УСТРОЙСТВО ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ ДИФФУЗИОННЫХ ХАРАКТЕРИСТИК МЕМБРАН

Полезная модель относится к оборудованию, используемому при исследовании характеристик мембран и явлений, возникающих в мембранных системах на границе раздела мембрана/раствор, в отсутствии наложения тока.
Одним из важнейших факторов, влияющих на коэффициент диффузионной проницаемости мембран, является толщина диффузионного слоя. Чем толще этот слой, тем медленнее диффузия. Для большинства случаев эксплуатации мембран не достаточно лишь качественной оценки влияния толщины диффузионного слоя на диффузионные характеристики мембран. Поэтому возникла проблема измерения диффузионных характеристик мембран при заданной толщине диффузионного слоя, а для этого необходимо совершенствовать известные устройства, применимые для исследования диффузионных характеристик мембран, с целью получения количественной зависимости диффузионных характеристик от толщины диффузионного слоя.
Известны устройства, позволяющие измерять коэффициент диффузионной проницаемости мембран в стационарных условиях, путем стабилизации толщины диффузионного слоя таким образом, чтобы она не оказывала существенного влияния на коэффициент диффузионной проницаемости мембраны [Tourreuil, V. Detrmination de la selectivite d'une memrane echangeuse d`ions: confrontation entre le flux de diffusijn et le nombre de transport / V.Tourreuil, N.Rossignol, G.Bulvestre, C.Larchet, B.Auclair // Eur.Polim.J. - 1998. - Vol.34, №10. - P.1415-1421.].
Известно устройство, которое состоит из непроточной двухкамерной ячейки периодического действия [Гнусин, Н.П. Асимметрия диффузионной проницаемости ионообменных мембран, электрохимически модифицированных органическими ионами / Н.П.Гнусин, Н.П.Березина, Н.А.Кононенко // Электрохимия. - 1987. - Т.23, №1. - С.142-146.]. Ячейка состоит из двух камер каждая объемом 100 мл, изготовленных из оргстекла. Герметизацию ячейки обеспечивают прокладками из вакуумной резины между камерами и мембраной. Исследуемую мембрану вертикально закрепляют между двумя идентичными камерами I и II, камеру I заполняют раствором электролита заданной концентрации, а камеру II - дистиллированной водой. Растворы по обе стороны мембраны перемешиваются механической мешалкой со скоростью 600 об/мин. Для регистрации изменения концентрации электролита в камере II, в результате переноса его через мембрану из камеры I, камера II ячейки снабжена двумя платиновыми электродами, которые подключаются к мосту переменного тока. Большим преимуществом данного устройства является его простота. Однако, значение толщины диффузионного слоя невозможно рассчитать, что обусловлено конструкцией двухкамерной непроточной ячейки. Изменение концентрации раствора электролита в камере I в процессе работы установки приводит к ошибкам в определении коэффициента диффузионной проницаемости.
Наиболее близким аналогом заявляемому устройству является устройство, предназначенное для измерения диффузионной проницаемости мембран, на основе двухкамерной ячейки с проточными камерами I и II [Заболоцкий, В.И. Электромассоперенос через неоднородные ионообменные мембраны: Стационарная диффузия электролита / В.И.Заболоцкий, К.А.Лебедев, А.А.Шудренко // Электрохимия. - 1989. Т.25, №7. - С.913-918.]. Данное устройство лишено такого недостатка как изменение концентрации раствора электролита в камере I в процессе работы установки. Устройство состоит из двухкамерной ячейки с проточными камерами. Мембрана закрепляется горизонтально между камерами I и II двухкамерной проточной ячейки. Камера II содержит дистиллированную воду, а камера I раствор электролита, который поступает из емкости с раствором электролита заданной концентрации посредством насоса. Растворы по обе стороны мембраны перемешиваются: в камере II - магнитной мешалкой, в камере I -механической мешалкой. Данная установка позволяет поддерживать неизменной концентрацию раствора электролита в камере I за счет циркуляции достаточно большого объема раствора (соотношение объемов дистиллированной воды и раствора электролита составляет 1÷100). В камере II происходит дозирование дистиллированной воды из бюретки, снабженной магнитным клапаном, с помощью блока автоматического титрования (БАТ), соединенного с датчиком электропроводности через преобразователь электропроводности в напряжение. Достоинство данного устройства -постоянство концентраций раствора в камерах ячейки, разделяемых исследуемой мембраной. Однако, конструкция ячейки не позволяют рассчитать толщину диффузионного слоя в примембранном пространстве.
