Исследование поляризации ионообменных мембран, диафрагмы и ионита
Проведены экспериментальное исследование и качественный анализ временных зависимостей распределения напряжения в системе ионообменные мембраны—диафрагма—ионит и электроосмоса через диафрагму и ионит. Показано, что степень поляризации элементов изучаемой системы зависит не только от величины использу...
Saved in:
| Published in: | Украинский химический журнал |
|---|---|
| Date: | 2013 |
| Main Authors: | , , , |
| Format: | Article |
| Language: | Russian |
| Published: |
Інститут загальної та неорганічної хімії ім. В.І. Вернадського НАН України
2013
|
| Subjects: | |
| Online Access: | https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/187940 |
| Tags: |
Add Tag
No Tags, Be the first to tag this record!
|
| Journal Title: | Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine |
| Cite this: | Исследование поляризации ионообменных мембран, диафрагмы и ионита / Л.Л. Лысенко, Н.А. Мищук, Т.А. Несмеянова, Н.О. Баринова // Украинский химический журнал. — 2013. — Т. 79, № 5. — С. 42-50. — Бібліогр.: 22 назв. — рос. |
Institution
Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine| _version_ | 1859915389517955072 |
|---|---|
| author | Лысенко, Л.Л. Мищук, Н.А. Несмеянова, Т.А. Баринова, Н.О. |
| author_facet | Лысенко, Л.Л. Мищук, Н.А. Несмеянова, Т.А. Баринова, Н.О. |
| citation_txt | Исследование поляризации ионообменных мембран, диафрагмы и ионита / Л.Л. Лысенко, Н.А. Мищук, Т.А. Несмеянова, Н.О. Баринова // Украинский химический журнал. — 2013. — Т. 79, № 5. — С. 42-50. — Бібліогр.: 22 назв. — рос. |
| collection | DSpace DC |
| container_title | Украинский химический журнал |
| description | Проведены экспериментальное исследование и качественный анализ временных зависимостей распределения напряжения в системе ионообменные мембраны—диафрагма—ионит и электроосмоса через диафрагму и ионит. Показано, что степень поляризации элементов изучаемой системы зависит не только от величины используемого напряжения, но и от взаимного расположения диафрагмы и ионита, что в свою очередь отражается на скорости электроосмоса.
Проведено експериментальне дослідження та якісний аналіз часових залежностей розподілу напруги в системі іонообмінні мембрани—діафрагма—іоніт і електроосмосу через діафрагму та іоніт. Показано, що ступінь поляризації елементів даної системи залежить не тільки від величини використовуваної напруги, але і від взаємного розташування діафрагми та іоніту, що в свою чергу відбивається на швидкості електроосмосу.
The experimental investigation and the qualitative analysis of the time dependences of the electric potential distribution in the system of an ionexchange membranes—a diaphragm—an ionite and the electroosmosis through a diaphragm and an ionite is carried out. It is shown that the degree of polarization of the elements of investigated system depends not only on the value of the used voltage, but also on the relative position of a diaphragm and an ionite, that in turn affects the velocity of electroosmosis.
|
| first_indexed | 2025-12-07T16:05:06Z |
| format | Article |
| fulltext |
УДК 541.182.65+537.311+621.359.2
Л.Л.Лысенко, Н.А.Мищук, Т.А.Несмеянова, Н.О.Баринова
ИССЛЕДОВАНИЕ ПОЛЯРИЗАЦИИ ИОНООБМЕННЫХ МЕМБРАН,
ДИАФРАГМЫ И ИОНИТА
Проведены экспериментальное исследование и качественный анализ временных зависимостей рас-
пределения напряжения в системе ионообменные мембраны—диафрагма—ионит и электроосмоса
через диафрагму и ионит. Показано, что степень поляризации элементов изучаемой системы зависит
не только от величины используемого напряжения, но и от взаимного расположения диафрагмы и
ионита, что в свою очередь отражается на скорости электроосмоса.
ВВЕДЕНИЕ. Развитие современных техноло-
гий требует миниатюризации различных соста-
вляющих оборудования, в том числе создания
микронасосов, не требующих для перекачива-
ния жидкости громоздких механических частей.
Одним из эффективных путей решения этой за-
дачи является использование электроосмоса. Ес-
ли классический электроосмос давно применяет-
ся в решении разнообразных технологических
проблем [1, 2], то использование нелинейного по
полю электроосмоса находится в начальной ста-
дии [3—5]. Вместе с тем нелинейный электроос-
мос [2—4] и, в особенности, электроосмос вто-
рого рода [6, 7] позволяют при той же напря-
женности поля получить в десятки раз большие
скорости течения жидкости, чем при классичес-
ком электроосмосе, что, безусловно, предcтав-
ляет как научный, так и практический интерес.
Многочисленные исследования концентра-
ционной поляризации ионообменных мембран
[8, 9] и проводящих сферических частиц [6, 7]
продемонстрировали возникновение области ин-
дуцированного заряда, величина и протяжен-
ность которого существенно зависит от концен-
трации электролита, размера и химической при-
роды поляризуемых объектов и напряженности
приложенного электрического поля. В частно-
сти, показано, что при поляризации заряженных
непроводящих частиц скорость электроосмоса,
обусловленного индуцированным зарядом, мо-
жет заметно отличаться от скорости электроос-
моса, связанного с двойным электрическим сло-
ем, и возрастать при увеличении напряженности
электрического поля Е как аЕ3/2 [10], а прово-
дящих частиц — как aE2 [6, 7, 11], где a — ра-
диус поляризуемой частицы.
