Устройство для измерения вольтамперной характеристики и эффективных чисел переноса ионов 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.
Прототипом полезной модели 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 на полезную модель РФ №78577, опубл. Бюл. №33 от 27.11.2008 г.).
Недостатком прототипа является ограниченные функциональные возможности, обусловленные ограниченным перечнем измеряемых характеристик и требующих отбор проб для определения дополнительных характеристик (например, определение чисел переноса и концентрации).
Задачей полезной модели является расширение ассортимента средств подобного назначения и характеризующихся высокими эксплуатационными характеристиками.
Техническим результатом полезной модели 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 в устройстве без забора пробы на химический анализ.
Технический результат достигается тем, что устройство для одновременного измерения вольтамперной характеристики и чисел переноса ионов 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 установлен кондуктометрический электрод для измерения электрического сопротивления раствора расположенный на равноудаленном расстоянии между капилляром для забора и поляризующим электродом.
Упрощение процесса измерения чисел переноса, а также сокращение времени его осуществления, достигается за счет дополнительной установки в стеклянной трубке кондуктометрического электрода для измерения электрического сопротивления раствора, расположенного на равноудаленном расстоянии между капилляром для забора раствора и поляризующим электродом. Установка кондуктометрического электрода позволяет исключить необходимость забора пробы на химический анализ для определения чисел переноса и осуществлять беспрерывно в любой момент времени определение потоков ионов через мембрану и рассчитывать с высокой точностью числа переноса ионов в ЭМС.
Таким образом, совокупность заявляемых признаков позволяет достичь поставленный технический результат и, как следствие, расширить ассортимент средств подобного назначения и улучшить эксплуатационные характеристики устройства.
На фигуре изображена схема заявляемого устройства для 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 электрода введен кондуктометрический электрод 8, сообщенный с кондуктометром 12, осуществляющим фиксирование концентрации раствора внутри стеклянной трубки. Ток задают с помощью потенциостата-гальваностата 9. Скачок потенциала на мембранном диске 2 фиксируют иономером 10 с помощью измерительных электродов, представляющих собой хлорсеребряные электроды сравнения 11, соединенные с капиллярами Луггина-Габера 7. Передаточный механизм состоит из шкива 13, ремня и двигателя 14.
Заявляемое устройство работает следующим образом.
Измерение вольтамперных характеристик ЭМС проводят в гальваностатическом режиме при ступенчатом увеличении плотности тока. Мембранный диск 2 приводят во вращение от шкива 13 со скоростью 50-600 об/мин. Скорость вращения изменяют с помощью оптико-механического преобразователя, сопряженного с блоком цифровой индикации (на схеме не изображены). Стеклянную трубку 1 и емкость 3 заполняют раствором электролита одинаковой концентрации; при этом в стеклянной трубке 1 раствор обновлялся с определенной скоростью. Обновление раствора в стеклянной трубке 1 обеспечивают подающий 4 и отбирающий 5 капилляры. Скорость протока раствора составляет 6,00±0,05 мл/мин. Подавая постоянный ток на поляризующие платиновые электроды 6, с помощью потенциостата-гальваностата 9 фиксируют значение скачка потенциала на мембранном диске 2 иономером 10 с помощью измерительных электродов, представляющих собой хлорсеребряные сравнительные электроды 11, соединенные с капиллярами Луггина-Габера 7.
Одновременно с измерением общей ВАХ исследуемой ЭМС в стеклянной трубке регистрируют значение электропроводности раствора с помощью кондуктометрического электрода 8. При установлении постоянного значения электропроводности раствора внутри стеклянной трубки 1 рассчитывают значения потока ионов через мембрану 2. По изменению состава раствора рассчитывают гитторфовские числа переноса и парциальные ВАХ по току. При этом соблюдают 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 подбирают таким образом, чтобы концентрация раствора отличались на величину достаточную для аналитического определения изменения состава раствора в стеклянной трубке 7 и не осложняющую условия процесса массопереноса в ЭМС.
Пример 1.
2
2
С помощью заявляемого устройства проводят экспериментальное исследование ЭМС на основе гетерогенной катионообменной мембраны МК-40 в 0,02 М растворе NaCl. Скорость вращения мембранного диска 2 диаметром 16,8 мм составляет 100 об/мин. Скорость протока раствора равна 6,00±0,05 мл/мин. Далее определяют удельную электропроводность раствора, рассчитывают поток ионов и определяют эффективные (Гитторфовские) числа переноса ионов натрия в ЭМС. Для ЭМС МК-40 в 0,02 М растворе NaCl экспериментально определяют величину предельного тока равная 8,39 мА/см, которая совпадает со значениями, рассчитанными по теории Левича, что соответствует значению 8,66 мА/см. Таблица 1. Значения удельной электропроводности раствора и экспериментальные значения эффективных чисел переноса ионов натрия гетерогенной мембраны МК-40 при различной плотности тока в ЭМС
Использование заявляемого устройства увеличивает точность и скорость электрохимического исследования ЭМС по сравнению с прототипом за счет прямого определения ионного состава в ЭМС (введения дополнительного кондуктометрического датчика в ЭМС), позволяет расширить функциональные возможности устройства с ВМД посредством одновременной регистрации двух характеристик ЭМС, а именно ВАХ и гитторфовских чисел переноса, 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.