Мембранная электрохимия
Содержание:
Введение…………………………………………………………
1).ИСТОРИЯ МЕМБРАННОЙ ЭЛЕКТРОХИМИИ…………………………………………4
2).ПРОХОЖДЕНИЕ ЭЛЕКТРИЧЕСКОГО
ТОКА ЧЕРЕЗ ИОНОСЕЛЕКТИВНЫЕ
4).ЭЛЕКТРОМЕМБРАННОЕ
5).ЭЛЕКТРОХИМИЧЕСКИЕ
ЗАКЛЮЧЕНИЕ……………………………………………………
ЛИТЕРАТУРА……………………………………………………
ВВЕДЕНИЕ
Новые научные дисциплины создаются не только делением исходной науки на составные части, нои объединением разных научных направлений идисциплин. Развитие новой научной дисциплины –мембранной электрохимии является примером такого синтеза. Сначала независимо развивалась наукао мембранах (мембранология, мембраника).
Этимология слова “мембрана”
(от лат. membrana – кожица) указывает
на то, что человек не изобрел
мембрану, а взял у природы
готовую идею. Поэтому неслучайно,
что наука о мембранах
В контрольной работе
рассмотрена история новой
1.ИСТОРИЯ МЕМБРАННОЙ ЭЛЕКТРОХИМИИ
Синтез мембранной науки и электрохимии
был осуществлен при решении
конкретной практической задачи - очистке
сахара от минеральных примесей методом
электродиализа, предложенным Майгротом
и Сабатесом в 1890 году [1]. Электродиализатор
представлял собой
Настоящий прогресс мембранной электрохимии
начался с 1950 года, когда впервые
были синтезированы катионообменные
мембраны, избирательно проницаемые
для катионов, и анионообменные мембраны,
избирательно проницаемые для анионов.
В 1952 году они были применены при
электродиализе. Реализуя идею К. Майера
и В. Штраусса о чередовании функций
катионообменных и
На прочном фундаменте практических успехов электродиализа развивались теоретические основы мембранной электрохимии, адекватные другим современным научным дисциплинам, и создавались новые области ее практического применения [2-5].
2.ПРОХОЖДЕНИЕ
ЭЛЕКТРИЧЕСКОГО ТОКА ЧЕРЕЗ
Ионообменная мембрана представляет
собой тонкий лист толщиной 0,17-0,65 мм,
обеспечивающий предпочтительный перенос
катионов (катионообменная мембрана)
или анионов (анионообменная мембрана).
Мембрану изготавливают целиком
из ионообменного материала (гомогенная
ионообменная мембрана), или в ионообменный
материал включают для увеличения механической
прочности инертный наполнитель (гетерогенная
ионообменная мембрана). В частности,
гетерогенную катионообменную мембрану
МК-40 изготавливают из сильнокислотного
катионообменника КУ-2, представляющего
собой сульфированный трехмерный полистирол,
а гетерогенную анионообменную мембрану
МА-41 изготавливают из анионообменника
АВ-17, получаемого из трехмерного
полистирола введением при
Элементарные звенья ионообменных
мембран показывают, что в полимерной
матрице атомы соединены
в котором - поток противоионов через
мембрану, i - плотность тока, zi - число
зарядов иона, F - число Фарадея, -
число переноса противоионов в мембране.
Число переноса - это доля тока, переносимая
ионами данного вида. Число переноса
ионов натрия в гетерогенной катионообменной
мембране МК-40 в растворах 0,1 моль/л
хлорида натрия достигает величины
0,99 и демонстрирует степень их
приближения к идеальной
Растворы электролитов в отличие
от ионоселективных мембран
в котором ti - число переноса ионов того же вида в растворе. Как следствие того, что числа переноса противоионов, а также их электрические потоки в мембране больше, чем в растворе
на границе раствора с принимающей
стороной мембраны снижается концентрация
электролита и возникает
где Di - коэффициент диффузии, с0 - концентрация в объеме раствора, сs - концентрация на границе раствора с ионообменной мембраной, d - толщина диффузионного пограничного слоя, то есть слоя переменной концентрации. В диффузионном пограничном слое у принимающей стороны мембраны средняя концентрация становится ниже концентрации исходного раствора, и в этом слое происходит обессоливание (рис. 1). На другой стороне мембраны, которую принято называть отдающей, электрический поток противоионов больше потока этих же ионов в растворе и возникает диффузионный поток электролита от поверхности мембраны. В диффузионном пограничном слое у отдающей стороны мембраны концентрация электролита выше, чем в объеме раствора, и, следовательно, в нем наблюдается концентрирование электролита.
В соответствии с номенклатурой
Европейского общества мембранной науки
и технологии явление возникновения
градиентов концентраций на границах
раствора с мембраной принято
называть концентрационной поляризацией.