Естественно, что для возникновения нели-
нейного электроосмоса необходимо соблюдение
ряда условий, создающих требуемое распределе-
ние поля вокруг поляризуемых частиц, способс-
твующее созданию максимально возможного ин-
дуцированного заряда и обусловленного им элек-
троосмоса. Это низкая электропроводность раст-
вора, селективная электропроводность материа-
ла частиц (ионообменные материалы, металли-
ческие или полупроводящие частицы) и доста-
точно высокая напряженность электрического
поля E>>RT /Fa, где R — универсальная газо-
вая постоянная, T — абсолютная температура,
F — постоянная Фарадея [6, 7].
Кроме указанных выше характеристик рас-
твора и частиц, важным является также их вза-
имное расположение. Если в случае отдельных
частиц, расположенных на большом расстоянии
друг от друга, скорость классического электро-
осмоса и электроосмоса второго рода при одной
и той же напряженности поля может отличаться
в десятки раз [7], то по мере сближения частиц их
поляризация ослабляется, что приводит к посте-
пенному снижению скорости течения жидкости
[12]. Однако даже в случае плотной упаковки ча-
стиц, когда их поляризация тесно взаимосвяза-
на, скорость электроосмоса остается нелиней-
ной [3, 4], то есть представляет интерес для мик-
рофлюидики.
Такое поведение поляризации и электроос-
моса ставит вопрос о возможности их интенси-
фикации, в частности, за счет конструктивных
особенностей микронасосов. Одним из возмож-
ных путей ускорения электроосмоса является со-
четание системы, позволяющей обеспечить клас-
сический электроосмос (например, диафрагмы с
Электрохимия
© Л .Л .Лысенко, Н .А.Мищук, Т.А.Несмеянова, Н .О.Баринова , 2013
42 ISSN 0041-6045. УКР. ХИМ . ЖУРН . 2013. Т. 79, № 5
достаточно высоким зарядом пор), и системы,
обеспечивающей нелинейный электроосмос (нап-
ример, гранулы ионита). Такая идея была впер-
вые высказана в работе [13], где использование
прилегающих друг к другу пористой диафраг-
мы и слоя ионита привело к заметному возраста-
нию скорости электроосмоса через диафрагму.
Настоящая статья посвящена эксперимен-
тальному исследованию и теоретическому ана-
лизу поляризационных процессов и электроос-
моса в системе ионообменные мембраны—диа-
фрагма—ионит. В частности, будет показано, что
степень взаимной поляризации ионообменных
мембран, диафрагмы и ионита зависит не толь-
ко от напряженности приложенного поля, но и
от их взаимного расположения. Более того, бу-
дет показано, что сочетание диафрагмы и иони-
та влияет не только на величину электроосмоса,
но и на его стабильность.
МЕТОДИКА ЭКСПЕРИМЕНТА . Исследова-
ние зависимостей распределения напряжения и
скорости электроосмоса в системе ионообмен-
ные мембраны—диафрагма—ионит проводили с
использованием электрохимической установки,
блочная схема которой представлена на рис. 1.
Электрохимическая ячейка (1) состояла из шести
камер — двух электродных и четырех рабочих (I,
IIа, IIб, III). Площадь поперечного сечения элек-
тродных камер составляла 6.4 см2, расстояние от
электрода до мембраны — 1 см. Электроды пред-
ставляли собой платиновые пластины, размер
которых соответствовал поперечному сечению
электродных камер. Площадь поперечного сече-
ния рабочих камер I и III составляла 6.4 см2,
толщина — 2.2 см, площадь поперечного сече-
ния рабочих IIа и IIб — 3.2 см2, толщина — 1.5
см. Электродные камеры были ограничены дву-
мя катионообменными мембранами (МК), что
обеспечивало так называемый режим сквозного
переноса катионов [14], при котором не проис-
ходит обессоливание раствора. Помимо этого в
работе была использована скоростная промыв-
ка электродных камер 0.1 н. раствором NaNO3
(направление подачи электролита указано стрел-
ками), которая не только препятствует пассива-
ции электродов пузырьками газа, но и предот-
вращает поступление из анодной в рабочие ка-
меры ионов водорода, сохраняя такую возмож-
ность для ионов натрия [15]. Промывку элект-
родных камер осуществляли раздельно, со сбро-
сом раствора. Таким образом в результате скво-
зного переноса только ионов натрия исходный
состав электролита, заполняющего рабочие ка-
меры (0.001 н. раствор нитрата натрия), практи-
чески не изменялся во времени.
В зависимости от условий эксперимента в
рабочие камеры электрохимической ячейки ус-
танавливали отрицательно заряженную стеклян-
ную пористую диафрагму, загружали катионит
или использовали их комбинацию (варианты
компоновки см. далее). Диафрагма имела следу-
ющие характеристики: толщина — 0.3 см, ради-
ус пор — 8 микрон, пористость — 40 %, элект-
рокинетический потенциал — 45 мВ. В исследо-
ваниях использовали катионит марки КУ 2-8, пол-
ная статическая обменная емкость которого со-
ставляла 1.8 мг-экв/см3, диаметр зерна — 0.5–1.0
мм, электрокинетический потенциал — 50 мВ. В
соответствии с вышесказанным о постоянстве ка-
тионного состава рабочего раствора, исходная
Na-форма катионита также не претерпевала из-
менений в ходе эксперимента.
