55

ВОРОНЕЖСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ

Химический факультет

Кафедра аналитической химии

Вдовкина Екатерина Вячеславовна

ОПРЕДЕЛЕНИЕ НЕРАВНОВЕСНОЙ ОБМЕННОЙ ЕМКОСТИКАТИОНООБМЕННЫХ МЕМБРАН МК-40 МЕТОДОМЭЛЕКТРОДИАЛИЗА

Дипломная работа

по специальности 020101 Химия

специализация 020101.01 Аналитическая химия

Допущено к защите в ГАК

Зав. кафедрой д.х.н., проф. Селеменев В.Ф.

«___» июня 2012 г.

Руководитель д.х.н., проф. Шапошник В.А.

Рецензент д.х.н., проф. Васильева В.И.

Воронеж 2012

Оглавление

Перечень условных обозначений, символов и принятых в работе

сокращений……………………………………………………………………..3

Введение………………………………………………………………………...5

Глава 1. Обзор литературы

1.1. Катионообменники, структура и свойства ……………….............7

1.2. Определение динамической обменной емкости

ионообменных мембран....................................…………………...…….……22

ГЛАВА.2 МАТЕРИАЛЫ, АППАРАТУРА И МЕТОДЫ РАБОТЫ

2.1. Способ изготовления и паспортные характеристики

ионообменных мембран…………………..…………………...………….…..25

2.2. Методы определения емкости мембран….……..….………….....28

2.2.1. Метод определения статической емкости мембран………...…28

2.2.2. Определение неравновесной емкости ионообменных мембран………………………………………………………………………..29

2.3 Методы компонентного анализа……………………….………….32

2.3.1. Пламенная фотометрия………………………………………….32

2.3.2. Определение концентрации водородных ионов методом прямой потенциометрии……………………………………………………...35

Глава 3. Результаты и их обсуждение

3.1. Выбор электрического напряжения для определения емкости катионообменной мембраны…………………………………...………….…36

3.2. Концентрационная зависимость емкостей катионообменной мембраны…………………………………………………. …….……………44

Выводы……………………………………………………….........……51

Список литературы……………………………………………………..52

ПЕРЕЧЕНЬ УСЛОВНЫХ ОБОЗНАЧЕНИЙ, СИМВОЛОВ И ПРИНЯТЫХ В РАБОТЕ СОКРАЩЕНИЙ

- число переноса противоионов в мембране;

- плотность тока, мА/см²;

- число элементарных зарядов иона;

- число Фарадея, F=96485 А.с /моль;

- электрическая подвижность иона;

grad φ, X− градиент электрического потенциала, В;

J_i – поток иона i, моль/(см²с);

- обобщенная термодинамическая сила;

- число переноса катионов в катионообменной мембране;

- число переноса катионов в растворе;

- коэффициент диффузии электролита;

- концентрация электролита за пределами диффузионного пограничного слоя;

- концентрация на межфазной границе мембраны и раствора;

- толщина диффузионного пограничного слоя;

- количество молей натрия, ммоль;

С – концентрация натрия в мерной колбе, моль;

- объем мерной колбы, см³;

Е – емкость мембраны, ммоль/см³;

τ – время, мин;

МА – анионообменная мембрана;

МК – катионообменная мембрана;

- заряд электрона, e=1.6 10^-19 Кл;

S − площадь мембраны, см²;

рН – водородный показатель;

- расстояние между зарядами, нм;

- толщину мембраны

- электрического сопротивления;

- поверхность электродов;

- удельное электрическое сопротивление;

ВВЕДЕНИЕ

Вторая половина XIX века и первая треть XX века в химии проходили при доминанте метода равновесной термодинамики. Работы Я. Вант-Гоффа, первого лауреата Нобелевской премии по химии, Д. Гиббса, В. Оствальда, В. Нернста были основаны на парадигме термодинамики равновесных процессов, даже учитывая, что В. Оствальд получил Нобелевскую премию за работы по катализу. Известно, что равновесное состояние является идеализацией реального при отсутствии обмена массой и энергией между системой, как выделенной областью пространства, и средой ее окружающей, при постоянстве термодинамических параметров. В работах 1931-1933 г. Ларс Онсагер при исследовании теплопроводности и электропроводности анизотропных кристаллов установил основные закономерности термодинамики необратимых процессов [1,2]. К ним относятся линейный закон связывающий потоки величин с обобщенными термодинамическими силами, соотношения взаимности, которые были определяющими при присуждении ему Нобелевской премии в 1968 г., а также закон производства энтропии, который позволил корректно выбирать обобщенные термодинамические силы для различных явлений переноса. Появились предложения назвать равновесную термодинамику термостатикой, а термин термодинамика закрепить за линейной неравновесной термодинамикой. Впоследствии И. Пригожин установил, что кроме линейной неравновесной термодинамики существует нелинейная неравновесная термодинамика, для которой характерны диссипативные процессы [3,4]. В результате в физической химии возникло представление о единой термодинамике, которая включает термодинамику равновесных процессов, термодинамику стационарных процессов и термодинамику диссипативных процессов.

При исследовании ионного обмена термодинамическими методами возникло представление об обменной емкости как наиболее важной характеристике ионообменных материалов [5,6]. Ф. Гельферих охарактеризовал общую или полную емкость, которая представляла собой концентрацию противоионов в ионообменнике, определенную в равновесных условиях. Однако, кроме статической обменной емкости (СОЕ) в ионном обмене принята динамическая обменная емкость, которая определялась по проскоку ионов в колонке (ДОЕ). Например, статическая обменная емкость сульфокатионообменника КУ-2 – 8 имеет величину 1.8 ммоль/г, а динамическая обменная емкость 1.6 ммоль/л. Соответственно для сильноосновного анионообменника АВ-17 -8 эти величины равны 1.2 и 1.0 ммоль/г [7]. Ионный обмен является пассивным транспортом, направленным по отрицательному градиенту химического потенциала, поэтому разность равновесной и неравновесной обменной емкости мала. Приготовленные из гранулированных ионообменников мембраны применяются преимущественно в неравновесных стационарных процессах и перенос вещества происходит при наложении на системы отрицательного градиента электрического потенциала, вызывающего активный транспорт против градиента концентрации. В связи с этим можно ожидать, что в электромембранных процессах равновесная и неравновесная емкость могут значительно различаться. Установить эти различия является задачей настоящей работы. В качестве примера для исследования была взята гетерогенная катионообменная мембрана МК-40.