离子传输通过扩散层由电荷镶嵌膜控制

文摘

膜的动态界面附近的交通行为进行了研究使用商业阴离子和阳离子交换膜和镶嵌膜。电流电压曲线的极限电流密度表明传统流量的上限。从计时电势分析法在极限电流密度,过渡时间估计。边界层的厚度是派生与传统的极限电流密度和稳态通量的过渡时间。另一方面,介绍了电荷镶嵌膜为了检查膜表面上的离子传输的细节。概要讨论了浓度的动态迁移数对离解(分裂)的水膜表面。

1。介绍

众所周知,使用离子交换膜电渗析海水使饮用水或食盐。在日本尤其流行使用这个电渗析各领域如食品、医疗制药和超纯水(1- - - - - -3]。然而,所需的更有效的和改进的电渗析纯水生产因为传统系统成本目前的电力。的一个主要问题源于极限电流密度限制直流供应通过系统,取决于扩散层的厚度。在这项研究中,看到的方式减少解决方案层的厚度是为了提高检查效率的电渗析的基本立场。

正如上面提到的,目的是将集中在离子膜表面离子从散装运输解决方案的行为。此外,到目前为止,开发费用镶嵌膜(4- - - - - -6)引入电渗析模型系统和离子传输机制研究。电的方法主要是采用实验策略,选择和四种膜系统研究:阳离子交换膜系统(CMV),阴离子交换膜系统(lamv),电荷镶嵌膜和阳离子交换膜系统(MM + CMV)和阴离子交换膜电荷镶嵌膜系统(lamv +毫米)。

电位法也用于相同的膜系统阐明扩散层。进行了计时电势分析法获得的过渡时间7- - - - - -9]。这项技术是采用4膜安排检查贡献的边界层镶嵌膜。动力学参数对边界层被注意到并介绍了实验结果的理解。边界层厚度已经研究了使用chronopotentiometric技术在underlimiting电流范围(10摘要),但不同的其他方法是采用测量边界层厚度。

2。实验

2.1。材料

实验中使用的膜是商业Selemion巨细胞病毒作为阳离子交换膜,Selemion lamv的阴离子交换膜(朝日玻璃有限公司)和电荷镶嵌膜毫米,大日如来开发的精华。co .)和包含两个强酸性阳离子交换组和强大的基类型阴离子交换组固定的方向垂直于膜表面(4- - - - - -6]。从10氯化钾溶液制备⁻⁵到10⁻¹摩尔dm⁻³在这项研究中。

2.2。膜的安排

进行了实验室规模的研究与四种膜系统、想象ED(电渗析)和EDI(去电离子)模型膜系统。

4膜为本研究采取了如下安排系统。

巨细胞病毒:氯化钾溶液/巨细胞病毒/氯化钾溶液(ED模型)。

lamv:氯化钾溶液/ lamv /氯化钾溶液(ED模型)。

MM +巨细胞病毒:氯化钾溶液/ MM +巨细胞病毒/氯化钾溶液(EDI模型)。

我+ MMV:氯化钾溶液/ lamv + MM /氯化钾溶液(EDI模型)。

两个顶部和两个底部的膜安排类似传统的ED和EDI装置,分别。然后,为了方便起见,有时ED或EDI符号被使用。

2.3。装置

2.3.1。电流电压曲线

电流电压曲线测定和逐渐增加的潜在差异通过细胞跨膜电流密度测量。获得的电位差和电流密度对实验电流电压曲线。

2.3.2。计时电势分析法

稳压器(稳压器/恒流器,ha - 151, Hokutodenko。有限公司)允许电流电压测量和计时电势分析法测量在不同膜安排。Chronopotentiogram驱动函数发生器(Hokutodenko函数发生器,hb - 111。有限公司),并记录下X-Y-t记录器(理研Denshi XY录音机f - 35 c,。有限公司)。实验电池的电流电压测量和计时电势分析法是four-electrodes细胞如图1。跨膜的电压降在调查中被Haber-Luggin测量毛细血管的3 M氯化钾溶液充满了琼脂和每个连接到稳压器或恒流器Ag / AgCl电极作为参比电极连接。