Для того чтобы исключить влияние гидро-
статического давления на измерение скорости
электроосмотического потока, в схему экспери-
ментальной установки была включена компен-
сационная емкость (2), которую так же, как и ра-
бочие камеры заполняли 0.001 н. раствором ни-
трата натрия. Уровень жидкости в компенсаци-
онной емкости поддерживали на уровне микро-
бюретки (3), с помощью которой определяли ско-
рость электроосмотического потока. Для изме-
рения падения напряжения U1, U2, U3 (рис. 1) в
электрохимической ячейке были установлены пла-
Рис. 1. Общая схема экспериментальной установки:
1 — электрохимическая ячейка; 2 — компенсационная
емкость; 3 — микробюретка.
ISSN 0041-6045. УКР. ХИМ . ЖУРН . 2013. Т. 79, № 5 43
тиновые электроды диаметром 0.5 мм (расстоя-
ние между электродами соответственно L1 =25,
L2 =33, L3 =25 мм) [16]. Учитывая, что электро-
проводность мембран на несколько порядков вы-
ше электропроводности используемого раство-
ра, измеренные падения напряжения U1, U3 фак-
тически соответствовали падению напряжения
на рабочих камерах I и III. Вместе с тем такое
расположение электродов позволяло однознач-
но учитывать изменение напряжения в областях
концентрационной поляризации мембран, про-
тяженность которых может составлять всего не-
сколько микрон [8, 9], и может быть утеряна при
другом расположении электродов.
Исследования проводили для 5 вариантов
компоновки электрохимической ячейки. Базо-
вую модификацию (вариант 1) с использованием
только катионообменных мембран (рис. 1) до-
полняли диафрагмой и катионитом в различных
сочетаниях (рис. 2, а–д — варианты 2–5 соответ-
ственно). Местоположение электродов для всех
вариантов соответствует указанному на рис. 1.
Эксперименты выполнены в потенциостатичес-
ком режиме. Общее падение напряжения на ячей-
ке составляло 150 В.
ИССЛЕДОВАНИЕ И АНАЛИЗ РАСПРЕДЕЛЕ-
НИЯ НАПРЯЖЕНИЯ В ЯЧЕЙКЕ. Поляризацию
элементов, входящих в экспериментальную ячей-
ку, а именно, катионообменных мембран, диаф-
рагмы, катионита и диафрагмы с катионитом
исследовали поэтапно. В начальный момент рас-
пределение напряжения по секциям ячейки U1,
U2, U3 соответствует теоретическим расчетам,
выполненным на основе закона Ома с учетом ха-
рактерных размеров ячейки. Однако со време-
нем падение напряжения по секциям ячейки из-
меняется. Временные зависимости падения нап-
ряжения в ячейке, содержащей только катионо-
обменные мембраны, представленные на рис. 3,
а, могут быть объяснены согласно стандартным
представлениям о поляризации мембран [8, 9].
Концентрация электролита у катионооб-
менной мембраны, отдающей катионы (располо-
женной возле анода), повышается (рис. 4, а, кри-
вая 1), а падение напряжения
понижается (рис. 3, кривая 1).
В то же время у катионообмен-
ной мембраны, принимающей ка-
тионы (расположенной возле
катода) концентрация электро-
лита снижается (рис. 4, а, кри-
вая 2), а падение напряжения
повышается (рис. 3, кривая 3).
Поскольку увеличение па-
дения напряжения в области
сниженной концентрации элек-
тролита заметно превышает его
снижение в области повышен-
ной концентрации [7], падение
Электрохимия
Рис. 2. Варианты 2–5 компоновки электрохимической ячейки: а — с
диафрагмой (вариант 2); б — с катионитом (вариант 3); в, г — с диа-
фрагмой и катионитом, расположенным со стороны катода (вариант
4) и со стороны анода (вариант 5).
Рис. 3. Временная зависимость падения напряжения
в ячейке: а — вариант компоновки 1; б — вариант
компоновки 2. 1 – U1, 2 – U2, 3 – U3.
a
б
44 ISSN 0041-6045. УКР. ХИМ . ЖУРН . 2013. Т. 79, № 5
напряжения за областями поляризации мембран
должно уменьшаться. Действительно, проведен-
ные измерения показали, что через несколько
минут в центральной части ячейки устанавли-
вается падение напряжения (рис. 3, а) более низ-
кое, чем его начальное значение. Необходимое
для этих изменений время качественно согла-
суется с оценками длительности переходных про-
цессов у поверхностей ионообменных мемб-
ран, выполненными в работах [17].
Распределения напряженности поля в ячей-
ке, содержащей не только катионообменные ме-
мбраны, но и диафрагму (рис. 3, б), заметно от-
личается от распределения напряжения, пред-
ставленного на рис. 3, а. Это, прежде всего, свя-
зано с тем, что диафрагма имеет более высокое
сопротивление, чем используемый раствор (в
3.93 раза), что приводит к повышению падения
напряжения U2 на центральной части ячейки II.