Таким образом, под концентрационной
поляризацией в мембранной электрохимии
следует понимать сопряженный процесс
возникновения
Для увеличения полноты обессоливания
в соответствии с уравнением (4) необходимы
высокие числа переноса противоионов
в мембране, увеличение плотности
тока и уменьшение толщины диффузионного
пограничного слоя. Для уменьшения
толщины диффузионного
позволяющее рассчитывать его величины, если известна толщина диффузионного пограничного слоя. Наиболее точным методом ее измерения является лазерная интерферометрия [7]. График вольт-амперной характеристики системы ионообменная мембрана-раствор предельной плотноститока близок к линейному (линейная концентрационная поляризация), а при превышении ее сильно отклоняется от линейной (нелинейная концентрационная поляризация).
3.ПРИНЦИП
ЭЛЕКТРОДИАЛИЗАИ
Электродиализ с чередующимися
анионообменными и
Рассмотрим принцип
Упрощенные представления о принципе электродиализа требуют существенного дополнения. Протекание тока через любую однородную систему не приводит к концентрационным изменениям, так как постоянный ток является стационарным, а это означает, что в любой объем одной из фаз столько входит ионов или молекул вещества, сколько и выходит. На первый взгляд возникает парадоксальная ситуация, однако она становится вполне разрешимой, если привлечь для интерпретации процесса явление концентрационной поляризации. Роль постоянного тока при электродиализе состоит в том, что его прохождение через межфазные границы приводит к появлению диффузионных потоков электролита. В этом случае задача состоит в поиске такого расположения катионоселективных и анионоселективных мембран, при котором в одних секциях проходило бы только обессоливание, а в других - только концентрирование электролита. Именно эту задачу решает принцип чередования анионообменных и катионообменных мембран при многосекционном электродиализе.
Построение математической модели
электродиализа решает многие проблемы
анализа закономерностей
Большинство современных
4.ЭЛЕКТРОМЕМБРАННОЕ РАЗДЕЛЕНИЕСМЕСЕЙ ВЕЩЕСТВ
Очистка воды представляет собой частный случай разделения молекул слабого электролита и сильного электролита, диссоциированного на ионы. Еще более эффективным является применение электродиализа для разделения сильных электролитов и неэлектролитов. На первый взгляд электродиализ представляет собой идеальный метод разделения ионов и молекул, так как к ионам непосредственно приложен градиент электрического потенциала, а к молекулам нет. Однако в природе не бывает ничего идеального. Обычно ионы включают полярные молекулы в свою сольватную оболочку или предварительно поляризуют неполярные молекулы, а затем они переносятся вместе с ионами через мембраны, снижая эффективность разделения. Такой транспорт молекул называют электроосмотическим.
После того как были изготовлены ионообменные мембраны, возникло предположение, что их применение при электродиализе дает возможность разделять ионы разных типов в связи с тем, что было установлено большое различие электрических подвижностей ионов в мембранах. Однако коэффициент разделения ионов видов 1 и 2 определяется отношением чисел зарядов их ионов, электрических подвижностей и концентраций
где a - коэффициент разделения, u - электрическая подвижность иона, с - концентрация. Если по отношению к данному иону мембрана селективна, то это усиливает ее электростатическое взаимодействие с фиксированными ионами, что одновременно приводит к уменьшению подвижности иона и увеличению его концентрации в мембране. В результате кинетический фактор (различие в подвижностях) и термодинамический фактор (различие в концентрациях) компенсируют друг друга и ионы не удается разделять с высокой эффективностью.
Каковы бы ни были трудности, человек
всегда находит способы решения
проблем, хотя они могут быть и
нетривиальны. В частности, был предложен
способ разделения натрия и кальция
с помощью модификации
Будущее электромембранных методов
разделения во многом связано с исследованием
нелинейных транспортных процессов. В
частности, установлено, что перенос
многих амфолитов через ионообменные
мембраны достигает максимума при
достижении предельной плотности тока,
а затем снижается до малых
величин, в то время как электролиты
другого типа продолжают увеличивать
потоки при увеличении плотности
тока [5]. Снижение переноса ионов амфолитов
при превышении предельной плотности
тока мы назвали барьерным эффектом.
Он создается диффузионными
и не могут мигрировать через катионообменную мембрану. Анионы глицина мигрируют по направлению к аноду, но попадают в диффузионный пограничный слой у анионообменной мембраны, где имеется избыток кислоты, и вступают в реакцию
после которой они вновь переходят в форму катионов, для которых анионообменная мембрана непроницаема. Катионы глицина мигрируют по направлению к катоду, и цикл повторяется. Его результатом является отсутствие электромиграции глицина через мембраны при плотностях тока выше предельных (рис. 4). Если в раствор секции обессоливания подают смесь амфолита и неамфолита, то неамфолит продолжает мигрировать через мембраны, а амфолит остается в исходном растворе секций обессоливания, то есть они эффективно разделяются. Амфолитами являются, в частности, аминокислоты и белки, многоатомные спирты, поэтому важный в биотехнологии процесс их деминерализации можно успешно проводить электродиализом с ионоселективными мембранами.