计时电势分析法是一种电化学表征方法,测量电势响应系统的实施当前的(10- - - - - -12]。这是执行4膜安排接受调查。这不是相同的测量电流电压曲线测量的电流而不是电压降应用到系统的外部供应。计时电势分析法的方法是首先开发电化学电极和现在也用于研究在膜科学领域几乎没有任何更改(13]。然后沙子方程,涉及电极反应了对膜系统。

过渡时间计时电势分析法得到的对应,最初的盐浓度在膜表面减少直到它变成零(12]。另一方面,它意味着时间达到overlimiting电流密度应用电流。由砂方程获得的动力学参数进行了分析。

2.3.3。pH值测量

pH值指标,酚酞,甲基红放入氯化钾溶液检查期间发生的水分离操作简单的计时电势分析法。这表明,pH值的变化,H⁺从发生轻微的红色定性。

3所示。结果与讨论

3.1。极限电流密度

电流电压曲线进行测量获得的膜系统的极限电流密度下4安排调查。电流电压曲线的极限电流密度确定和解释为著名的图解11三个地区的杰出。首先,一个线性部分出现在低电位下降,称为欧姆。其次,电流密度达到高原地区由于离子耗尽层膜表面附近。最终浓度在膜表面变成了零。因此,电流密度在这一步是定义为极限电流密度,还有盐通量是由本体溶液之间的扩散和膜表面。高原后,电流密度又开始增加。第三个区域称为overlimiting区域(11]。极限电流密度对ED或EDI模型系统电流电压曲线的测定。事实上,极限电流密度对EDI略大于埃德。盐通量穿过膜与盐通量,在协议从本体溶液通过膜表面。因此,重要的是要考虑膜表面上的通量,直到浓度达到零。

极限电流密度是由以下方程导出的文献[10- - - - - -14]: 在这里法拉第常数,本体溶液浓度,盐扩散系数,扩散边界厚度,膜的反离子迁移数,运输数量的解决方案。

如果一个假设盐扩散系数,扩散边界厚度和膜的反离子迁移数是已知的,在解决方案可以获得运输号码。它将详细讨论后完成。

3.2。过渡时间

Chronopotentiogram,电化学方法,给出原理图解释3。结果在0.01氯化钾溶液使用巨细胞病毒是如图4。所有电流密度对计时电势分析法总是大于极限电流密度测量得到的电流电压曲线。的情况下如此大的电流对膜系统,膜表面的浓差极化应该发生迅速和浓度在膜表面立即变成了零。情况与前一节中提到的情况相同。过渡时间,被定义为当浓度在膜表面变成了零,也就是说,拐点的阴影图3。

现在,过渡时间是由沙子如下方程(12,13]: 在这里是电解液的扩散系数,和在体积和浓度的反离子,和膜的抗衡离子的迁移数和解决方案,分别电流密度,法拉第系数。然后测量过渡时间表示的函数的倒数平方的电流密度图5。根据图5,有巨细胞病毒和lamv膜安排几乎没有区别。另一方面,在带电的情况下介绍了镶嵌膜另外安排,等阳离子,阴离子交换膜MM +巨细胞病毒和lamv + MM,过渡时间发生显著变化。过渡时间,安排,增加,MM +巨细胞病毒,安排,lamv +毫米减少。目前,尚不清楚,但似乎是边界层的影响,。

3.3。在边界层动力学迁移数

当,(2)是重新评估运输数量的情况下边界层的氯化钾的解决方案如下: 潜在变化后沿时间和增加电流密度值达到过渡时间灰色部分的图所示3。事实表明,任何离子运输过程也更改后的过渡时间。运输数量可能会改变在一定条件下,虽然运输数量几乎统一在膜电压和电流之间的关系一直是简单的电阻。膜表面上的动态迁移数定义和来自上面的(3)当离子浓度在膜达到零。

边界层的动态迁移数是图所示6,扩散系数被认为是常量值氯化钾溶液中同时传输数字膜,。根据图6带电镶嵌膜的添加改变了运输号码边界层和运输数量往往与电流密度的变化显著。特别是,它被认为在边界层动力学迁移数显著下降的情况是+毫米。因此我们定义运输数量在边界层动力学迁移数。