Полученные величины в начальный момент пол-
ностью согласуются с теоретически рассчитан-
ными. Диафрагма, как и ионообменные мембра-
ны, также подвержена поляризации (рис. 4, б), то
есть у одной ее стороны концентрация электро-
лита снижается (кривая 3), а у другой — повы-
шается (кривая 4), что, естественно, отражается
на локальном падении напряжения .
Однако, как было показано ранее [18], поля-
ризация диафрагмы, характеристики которой
примерно соответствуют характеристикам диа-
фрагмы, использованной в настоящей работе,
относительно невелика, что и подтверждается
экспериментальными данными: снижение паде-
ния напряжения на центральной части ячейки
(рис. 3, б, кривая 2) обусловлено не только влия-
нием поляризации диафрагмы, но и существен-
ным изменением падения напряжения в при-
мембранных областях (рис. 3, б, кривые 1, 3).
Введение в ячейку вместо диафрагмы катио-
нита, электропроводность которого выше, чем
электропроводность как диафрагмы, так и рас-
твора электролита, приводит к снижению паде-
ния напряжения на центральной части ячейки
(рис. 5, кривая 2) по сравнению как с аналогич-
ным падением напряжения в присутствии диа-
фрагмы (рис. 3, б, кривая 2), так и с ячейкой, со-
держащей только катионообменные мембраны
(рис. 3, а, кривая 2). Начальное падение напря-
жения возле мембран (рис. 5, кривые 1, 3) воз-
растает по сравнению с падением, представлен-
ным на рис. 3 (кривые 1, 3), что приводит к их
более сильной поляризации, и в результате к
более сильному временному изменению величин
U1, U3, чем в предыдущих случаях. Однако сле-
дует отметить, что полученное снижение паде-
ния напряжения на центральной части ячейки за
счет введения катионита больше, чем следовало
ожидать на основе его электропроводности. Это
связано с поляризацией гранул.
В случае единичной гранулы катионита у ее
поверхности формируется конвективно-диффу-
зионный слой, то есть область с концентрацией
электролита, отличающейся от объемных значе-
ний [6, 7]. При перемещении вдоль поверхности
Рис. 4. Схематическое представление поляризации
ионоoбменных мембран (а) и ионообменных мем-
бран и диафрагмы (б).
a
б
Рис. 5. Временная зависимость падения напряжения в
ячейке (вариант компоновки 3): 1 – U1; 2 – U2; 3 – U3.
ISSN 0041-6045. УКР. ХИМ . ЖУРН . 2013. Т. 79, № 5 45
гранулы происходит плавное изменение концен-
трации электролита от сниженного значения со
стороны анода до повышенного значения со сто-
роны катода. Одновременно происходит и пере-
распределение локального падения напряжения.
В области сниженной концентрации электроли-
та падение напряжения заметно больше, чем с про-
тивоположной стороны гранулы, где концент-
рация электролита повышена. При этом с анод-
ной стороны возникает большой положитель-
ный заряд, а с катодной стороны — небольшой от-
рицательный заряд. Степень изменения концен-
трации электролита, протяженность области, в
которой происходят такие изменения, а также про-
тяженность и величина положительного и отри-
цательного индуцированного заряда зависят от
размера частиц, напряженности электрического
поля и скорости возникающего электроосмоти-
ческого течения жидкости [6, 7].
При использовании нескольких гранул ио-
нита, расположенных друг за другом в направ-
лении поля, по мере их сближения концентра-
ционная поляризация гранул ослабляется [12].
Предельным случаем сближения гранул ионита
является насыпной слой, в котором гранулы ка-
тионита контактируют друг с другом, максима-
льно ослабляя концентрационную поляризацию.
Этот вывод, в частности, подтверждается визуа-
лизацией перепадов концентрации в системе кон-
тактирующих ионообменных частиц с помощью
флуоресцентных ионов [7, 19]. Таким образом,
поляризация насыпного слоя ионита, так же, как
и диафрагмы, не очень велика. Это видно из рис.
5, где временные изменения падения напряже-
ния на катионите незначительны и обусловле-
ны, прежде всего, перераспределением напряже-
ния по длине ячейки за счет поляризации катио-
нообменных мембран.
Более сложным оказывается перераспреде-
ление напряжения за счет одновременной поля-
ризации мембран, диафрагмы и катионита (рис.
6, а,б). В начальный момент распределения на-
пряжения по секциям ячейки U1–U3 для вариан-
тов компоновки системы 4 и 5 практически сов-
падают, а также полностью соответствуют тео-
ретическим расчетам. Однако временные зави-
симости распределения напряжения в ячейке оп-
ределяются взаимным расположением каиони-
та и диафрагмы (рис. 2, в,г). Если катионит на-
ходится с катодной стороны, падение напряже-
ния на центральной секции ячейки резко возра-
стает (рис. 6, а), что свидетельствует о сильной
взаимной поляризации диафрагмы и катиони-
та. В противоположной ситуации падение нап-
ряжения на центральной части ячейки (рис. 6, б)
приближается к падению напряжения на диа-
фрагме (рис. 3, б), свидетельствуя о незначите-
льном взаимовлиянии поляризации катиони-
та и диафрагмы.
Полученные экспериментальные данные мо-
гут быть интерпретированы следующим образом.
