горизонтально закреплен на одном из концов вращающегося цилиндра в виде стеклянной трубки, и емкости, заполняемых раствором, поляризующих и измерительных электродов по одному в емкости и во вращающейся стеклянной трубке, капилляров Луггина-Габера по одному в емкости и во вращающейся стеклянной трубке, содержащей два капилляра, один из которых для подвода, а другой для забора раствора, поляризующие и измерительные электроды и капилляры Луггина-Габера расположены центрально-симметрично и подведены на одинаковом расстоянии к исследуемому мембранному диску, при этом в стеклянной трубке дополнительно установлены кондуктометрический электрод и рН-электрод, расположенный на равноудаленном расстоянии между капилляром для забора раствора и поляризующим электродом.
+
-
Дополнительная установка в стеклянной трубке рН-электрода и кондуктометрического электрода, расположенные на равноудаленном расстоянии между капилляром для забора раствора и поляризующим электродом, позволяет осуществить беспрерывное определение концентрации Н/ ОН ионов, чисел переноса ионов и парциальных токов продуктов диссоциации воды в ЭМС, исключив при этом необходимость забора пробы на химический анализ на другом приборе, что как следствие позволит повысить точность определения параметров и сократить время электрохимического исследования ЭМС. При этом совокупность предлагаемых признаков позволит улучшить эксплуатационные характеристики устройства, в виду расширения его функциональных возможностей, направленных на обеспечение возможности проведения анализа пробы и одновременной регистрации в стационарных условиях нескольких электрохимических характеристик - ВАХ и гитторфовских чисел переноса и парциальных токов ионов соли и ионов водорода. Благодаря этому заявляемое устройство функциональней и точнее прототипа.
На фигуре изображена схема заявляемого устройства для одновременного измерения вольтамперной характеристики и чисел переноса в электромембранных системах.
Устройство состоит из вращающейся стеклянной трубки 1, заполняемой раствором, к нижней торцевой части которой приклеен мембранный диск 2. Вращающаяся стеклянная трубка 1 с прикрепленным мембранным диском 2 погружены в емкость 3, заполняемую раствором. Внутрь трубки 1 подведены подающий 4 и отбирающий 5 раствор капилляры и один из поляризующих электродов 6, выполненных из инертного материала, а также один из капилляров Луггина-Габера 7 на фиксированном расстоянии от мембранного диска 2, образующих катодную камеру. В емкости 3 расположен второй поляризующий электрод 6 и второй капилляр Луггина-Габера 7, образующие анодную камеру. Оба капилляра Луггина-Габера 7 расположены на одной оси, но по разные стороны на одинаковом расстоянии относительно центра мембранного диска 2. Внутри стеклянной трубки на равноудаленном расстоянии от отбирающей трубки и поляризующего электрода введен кондуктометрический электрод 8 и рН-электрод 9 для определения концентрации ионов водорода. Ток задавали с помощью потенциостата-гальваностата 10. Скачок потенциала на мембранном диске 2 фиксировался иономером 11 с помощью измерительных электродов, представляющих собой хлорсеребряные электроды сравнения 12, соединенные с капиллярами Луггина-Габера 7. Измерение электропроводности раствора внутри стеклянной трубки фиксировали с помощью кондуктометра 13. Измерение концентрации ионов водорода определяли с помощью рН-метра 14. Передаточный механизм состоял из шкива 15, ремня и двигателя 16.
Заявляемое устройство работает следующим образом.
Измерение вольтамперных характеристик ЭМС проводили в гальваностатическом режиме при ступенчатом увеличении плотности тока. Мембранный диск 2 вращали от шкива 15 со скоростью 50-600 об/мин. Скорость вращения измерялась с помощью оптико-механического преобразователя, сопряженного с блоком цифровой индикации (на схеме не изображены). Стеклянная трубка 1 и емкость 3 заполнялись раствором электролита одинаковой концентрации; при этом в стеклянной трубке 1 раствор обновлялся с определенной скоростью. Обновление раствора в стеклянной трубке 1 обеспечивали подающий 4 и отбирающий 5 капилляры. Скорость протока раствора составляла 6,00±0,05 мл/мин. Подавая постоянный ток на поляризующие платиновые электроды 6, с помощью потенциостата-гальваностата 10 фиксировали значение скачка потенциала на мембранном диске 2 иономером 11 с помощью измерительных электродов, представляющих собой хлорсеребряные электроды 12, соединенные с капиллярами Луггина-Габера 7.
Одновременно с измерением общей ВАХ исследуемой ЭМС в стеклянной трубке регистрировали значение электропроводности раствора с помощью кондуктометрического электрода 8 и изменение концентрации ионов водорода с помощью рН-электрода 9. При установлении постоянного значения электропроводности раствора внутри стеклянной трубки 1 рассчитывали значения потока ионов через мембрану 2. При установлении постоянного значения рН раствора внутри стеклянной трубки 1 рассчитывали концентрацию ионов водорода. По изменению состава раствора рассчитывали гитторфовские числа переноса и парциальные ВАХ по току ионов соли и водорода и гидроксила. При этом соблюдались следующие условия: больший объем раствора в емкости 3 необходим для того, чтобы было легче поддерживать постоянство состава раствора; скорость протока раствора через капилляры 4, 5 подбиралась таким образом, чтобы концентрация раствора отличались на величину достаточную для аналитического определения изменения состава раствора в стеклянной трубке 1 и не осложняющую условия процесса массопереноса в ЭМС.
Пример 1.
+
+
2
2
С помощью заявляемого устройства провели экспериментальное исследование ЭМС на основе гетерогенной катионообменной мембраны МК-40 в 0,02 М растворе NaCl. Мембранный диск 2 диаметром 16,8 мм вращался со скоростью 100 об/мин. Скорость протока раствора составляла 6,00±0,05 мл/мин. Были определены парциальные токи ионов Na и Н в ЭМС. Для ЭМС МК-40 в 0,02 М растворе NaCl экспериментально найдена величина предельного тока равная 8,39 мА/см, которая совпадает со значениями, рассчитанными по теории Левича, что соответствует значению 8,66 мА/см.
Использование заявляемого устройства увеличивает точность и скорость электрохимического исследования ЭМС по сравнению с прототипом за счет прямого определения ионного состава в ЭМС (введения дополнительного рН-электрода в ЭМС), позволяет расширить функциональные возможности устройства с ВМД посредством одновременной регистрации двух характеристик ЭМС, а именно ВАХ, гитторфовских чисел переноса и парциальных токов ионов соли и ионов водорода, тогда как прототип позволял мерить только ВАХ, а определения состава раствора необходимо производить на дополнительном оборудовании. Отсутствие сложных конструктивных элементов и расширенные функциональные возможности заявляемого устройства с ВМД позволяют сделать электрохимический анализ ЭМС доступнее.
Совокупность заявляемых признаков позволяет достичь поставленный технический результат, и как следствие расширить ассортимент средств подобного назначения и улучшить эксплуатационные характеристики устройства.