К недостаткам прототипа относится громоздкость, сложность конструкции из-за наличия системы устройств дозирования дистиллированной воды, системы механической и магнитной мешалок для перемешивания растворов, а поэтому невозможно рассчитать толщины диффузионных слоев в прилегающем к исследуемой мембране растворе, к которым относят найденную величину коэффициента диффузионной проницаемости, что приводит к искажению получаемых результатов.
Технической задачей предлагаемого технического решения является разработка простого, недорогого устройства, обеспечивающего измерение коэффициента диффузионной проницаемости мембраны при различных условиях ее эксплуатации.
Для решения поставленной технической задачи предложено устройство, для измерения диффузионных характеристик мембран, содержащее двухкамерную ячейку с проточными камерами, между которыми укреплена исследуемая мембрана, емкости с дистиллированной водой и емкости с раствором электролита заданной концентрации, двух насосов, кондуктометра, кондуктометрической ячейки. Одна из камер гидравлически соединена с емкостью, наполненной дистиллированной водой, подаваемой с помощью насоса, а другая камера гидравлически соединена с емкостью, наполненной раствором электролита заданной концентрации, подаваемого с помощью другого насоса. Обе ячейки через штуцеры, расположенные в каналах со щелевидными соосно-расположенными прорезями на горизонтальных плоскостях рамки каждой из камер двухкамерной ячейки, гидравлически соединены с соответствующей емкостью. В емкости с дистиллированной водой находится кондуктометр, электрически соединенный с кондуктометрической ячейкой.
Предлагаемое устройство отличается от прототипа тем, что отсутствует громоздкое оборудование дозирования дистиллированной воды, а регистрация прироста концентрации производиться с помощью кондуктометрической ячейки, что заметно упрощает конструкцию и аппаратное оформление устройства - нет необходимости в системе устройств для дозирования дистиллированной воды и системе механической и магнитной мешалок для перемешивания растворов. За счет соосно-расположенных щелевидных прорезей на горизонтальных плоскостях рамки в каждой из камер двухкамерной ячейки обеспечивается ламинарное течение жидкостей, обеспечивая перемешивание исследуемого раствора в ячейке.
На фигуре 1 изображена схема заявляемого устройства для измерения диффузионных характеристик мембран; на фигуре 2 - схема двухкамерной ячейки для измерения диффузионной проницаемости мембран.
Устройство состоит из двухкамерной ячейки 1 для измерения диффузионной проницаемости мембраны 2, делящей двухкамерную ячейку 1 на камеры 3 и 4, емкости с дистиллированной водой 5, емкости с раствором электролита заданной концентрации 6, двух насосов 7, кондуктометра 8, кондуктометрической ячейки 9, шлангов 10-13.
Двухкамерная ячейка 1 для измерения диффузионной проницаемости связана с емкостью 5 гидравлически, например, посредством шлангов 10, 12 и емкостью 6 гидравлически, например, посредством шлангов 11, 13. Шланги 10, 11 обеспечивают соединение емкостей 5 и 6 с камерами 3 и 4 двухкамерной ячейки 1 соответственно. Шланги 12, 13 обеспечивают соединение камер 3 и 4 двухкамерной ячейки 1 с насосами 7 и емкостями 5 и 6 соответственно. В емкости 5 расположена кондуктометрическая ячейка 9, которая электрически связана с кондуктометром 8.
Двухкамерная ячейка 1 для измерения диффузионной проницаемости мембран состоит из исследуемой мембраны 2, резиновых прокладок 14, рамок 15 из инертного материала для исследуемых растворов с прямоугольными отверстиями 16, прижимных плит 17 из инертного материала, каналов 18, щелевидных прорезей 19, расположенных соосно на горизонтальных плоскостях отверстия 16 рамки 15, штуцеров 20.
Ячейка комплектуется следующим образом.
Исследуемую мембрану 2 зажимают между рамками 15. При этом между рамками 15 и мембраной 2, а также между рамками 15 и прижимными плитами 17 помещают резиновые прокладки 14 для герметизации двухкамерной ячейки 1. Подача и отвод раствора в каждой из камер 3 и 4 двухкамерной ячейки 1 осуществляется снизу вверх внутри каждой камеры через каналы 18, имеющие выходы в виде щелевидных прорезей 19 на горизонтальных плоскостях отверстия 16, что обеспечивает ламинарное равномерное течение раствора внутри камер 3 и 4. Штуцеры 20 введенны в каналы 18 рамки 15 для соединения двухкамерной ячейки 1 со шлангами 10-13.
Заявляемое устройство работает следующим образом.