Если в отсутствие диафрагмы толщина конвек-
тивно-диффузионного слоя у поверхности кати-
онита задается ничем не ограниченным танген-
циальным электроосмотическим течением, то
присутствие диафрагмы тормозит электроосмо-
тическое течение вдоль поверхности гранул ка-
тионита, что приводит к расширению области их
концентрационной поляризации (рис. 7, а,б) по
сравнению с областью поляризации отдельной
частицы. Это, в свою очередь, означает, что рас-
ширяется область индуцированного заряда, про-
тяженность которой тесно взаимосвязана с про-
тяженностью конвективно-диффузионного слоя
гранул [6, 7] и происходит перераспределение па-
Электрохимия
Рис 6. Временная зависимость падения напряжения в
ячейке при различном взаимном расположении диаф-
рагмы и катионита: а — вариант компоновки 4; б —
вариант компоновки 5. 1 – U1, 2 – U2, 3 – U3.
a
б
46 ISSN 0041-6045. УКР. ХИМ . ЖУРН . 2013. Т. 79, № 5
дения напряжения. Следует ожидать, что расши-
рение области сниженной концентрации элект-
ролита (рис. 7, а) приводит к повышению паде-
ния напряжения на диафрагме и катионите, а рас-
ширение области повышенной концентрации эле-
ктролита (рис. 7, б) — к снижению падения нап-
ряжения в этой области. Действительно, прове-
денные измерения (рис. 6, а,б, кривые 2) показа-
ли именно такой характер изменения падения на-
пряжения. Понятно, что полученные изменения
в распределении падения напряжения отражает-
ся на измеренной скорости электроосмоса.
ИССЛЕДОВАНИЕ СКОРОСТИ ЭЛЕКТРООС-
МОСА . Результаты измерения скорости элект-
роосмоса на отдельно взятых диафрагме и кати-
оните, а также в ячейке, содержащей одновремен-
но диафрагму и катионит, представлены на рис.
8. Из-за инерционных свойств жидкости элект-
роосмотическое течение через диафрагму и/или
ионит устанавливается не сразу. Известно, нап-
ример, что в длинном цилиндрическом канале
радиусом R и кинематической вязкости жидко-
сти ν стационарное течение устанавливается че-
рез время τ ≈R2/v [20]. Так, при радиусе канала
1 см стационарная скорость течения воды уста-
навливается за 1.5 мин. В нашем случае экспери-
ментальной ячейки, содержащей короткие эле-
менты разной формы, рассчитать время дости-
жения стационарного течения сложно. Вместе с
тем, учитывая, что эффективный радиус ячейки
с прямоугольным сечением [21] в разных секци-
ях составляет от 1 до 2.5 см, следует ожидать, что
скорость течения должна достигать максималь-
ного значения через 2—10 мин, что и наблюда-
ется экспериментально. Однако из-за постоян-
но нарастающей поляризации мембран, диаф-
рагмы и/или катионита после достижения мак-
симума скорости течения наблюдается ее быст-
рое снижение. Временную зависимость скорости
электроосмотического течения рассмотрим да-
лее. Здесь же проанализируем ее возможные и ре-
ально полученные максимальные значения.
Используя известное значение электрокине-
тического потенциала диафрагмы, скорость элек-
троосмоса через диафрагму можно записать на
основе формулы для линейного электроосмоса
Смолуховского [22] с поправочным коэффици-
ентом на пористость диафрагмы W :
V eo = W ε
η
ζE , (1)
где ε — диэлектрическая проницаемость раство-
ра; η — ее динамическая вязкость; ζ — электроки-
нетический потенциал стенок поры диафрагмы.
После несложных расчетов на основе зако-
на Ома находим, что в момент включения ячей-
ки напряженность электрического поля в диаф-
рагме E равна 62 В/см, а скорость электроосмоса
должна составлять 0.005 см/с, что на 25 % выше
полученного экспериментального максимума. Pаз-
личие между рассчитанной и измеренной макси-
мальной скоростью электроосмоса связано с дву-
мя противоположно направленными фактора-
ми: с одной стороны, из-за инерционных свойств
жидкости электроосмотическое течение еще не
вышло на максимально возможное стационар-
a б
Рис. 7. Схематическое представление поляризации диа-
фрагмы и катионита при их различном взаимном рас-
положении: а — вариант компоновки 4; б — вариант
компоновки 5. Стрелки указывают направление элек-
троосмоса (от анода к катоду).
Рис. 8. Временная зависимость скорости электроос-
моса в ячейке при различных вариантах ее компоно-
вки: 1 – диафрагма; 2 – катионит; 3 – диафрагма и
катионит со стороны катода; 4 – диафрагма и катио-
нит со стороны анода.
ISSN 0041-6045. УКР. ХИМ . ЖУРН . 2013. Т. 79, № 5 47
ное значение, а, с другой, с момента подачи на
ячейку напряжения в системе нарастает поля-
ризация, снижающая скорость электроосмоса.
Применив выражение (1) для расчета ско-
рости течения через слой ионита, находим, что при
установившейся в области ионита напряженнос-
ти электрического поля 15 В/см скорость элект-
роосмоса должна составлять 0.00335 см/с. Таким
образом, измеренная максимальная скорость элек-
троосмоса примерно в 2 раза превышает рас-
считанное значение. Отличие между расчетны-
ми и максимальными экспериментальными зна-
чениями электроомоса для слоя гранул катиони-
та обусловлено особенностями их концентраци-
онной поляризации.