3.4。边界层厚度

方程(1重新安排)极限电流密度来获取边界层的厚度如下: 估计的极限电流密度已经给图2。运输号码指定离子通过膜应该统一。这个条件是等价的计时电势分析法在过渡时间之前。应该是运输号码和电流密度从计时电势分析法能够被获得通过(4),因为表面膜的条件相同。然后,边界层的厚度是在图表示7。添加电荷镶嵌膜边界层的厚度的增加引起的阳离子交换膜和阴离子交换膜上的减少。变化的趋势成为非凡的根据电流密度。

最后,建议引入电荷镶嵌膜的离子交换膜导致边界层的厚度的变化,和这个结果支持投机部分3.2。过渡时间。

3.5。水分离

在计时电势分析法,pH值测量同时进行pH值指标的存在下,酚酞,甲基红,结果如图8。颜色变化并不承认在巨细胞病毒和MM + CM系统,但红色颜色变化出现在lamv我+ MM系统。pH值的变化表明,表面附近的水分裂发生在阴离子交换膜系统。水分裂似乎给膜的离子输运过程的影响,特别是阴离子膜系统。然后实验结果初步检查了以下模型图9。

(一)

(b)

(c)

(d)

(一)

(b)

箭头朝右显示当前的方向图9的虚线是假设位于从每个膜表面的扩散层。阳离子通过阳离子交换膜是K⁺在图中9(一个)(左)因为阳离子交换膜的运输号码是理论上统一。K⁺也是运输对当前方向扩散层和Cl⁻运输向相反的方向。箭头的宽度取决于运输离子在图的数量9。

安排,MM +巨细胞病毒,在图表示9(一个)(右)在膜上的水分裂现象没有出现但扩散层表示增长引入阳离子交换膜的电荷镶嵌膜作为显示在图7。这是由于离子运输过程可能取决于不同的镶嵌膜在溶液中离子的运动下overlimiting电流。换句话说,离子在免费的解决方案中,阳离子,阴离子和相互影响的积极和消极的离子之间的相互作用在某种程度上,在负责马赛克离子膜电顺利沿着固定电荷移动网站速度比免费的解决方案。这意味着K的增加⁺运输数量和最后扩散层的厚度将反映等价的性质(3)和(4)在同一极限电流。

lamv的安排是图所示9 (b)(左)分裂观察足够的水。在的情况下,生产的H⁺似乎影响Cl⁻运输号码。传输数据,然而,并没有改变太多,见图6因为质子将弥补Cl⁻高浓度的本体溶液的扩散层。

安排,lamv + MM,是显示在图9 (b)(右)。运输数量显著改变在这个模型中,清楚的结果在图6,扩散层减少,如图7。据推测水分裂发生在膜表面参与减少。立即产生质子与Cl⁻镶嵌膜介绍给这个系统。其中一种可能的情况是,虽然情况不清楚,这是猜测如下。随着氯⁻从本体溶液是缓慢的速度在镶嵌膜相比,Cl⁻不能补偿产生的阴离子损耗由于质子的扩散层。因此,离子迁移数将减少或扩散层的厚度将会越来越小。图8表示颜色的改变甲基红指标。红由于生成的质子信号出现在解决方案向阴极。这意味着H⁺是向散装运输解决方案的一部分载流子的扩散层。

根据图9,应该改变了离子传输电荷的增加镶嵌膜电渗析。

4所示。结论

动态迁移数在扩散层中的离子运输方法获得的膜表面附近的计时电势分析法。方程是获得方程的扩散层的厚度极限电流密度。扩散层表示,鉴于目前的密度函数。

另一方面,水从pH值测量观察分裂现象在这两种情况下的阴离子交换膜系统和阴离子交换+电荷镶嵌膜系统。现象与扩散层的厚度关系被认为是示意图如图9。

在这项研究中,它是检验的极限电流密度可以通过引入电荷增加镶嵌膜。

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