5.ЭЛЕКТРОХИМИЧЕСКИЕ РЕАКЦИИПРИ ЭЛЕКТРОДИАЛИЗЕ
Электродиализ дает уникальную возможность
проведения реакций, которые в обычных
условиях протекают только в противоположном
направлении. Простейшей из них является
реакция гидролиза хлорида
2NaCl + 2H2O = Cl2? + 2NaOH + H2?
Эта реакция находит применение
в промышленности для получения
хлора и щелочи из хлорида натрия,
медленно вытесняя опасный для здоровья
ртутный метод электролиза. Учитывая
исключительно большие
Если ученик напишет на уроке реакцию гидролиза сульфата натрия или хлорида натрия, то, возможно, учитель поставит ему неудовлетворительную оценку, так как трудно представить, что из раствора дешевой глауберовой соли можно получить серную кислоту и едкий натр
Na2SO4 + 2H2O = 2NaOH + H2SO4
Между тем такая реакция проходит, но не самопроизвольно, а при затратах электрической энергии. На аноде протекает реакция, которая позволяет получить водородные ионы
2H2O = 4H+ + O2? + 4e,
а катодная реакция приводит к получению гидроксильных ионов
4H2O + 4e = 4OH- + 2H2?
Это дает возможность при
Для того чтобы осуществить рентабельный
процесс получения кислот и оснований
из их солей, применяют биполярные мембраны.
Биполярные мембраны состоят из двух
спрессованных частей. Одной частью
является анионообменная, а другой
- катионообменная мембраны. При
протекании через биполярную мембрану
даже малого постоянного тока на внутренней
границе, разделяющей анионообменную
и катионообменную части
Часто в лаборатории возникает потребность в проведении реакций обмена, которые имеют константы равновесия, близкие к единице. Например, если в лаборатории имеется нитрат натрия и хлорид калия, то реакция между ними
NaNO3 + KCl = KNO3 + NaCl
не проходит до конца и нельзя получить, по крайней мере при одностадийном процессе, калиевую селитру (нитрат калия). Однако электродиализ дает возможность провести такую реакцию до конца, если поместить растворы этих солей в соседние секции обессоливания.
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
Миллионы лет эволюции создали
биологические мембраны в качестве
самого эффективного инструмента транспорта,
разделения и синтеза веществ. Первые
попытки заимствования у
В конце 20 века сложился новый самостоятельный раздел электрохимии- учение о мембранных процессах и равновесиях на границе двух ионных систем, в котором рассматриваются равновесные и неравновесные процессы, возникающие при разделении двух растворов электролитов мембраной, избирательно пропускающей ионы.
Развитие этого раздела
Помимо этого, развитие электрохимия мембран обусловлено широким использованием различных типов мембран в электролизерах, в химических источниках тока, а также в установках по очистке воды.
ЛИТЕРАТУРА
1). Шапошник В.А. // Журн. аналит. химии. 1992. Т. 47, № 1. С. 152-158.
2). Гнусин Н.П., Гребенюк В.Д., Певницкая М.В. Электрохимия ионитов. Новосибирск: Наука, 1972. 200 с.
3). Заболоцкий В.И., Никоненко В.В. Перенос ионов в мембранах. М.: Наука, 1996. 388 с.
4). Тимашев С.Ф. Физикохимия мембранных процессов. М.: Химия, 1988. 237 с.
5). Шапошник В.А. Кинетика электродиализа. Воронеж: ВГУ, 1989. 176 с.
6). Шапошник В.А., Мазо А.А., Фрёлих П. // Успехи химии. 1991. Т. 60, № 11. С. 2469-2483.
7). Шапошник В.А. Мембранная электрохимия // Соросовский образовательный журнал, 1999, №2, с. 71-77.
8).Шапошник В.А. Электрохимия. 2002. 38, № 8, с. 900–905

- Мембранные технологии
- Мембранные технологии - авангардное направление развития науки и техники XXI века
- Мембраны как основа строения растительной клетки. Основные свойства и функции мембран
- Мемлекет және құқық теориясының пәні мен әдісі
- Мемлекет және құқық теориясы түсінігі
- Мемлекет құрылуы
- Мемлекет пен құқықтың пайда болуы мен дамуы
- Мелиорация сельскохозяйственных земель
- Мелиративные машины
- Мелкая моторика
- Мелкий и средний бизнес, понятие и сущность
- Мелкий и средний ремонт ПМ
- Мелкобуржуазная политическая экономика
- Мелкое хулиганство