При используемых нами напряженностях
электрического поля поляризация гранул кати-
онита является достаточно сильной для того,
чтобы у единичной гранулы возник электроос-
мос второго рода [6, 7]. Действительно, согласно
теории электроосмоса второго рода у гранулы
ионита с радиусом a =0.4 мм в области концен-
трационной поляризации со сниженной концен-
трацией электролита создается эффективный эле-
ктрокинетический потенциал ζef =2Ea =1.2 В, пре-
вышающий обычный электрокинетический по-
тенциал ионита в 13 раз. С учетом полученного
эффективного электрокинетического потенциала
скорость электроосмотического течения между
парой гранул
V eo,2 ≈ 5ε
14η
ζef E (2)
должна достигать 0.0154 см/с, то есть в 2.5 раза
превышать полученное нами экспериментальное
значение скорости.
Таким образом, хотя измеренная скорость
течения жидкости выше линейной скорости элек-
троосмоса, она заметно ниже скорости электро-
осмоса второго рода. Следовательно, мы получи-
ли экспериментальное подтверждение представ-
ленных выше аргументов в пользу существова-
ния концентрационной поляризации и форми-
рования индуцированного заряда не только для
отдельной гранулы ионита, но и в насыпном
слое ионообменных гранул.
Сочетание диафрагмы и катионита приво-
дит к скорости электроосмоса, существенно боль-
шей, чем в случае одной диафрагмы, и несколько
большей, чем в случае одного катионита. Полу-
ченный результат хорошо согласуется с извест-
ными теоретическими и экспериментальными
результатами, касающимися электроосмотичеc-
кого течения через системы с переменным раз-
мером пор [1].
Присутствие в экспериментальной ячейке
диафрагмы с небольшим радиусом пор создает
настолько высокое гидродинамическое сопро-
тивление, что скорость электроосмоса, возник-
шего на ионите, может уменьшиться в сотни раз.
Известно, что при течении жидкости из актив-
ной (заряженной) диафрагмы в пассивную (неза-
ряженную) диафрагму, содержащую цилиндри-
ческие поры разного радиуса, скорость течения
уменьшается в К раз [1]:
K =
βnRn
2 la
βnRn
2 la + βaRa
2 ln
, (3)
где βa,n , la,n , Ra,n — пористость, толщина и ради-
ус пор активной (а) и пассивной (п) диафрагмы.
Предполагая, что диафрагма незаряжена, по
формуле (3) можно было бы оценить снижение
скорости течения при переходе из межгрануль-
ного пространства в диафрагму. С учетом харак-
теристик диафрагмы и насыпного слоя катиони-
та на основе формулы (3) получаем K ≈0.01. Ис-
пользуя полученные максимальные значения эк-
спериментальной скорости электроосмоса через
катионит (рис. 8, кривая 2) и коэффициент К, на-
ходим, что составляющая скорости электроос-
моса через диафрагму, обусловленная присут-
ствием катионита, составляет около 0.0001 см/с, что
заметно меньше, чем разность скоростей, пред-
ставленных на кривых 1 и 3 (рис. 8). Таким обра-
зом, мы получили доказательство существования
сильной взаимной поляризации диафрагмы и
слоя катионита .
Более того, в отсутствие взаимной концен-
трационной поляризации диафрагмы и катио-
нита измеренные скорости (рис. 8, кривые 3 и 4)
для обоих вариантов расположения диафрагмы
и катионита (рис. 2, в,г) должны совпадать. Од-
нако при расположении катионита со стороны ано-
да скорость электроосмоса (кривая 4) не только
ниже скорости, полученной при расположении
катионита со стороны катода (кривая 3), но и ни-
же скорости, полученной при использовании ди-
афрагмы без ионита (кривая 1). Это может быть
связано только с проанализированным выше про-
Электрохимия
48 ISSN 0041-6045. УКР. ХИМ . ЖУРН . 2013. Т. 79, № 5
никновением в поры диафрагмы отрицательно-
го индуцированного заряда, снижающего изме-
ряемую скорость электроосмоса.
Таким образом, полученные значения ско-
рости течения через диафрагму и катионит в со-
четании с измеренным распределением напряже-
ния (рис. 6) подтверждают гипотезу о проник-
новении поляризационной области и индуциро-
ванного заряда возле поверхности катионита
внутрь пор диафрагмы (рис. 7) и их влияние на
скорость электроосмоса [13]. Если в поры прони-
кает положительный индуцированный заряд,
совпадающий со знаком противоионов диафра-
гмы (катионит находится со стороны катода), ско-
рость электроосмоса возрастает, а если в поры
проникает отрицательный индуцированный
заряд (катионит находится со стороны анода)
— она падает.
Проведенный выше анализ касается полу-
ченных максимальных значений скорости элек-
троосмоса. Но, поскольку поляризация диафраг-
мы и катионита сочетается с поляризацией ка-
тионообменных мембран, со временем скорость
электроосмоса падает. Частично такое поведе-
ние электроосмоса объясняется полученным вы-
ше перераспределением напряженности поля
(рис. 3, 5, 6), которое приводит к снижению на-
пряженности поля в центральной части ячейки,
то есть в области диафрагмы или катионита. Ис-
пользуя экспериментальные значения падения
напряжения на центральной части ячейки для
расчета электроосмотической скорости, мы ус-
тановили, что скорость электроосмоса в ячейке
может упасть в несколько раз. Действительно, в
случае сочетания диафрагмы и ионита (рис. 8,
кривые 3, 4) резкое изменение скорости электро-
осмоса происходит только в начале измерений,
после 20—30 мин работы скорость течения поч-
ти стабилизируется, а ее значения соответству-
ют измеренному падению напряжения.