Измерение диффузионных характеристик проводят в отсутствии токовых режимов в двухкамерной ячейке 1, в которую устанавливается исследуемая мембрана 2. В емкость 5 перед каждым экспериментом заливается новая порция дистиллированной воды. Емкость 6 содержит раствор электролита заданной концентрации. По шлангам 10, 11 посредством работы насосов 7 жидкости из емкостей 5 и 6 прокачивают соответственно через камеры 3 и 4 двухкамерной ячейки 1, разделенные исследуемой мембраной 2, и по шлангам 12, 13 поступают обратно в емкости 5 и 6 соответственно. Скорости истечения жидкости из емкостей 5 и 6 через камеры 3 и 4 двухкамерной ячейки 1 и обратно в камеры 5 и 6 равны и установлены с помощью насосов 7. Концентрация и электропроводность раствора в емкости 5 непрерывно регистрируется через заданные промежутки времени с помощью кондуктометра 8 электрически соединенного посредством кондуктометрической ячейки 9. По полученным кинетическим зависимостям прироста концентрации рассчитывают значения диффузионной проницаемости и потока, а толщину диффузионного слоя в прилегающем к исследуемой мембране растворе рассчитывают с учетом скорости протока раствора комбинацией уравнений Левека и Пирса [Заболоцкий, В.И. Перенос ионов в мембранах / В.И.Заболоцкий, В.В.Никоненко. - М.: Наука, 1996. - 392 с.: ил.].
Пример 1.
3
С помощью заявляемого устройства провели экспериментальное исследование диффузионных характеристик гетерогенной катионообменной мембраны МК-40, в системе с раствором электролита хлорида натрия (NaCl) при разных скоростях (W) протока раствора 10-80 см/мин. Были найдены значения коэффициента диффузионной проницаемости (P) и значения потоков (j) для разных толщин диффузионного слоя (δ). Таким образом, устройство позволяет получать значения коэффициентов диффузионной проницаемости и потока при различной заданной толщине диффузионного слоя [таблица 1].
Таблица 1
Диффузионные характеристики мембраны МК-40/ NaCl при различной толщине диффузионного слоя
№№ п/п
W, см<sup>3</sup>/мин
δ, мкм
J*10<sup>9</sup>, молль/(см<sup>2</sup>с)
P*10<sup>8</sup>,cм<sup>2</sup>/с
1
10
370
0,432
4,75
2
20
295
0,448
4,93
3
40
234
0,502
5,52
4
80
186
0,504
5,55
Из полученных данных таблицы 1 видно, что коэффициент диффузионной проницаемости сильно зависит от толщины диффузионного слоя в прилегающем к исследуемой мембране растворе. Следовательно, необходимо точно знать толщину диффузионного слоя, к которой относится найденная величина коэффициента диффузионной проницаемости, чтобы точно описать диффузионные свойства мембраны. Заявляемое устройство в полной мере позволяет определить задаваемую толщину диффузионного слоя в прилегающем к исследуемой мембране растворе, а значит установить диффузионные характеристики мембраны для различных условий ее эксплуатации.
Пример 2.
3
С помощью заявляемого устройства провели экспериментальное исследование диффузионных характеристик гетерогенной катионообменной мембраны МК-40 в диапазоне концентраций (C) электролита хлорида натрия (NaCl) 0,25-2 моль/л. Скорость (W) протока раствора составляла 80 см/мин. Были найдены значения диффузионной проницаемости (P) и значения потоков (j) для данного диапазона концентраций электролита [таблица 2].
Таблица 2
Диффузионные характеристики мембраны MK-40/NaCl в диапазоне концентрации 0,25-2 моль/л
№№ п/п
C, моль/л
j*10<sup>9</sup>, моль/(см<sup>2</sup>с)
P*10<sup>8</sup>, см<sup>2</sup>/с
1
0,25
0,2
4,85
2
0,5
0,5
5,55
3
0,75
0,8
5,98
4
1
1,3
6,99
5
2
2,7
7,54
На основании данных таблицы 2 следует, что заявляемое устройство позволяет получать значения коэффициента диффузионной проницаемости мембраны для широкого диапазона значений концентраций электролита.
Использование заявляемого устройства увеличивает точность определения величины диффузионной проницаемости по сравнению с прототипом и позволяет рассчитать толщину диффузионного слоя для различных скоростей протока раствора. Соответственно, нет неопределенности в значениях толщины диффузионных слоев в прилегающем к исследуемой мембране растворе, к которым относят найденные, величины коэффициента диффузионной проницаемости мембраны, тогда как прототип позволял мерить диффузионные характеристики только в стационарных условиях (в условиях стабилизации толщины диффузионного слоя). Таким образом, с помощью заявляемого устройства можно определять диффузионные характеристики мембраны для различных условий ее эксплуатации. Отсутствие сложных конструктивных элементов позволяет сделать анализ диффузионных характеристик более простым и точным.