Исследование электропроводности экспериментальных анионообменных мембран

Измерение удельной электропроводности анионообменных мембран МА-41-2П, модифицированных в сополимерах диметилдиаллиламмоний хлорида акриловой или малеиновой кислот с помощью пинцетной ячейки разностным методом, и сравнение их с исходными мембранами.
Краткое сожержание материала:

Размещено на

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования

"КУБАНСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ"

(ФГБОУ ВПО «КубГУ»)

Кафедра физической химии

КУРСОВАЯ РАБОТА

ИССЛЕДОВАНИЕ ЭЛЕКТРОПРОВОДНОСТИ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫХ АНИОНООБМЕННЫХ МЕМБРАН

Краснодар 2013

Содержание

• Введение
• 1. Аналитический обзор
• 1.1 Виды ионообменных мембран
• 1.2 Факторы, влияющие на электропроводность мембран
• 1.3 Методы измерения электропроводности
• 2. Экспериментальная часть
• 2.1 Объекты исследования
• 2.1.1 Мембраны
• 2.1.2 Растворы
• 2.2 Методика измерения электропроводности мембран с помощью пинцетной ячейки
• 3. Результаты и их обсуждение
• Заключение
• Список использованных источников
• Введение
• Традиционные процессы, базирующиеся на применении ионообменных мембран, включают электродиализ, диффузионный диализ и Доннановский диализ, которые используются сегодня в самых различных областях: от опреснения воды, очистки сточных вод до получения химических реакторов.
• Мембранные процессы используются в пищевой промышленности для переработки вина, соков, при разделении и производстве высокоэффективных источников энергии и т. д. Для уменьшения энергозатратпри различных мембранных процессов необходимо увеличивать удельную электропроводность мембраны.
• Целью работы являлось исследование электропроводности экспериментальных анионообменных мембран МА-41-2П, модифицированных в сополимерах диметилдиаллиламмоний хлорида акриловой или малеиновой кислот, и сравнение их с исходными мембранами.
• ионообменный мембрана электропроводность
• 1. Аналитический обзор
• 1.1 Виды ионообменных мембран
• Мембрана - это фаза или группа фаз, которые разделяют две различные фазы, отличающиеся физически или химически от фаз мембраны. Ионообменные мембраны - пленки или пластины, изготовленные из ионообменных полимеров или композиций на их основе.
• Все ионообменные мембраны можно классифицировать по двум основным критериям: структура и заряд функциональных групп. По заряду функциональных групп мембраны делятся на катионообменные и анионообменные. Катионообменные мембраны содержат отрицательно заряженные группы, такие как -SO3-,-COO-,-PO32-,-PO3H-,-C6H4O- и т.д., прикрепленные к матрице мембраны, и обеспечивают перенос катионов, отталкивая анионы. Анионообменные мембраны содержат положительно заряженные группы, таких как -NH3+, -NRH2+, -NR2H+, -NR3+, -PR3+, -SR2+ и т.д., прикрепленные к матрице мембраны, и обеспечивают перенос анионов, отталкивая катионы. По структуре мембраны подразделяются на: гетерогенные и гомогенные.
• Гомогенные мембраны - представляют собой пленки, в которых ионообменный компонент образует сплошную непрерывную фазу. Гетерогенные мембраны - представляют собой тонкодисперсный ионит, распределенный в пленке инертного связующего материала. В гетерогенных мембранах отсутствует сплошная фаза ионообменного компонента; перенос ионов осуществляется через контакты между частицами ионита или через раствор, присутствующий между частицами, или обусловлен двумя этими факторами. Дополнительная прочность полимерных листов обеспечивается армированием капроном или лавсаном. Отечественные промышленные гетерогенные мембраны (МК-40, МК-41, МА-40, МА-41,), основой этих мембран являются синтетические ионообменные смолы (КУ-2, КФ-1, АВ-17, ЭДЭ-10П) [1].
• 1.2 Факторы, влияющие на электропроводность мембран
• Одними из важнейших свойств ионообменных мембран являются проводящие свойства, такие как электропроводность, селективность, числа переноса, диффузионная проницаемость мембран и другие.
• Электропроводность - способность проводить электрический ток. Электрическая проводимость мембраны зависит от концентрации фиксированных зарядов в ней, т. е. от ее обменной емкости. На электропроводность мембраны влияет также степень взаимодействия между фиксированными зарядами и противоионами, следствием чего является иногда образование ионных пар, прочно связывающих противоионы, а значит, и уменьшение числа противоионов в мембране.
• Существенное влияние на электропроводность оказывает физическая структура мембраны (однородность, степень пористости). .Ионообменные мембраны способны пропускать электрический ток, что предполагает наличие в фазе мембраны подвижных ионов. Поскольку таковыми являются только противоионы мембраны и внешнего раствора, то при наложении на мембрану постоянного электрического поля, силовые линии которого ориентированы перпендикулярно к поверхности мембраны, последняя будет пропускать через себя только противоионы, не пропуская коионов. На этом свойстве ионообменных мембран основано их широкое применение для разделения веществ в электродиализаторах.