Однако в случае применения диафрагмы и
катионита (рис. 8, кривые 1, 2) через несколько
десятков минут от начала эксперимента, несмот-
ря на достаточно высокую напряженность поля
в центральной части ячейки, наблюдается паде-
ние скорости течения почти до нуля. Безуслов-
но, такое снижение скорости электроосмоса яв-
ляется доказательством развития сильной кон-
центрационной поляризации диафрагмы и ио-
нита, которая приводит к еще более неравноме-
рному распределению напряженности поля в ка-
ждой из секций ячейки и соответствующему
снижению напряженности поля внутри диафра-
гмы и слоя катионита, то есть к снижению ско-
рости течения.
ВЫВОДЫ. Исследование распределения па-
дения напряжения в экспериментальной ячейке,
содержащей катионообменные мембраны, диа-
фрагму и катионит, продемонстрировало его су-
щественную зависимость от компоновки изучае-
мой системы. Полученные данные свидетельст-
вуют, что степень поляризации элементов иссле-
дуемой системы зависит от взаимного расположе-
ния диафрагмы и катионита, что в свою очередь
отражается на измеряемом максимальном значе-
нии скорости электроосмоса и ее зависимости от
времени проведения исследования.
РЕЗЮМЕ. Проведено експериментальне дослід-
ження та якісний аналіз часових залежностей розпо-
ділу напруги в системі іонообмінні мембрани—діа-
фрагма—іоніт і електроосмосу через діафрагму та іо-
ніт. Показано, що ступінь поляризації елементів даної
системи залежить не тільки від величини використо-
вуваної напруги, але і від взаємного розташування діа-
фрагми та іоніту, що в свою чергу відбивається на шви-
дкості електроосмосу.
SUMMARY. The experimental investigation and
the qualitative analysis of the time dependences of the
electric potential distribution in the system of an ion-
exchange membranes—a diaphragm—an ionite and the
electroosmosis through a diaphragm and an ionite is
carried out. It is shown that the degree of polarization
of the elements of investigated system depends not only
on the value of the used voltage, but also on the relative
position of a diaphragm and an ionite, that in turn affects
the velocity of electroosmosis.
ЛИТЕРАТУРА
1. Тихомолова К.П . Электроосмос. -Л.: Химия, 1989.
2. Духин С.С. Электропроводность и электрокинети-
ческие свойства дисперсных систем. -Киев: Наук.
думка, 1975.
3. Rathore A .S ., Horvath C . // J. Chromatogr. A. -1997.
781, № 1–2. -P. 185—195.
4. Stol R ., Kok W .T ., Poppe H . // J. Chromatogr. A.
-2000. -914, № 1–2. -P. 201—209.
5. M ishchuk N.A ., Heldal T ., Volden T . et al. // Microflu-
idics and Nanofluidics. -2011. -11, № 6. -P. 675—684.
6. M ishchuk N.A . // Encyclopedia of Surface and Colloid
Science / Ed. Arthur Hubbard. -New York/London:
ISSN 0041-6045. УКР. ХИМ . ЖУРН . 2013. Т. 79, № 5 49
Taylor and F rancis, 2002.
7. M ishchuk N.A. Advances in Colloid and Interface
Science. -2010. -160, № 1–2. -P. 16—39.
8. Заболоцкий В.И ., Никоненко В.В. Перенос ионов в
мембранах. -M.: Наука, 1996.
9. Z altzman B, Rubinstein I. // J. Fluid Mech. -2007. -579,
№ 1. -P. 173—226.
10. M ishchuk N.A., Dukhin S .S . // Electrophoresis. -2002.
-13, № 13. -P. 2012—2022.
11. Ben Y u., Demekhin E.A., Chang H.-Ch. // J. Colloid
and Interface Science. -2004. -276, № 2. -P. 483—497.
12. Баринова Н .О., Мищук Н .А . // Коллоид. журн. -2008.
- 70, № 1. -С. 743—747.
13. Мищук Н .А ., Лысенко Л.Л. // Химия и технол. воды.
-2004. -26, № 4. -С. 360—377.
14. Таровский А .А ., Мищук Н .А ., Рогов В.М . // Там же.
-1992. -14, № 8. -С. 563—582.
15. Лысенко Л.Л., Мищук Н .А ., Рында Е.Ф. // Там же.
-2011. -33, № 3. -С. 243—255.
16. Amatore Ch., Szunerits S ., Thouin L . // Electrochemi-
stry Communications. -2000. -2, № 4. -P. 248—253.
17. M ishchuk N.A., Koopal L .K, Gonzalez-Caballero F .
// Colloids and Surface A: Physicochemical and Engi-
neering Aspects. -2001. -176, № 2–3. -Р. 195—212.
18. Мищук Н .А ., Лысенко Л.Л., Корнилович Б .Ю ., Бари-
нова Н .О. // Химия и технол. воды. -2002. -24, № 4.
-С. 328—351.
19. Nischang I., Reichl U., Seidel-M orgenstern A., Talla-
rek U. // Langmuir. -2007. -23, № 18. -P. 9271—9281.
20. M ishchuk N.A., Gonzalez-Caballero F. // Electropho-
resis. -2006. -27, № 3. -Р. 650—659.
21. M arcos, Y ang C., W ong T.N., Ooi K.T . // Int. J. En-
gineering Sci. -2004. -42, № 13–14. -P. 1459—1481.
22. Дерягин Б.В., Духин С.С. Электрофорез. -М .: На-
ука, 1975.
Институт коллоидной химии и химии воды Поступила 03.09.2012
им. А.В.Думанского НАН Украины, Киев
Электрохимия
50 ISSN 0041-6045. УКР. ХИМ . ЖУРН . 2013. Т. 79, № 5
|
| id | nasplib_isofts_kiev_ua-123456789-187940 |
| institution | Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine |
| issn | 0041–6045 |
| language | Russian |
| last_indexed | 2025-12-07T16:05:06Z |
| publishDate | 2013 |
| publisher | Інститут загальної та неорганічної хімії ім. В.І. Вернадського НАН України |
| record_format | dspace |
| spelling | Лысенко, Л.Л. Мищук, Н.А. Несмеянова, Т.А. Баринова, Н.О. 2023-02-04T17:10:32Z 2023-02-04T17:10:32Z 2013 Исследование поляризации ионообменных мембран, диафрагмы и ионита / Л.Л. Лысенко, Н.А. Мищук, Т.А. Несмеянова, Н.О. Баринова // Украинский химический журнал. — 2013. — Т. 79, № 5. — С. 42-50. — Бібліогр.: 22 назв. — рос. 0041–6045 https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/187940 541.182.65+537.311+621.359.2 Проведены экспериментальное исследование и качественный анализ временных зависимостей распределения напряжения в системе ионообменные мембраны—диафрагма—ионит и электроосмоса через диафрагму и ионит. Показано, что степень поляризации элементов изучаемой системы зависит не только от величины используемого напряжения, но и от взаимного расположения диафрагмы и ионита, что в свою очередь отражается на скорости электроосмоса. Проведено експериментальне дослідження та якісний аналіз часових залежностей розподілу напруги в системі іонообмінні мембрани—діафрагма—іоніт і електроосмосу через діафрагму та іоніт. Показано, що ступінь поляризації елементів даної системи залежить не тільки від величини використовуваної напруги, але і від взаємного розташування діафрагми та іоніту, що в свою чергу відбивається на швидкості електроосмосу. The experimental investigation and the qualitative analysis of the time dependences of the electric potential distribution in the system of an ionexchange membranes—a diaphragm—an ionite and the electroosmosis through a diaphragm and an ionite is carried out. It is shown that the degree of polarization of the elements of investigated system depends not only on the value of the used voltage, but also on the relative position of a diaphragm and an ionite, that in turn affects the velocity of electroosmosis. ru Інститут загальної та неорганічної хімії ім. В.І. Вернадського НАН України Украинский химический журнал Электрохимия Исследование поляризации ионообменных мембран, диафрагмы и ионита Дослідження поляризації іонообмінних мембран, діафрагми та іоніту Investigation of ion-exchange membranes, diaphragm and ionite polarization Article published earlier |
| spellingShingle | Исследование поляризации ионообменных мембран, диафрагмы и ионита Лысенко, Л.Л. Мищук, Н.А. Несмеянова, Т.А. Баринова, Н.О. Электрохимия |
| title | Исследование поляризации ионообменных мембран, диафрагмы и ионита |
| title_alt | Дослідження поляризації іонообмінних мембран, діафрагми та іоніту Investigation of ion-exchange membranes, diaphragm and ionite polarization |
| title_full | Исследование поляризации ионообменных мембран, диафрагмы и ионита |
| title_fullStr | Исследование поляризации ионообменных мембран, диафрагмы и ионита |
| title_full_unstemmed | Исследование поляризации ионообменных мембран, диафрагмы и ионита |
| title_short | Исследование поляризации ионообменных мембран, диафрагмы и ионита |
| title_sort | исследование поляризации ионообменных мембран, диафрагмы и ионита |
| topic | Электрохимия |
| topic_facet | Электрохимия |
| url | https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/187940 |
| work_keys_str_mv | AT lysenkoll issledovaniepolârizaciiionoobmennyhmembrandiafragmyiionita AT miŝukna issledovaniepolârizaciiionoobmennyhmembrandiafragmyiionita AT nesmeânovata issledovaniepolârizaciiionoobmennyhmembrandiafragmyiionita AT barinovano issledovaniepolârizaciiionoobmennyhmembrandiafragmyiionita AT lysenkoll doslídžennâpolârizacíííonoobmínnihmembrandíafragmitaíonítu AT miŝukna doslídžennâpolârizacíííonoobmínnihmembrandíafragmitaíonítu AT nesmeânovata doslídžennâpolârizacíííonoobmínnihmembrandíafragmitaíonítu AT barinovano doslídžennâpolârizacíííonoobmínnihmembrandíafragmitaíonítu AT lysenkoll investigationofionexchangemembranesdiaphragmandionitepolarization AT miŝukna investigationofionexchangemembranesdiaphragmandionitepolarization AT nesmeânovata investigationofionexchangemembranesdiaphragmandionitepolarization AT barinovano investigationofionexchangemembranesdiaphragmandionitepolarization |