• Различают удельную и молярную электрическую проводимость. Удельная электропроводность ? - это электрическая проводимость объема раствора, заключенного между двумя параллельными электродами, имеющими площадь по одному квадратному метру и расположенными на расстоянии одного метра друг от друга. Удельная электропроводность является величиной, обратной удельному сопротивлению ?:
• ?= 1/?,(1)
• Удельное сопротивление определяется по формуле 2:
• R=?l/S, (2)
• где R- общее сопротивление проводника, Ом; l - длина проводника, м; s - поперечное сечение проводника, м².
• Из уравнения 2 имеем
• ?= R s/l (3).
• Полученное выражение показывает, что размерность удельного сопротивления выражается величиной [?] = Ом*м.
• Единица удельной электропроводности, т. е. её размерность, выражается обратной величиной ?= 1/(Ом*м)= Ом-1*м-1= См*м-1.
• Повышение температуры на 1 К увеличивает удельную электрическую проводимость примерно на 2-2,5%. Это объясняется понижением вязкости раствора и уменьшением гидратации ионов, а для растворов слабых электролитов увеличением их степени диссоциации.
• Молярная электропроводность ? - электрическая проводимость объема раствора электролита, содержащего 1 г/моль растворенного вещества и находящегося между двумя параллельными электродами, расположенными на расстоянии одного метра друг от друга. Для слабых электролитов изменение молярной электрической проводимости от концентрации раствора связано в основном со степенью диссоциации и для сильных электролидов - с межионным взаимодействием.
• Удельная и молярная электрические проводимости связаны между собой соотношением ?= ?*V_m= ?/c_m, где V_m - число кубометров раствора, содержащегося 1 г/моль электролита; c_m - концентрация электролита, выраженная в моль/м³ [2].
• 1.3 Методы измерения электропроводности
• Методы измерения электропроводности мембран делятся на две большие группы: методы измерения проводимости в продольном и поперечном направления [3,4]. Методы измерения продольной проводимости мембран сравнительно просты, однако все они дают завышенное значение электропроводности (особенно в области концентрированных растворов) вследствие поверхностной проводимости пленки раствора. Кроме того, знание проводимости мембраны в поперечном направлении представляет большую практическую ценность, чем в продольном. Поэтому более широкое применение имеют методы измерения поперечной электропроводности мембран. Среди методов измерения поперечной электропроводности мембран выделяются две основные группы: контактные и разностные методы.
• Основными достоинствами контактных методов являются экспрессность единичного измерения и простота аппаратурного оформления [4]. Для измерения сопротивления мембран контактным методом достаточно зажать исследуемый образец между плоскими металлическими электродами таким образом, чтобы имел место контакт мембрана-электрод по всей поверхности их соприкосновения. Из множества конструкций ячеек контактного типа нужно отметить предложенную Ларше конструкцию в виде прищепки, на одном конце которой укреплены параллельно друг другу платинированные платиновые электроды. Постоянство давления на зажимаемую между электродами мембрану обеспечивается стягивающим резиновым жгутом. Ячейка удобна тем, что позволяет выполнять сотни измерений в день с точностью, достаточной для сравнительного анализа электропроводности разных мембран.
• Избежать деформации мембран при измерениях контактным методом удается путем использования в качестве электродов ртути [5].
• Определение сопротивления мембран переменному току контактным методом осложняется дополнительным вкладом в измеряемую величину сопротивлений границ мембрана-электрод, приводящим к завышению искомого сопротивления мембран и делающим его частотнозависимым. Учесть переходное сопротивление мембрана/ртуть позволяет измерение частотной зависимости активной составляющей импеданса ячейки. Поскольку во всех модификациях контактного метода поперечного сопротивления мембран в величину измеряемого сопротивления вносится вклад переходных границ электрод-мембрана или мембрана- мембрана, метод дает заниженные значения электропроводности.
• Разностный метод был впервые применен для исследования проводящих свойств коллоидных мембран Грином, Вичем и соавт. в 1929 г. [6]. Для нахождения сопротивления мембраны (R_m) измеряется сопротивление ячейки (R₁) с мембраной, находящейся в равновесном раств...