WWW.MASH.DOBROTA.BIZ
БЕСПЛАТНАЯ  ИНТЕРНЕТ  БИБЛИОТЕКА - онлайн публикации
 

«Влияние гидрофобности поверхности сульфокатионообменной мембраны МК-40 на спектральный состав оптических шумов в растворе при интенсивных токовых режимах Колганов В.И., ...»

443

УДК 541.13:541.183.12

Влияние гидрофобности поверхности

сульфокатионообменной мембраны МК-40

на спектральный состав оптических шумов

в растворе при интенсивных токовых режимах

Колганов В.И., Акберова Э.М., Жильцова А.В .

ФГБОУ ВПО «Воронежский государственный университет», Воронеж

Поступила в редакцию 20.01.2014 г .

Аннотация

Методом Фурье-анализа определен спектральный состав флуктуаций концентрационного

поля в стратифицированных системах с катионообменной мембраной при интенсивных токовых режимах. Установлена высокая шумовая составляющая колебаний концентрационного поля в растворе на границе с мембраной МК-40/Nf, характеризующейся высокой степенью гидрофобности поверхности .

катионообменная мембрана, гидрофобность поверхности,

Ключевые слова:

электроконвективная нестабильность, лазерная интерферометрия, фликкер-шумовая спектроскопия .

The spectral composition of fluctuations of the concentration field in the stratified systems with cation-exchange membrane at high-current modes using Fourier method was determined. The high frequency component of the noise of the concentration field in the solution at the boundary membrane МС-40/Nf, characterized by high degree of surface hydrophobicity was established .

Keywords: cation-exchange membrane, the surface hydrophobicity, electroconvective instability, laser interferometry, the flicker noise spectroscopy .

Введение Для усовершенствования электродиализных технологий необходимо рассмотрение и изучение механизмов электромассопереноса в электромебранных системах при высокоинтенсивных токовых режимах. Один из таких механизмов обусловлен возникновением и развитием электроконвективной нестабильности на межфазной границе ионообменная мембрана-раствор [1-5]. На интенсивность электроконвекции влияет ряд внешних факторов, таких как плотность тока, концентрация и скорость подачи растворов [5-7], а также свойства поверхности мембраны, к которым относятся электрическая и геометрическая неоднородность, природа фиксированных групп [8, 9] и гидрофобность. Гидрофобизация поверхности мембраны приводит к росту интенсивности электроконвективного перемешивания раствора на границе с мембраной [10, 11] вследствие увеличения скорости скольжения жидкости на межфазной границе .

Цель настоящей работы состояла в изучении влияния гидрофобности поверхности мембраны МК-40 на спектральный состав флуктуаций Колганов и др. / Сорбционные и хроматографические процессы. 2014. Т. 14. Вып. 3 концентрационного поля при интенсивных токовых режимах с использованием Фурье-анализа .

Эксперимент Объектом исследования являлись образцы гетерогенной катионообменной мембраны МК-40 с варьируемой степенью гидрофобности поверхности. Изменение степени гидрофобности заключалось в нанесении на поверхность тонкой пленки сульфированного политетрафторэтилена типа Nafion с теми же фиксированными группами, что и у мембраны-подложки МК-40, но в меньшей концентрации .

Исследование электроконвективной нестабильности в растворе на границе с мембраной проводили методом лазерной интерферометрии с использованием интерферометрической установки типа Маха-Цендера [12]. Интерференционная полоса представляла собой профиль показателя преломления и, соответственно, концентрации. Результаты измерений флуктуаций интерференционных полос в растворе на границе с мембраной (оптических шумов) записывали в виде временных рядов длиной (2-3)·103 отсчетов. Для оцифровки результатов использовали программное обеспечение, основанное на регистрации изменения интенсивности цвета в локальных точках и представлении информации в цифровом виде .





При исследовании оптических шумов применялся Фурье-анализ [13], который позволил сделать заключение о частотном составе шума, усредненного по всему времени записи колебательного процесса. Первичные данные, представляющие собой функцию времени, после обработки с помощью быстрого преобразования Фурье были получены в виде набора частот. Для оценки энергетического вклада различных частотных компонент был использован Фурьеспектр мощности, который для сигналов, имеющих шумовую природу с непрерывным спектром и содержащим широкий набор частотных компонент, состоит из участков вида P ~ f n, являющихся линейными функциями в двойных логарифмических координатах с коэффициентом наклона n .

Эксперименты были проведены в горизонтально ориентированном электродиализаторе, разделенном на семь секций с чередующимися катионообменными и анионообменными мембранами. При горизонтальной ориентации электродиализатора в гравитационном поле в исследуемой центральной секции ток был направлен таким образом, что противоионы двигались вверх и обеднённый диффузионный слой находился под исследуемой мембраной, то есть гравитационные конвективные потоки не возникали при любой величине градиентов концентрации и температуры (устойчивая концентрационно-температурная стратификация). Так как исследуемая центральная секция состояла из однотипных мембран, имеющих одинаковые электро- и теплофизические характеристики, то это позволяло рассматривать мембрану с обедненным диффузионным слоем как индивидуальную. Высота мембранного канала L составляла 4,2 10 м, ширина 2,4 102 м, межмембранное расстояние h = 5 103 м. Раствор хлорида натрия концентрации 2,0 10 2 М подавался в канал со скоростью 1,3 103 м/с, что соответствовало ламинарному режиму течения. Электродиализ проводили в гальваностатическом режиме .

Колганов и др. / Сорбционные и хроматографические процессы. 2014. Т. 14. Вып. 3 Обсуждение результатов Выявлены заметные различия флуктуационной динамики концентрационного поля в зависимости от степени гидрофобности поверхности мембраны (рис. 1) .

–  –  –

При незначительном превышении предельной диффузионной плотности тока амплитуда и средняя частота колебаний интерференционных полос практически совпадали для обоих типов исследуемых мембран. Однако, при токах, превышающих предельную диффузионную величину более, чем в два раза, амплитуда и частота колебаний были выше для мембраны МК-40/Nf .

Количественный расчет амплитуды и средней частоты показал, что при плотностях тока в диапазоне 2,0 i 10,0 амплитуда колебаний интерференционной полосы для мембраны МК-40/Nf по сравнению с мембраной МК-40 была больше в 1,4 раза, средняя частота превышала соответствующую величину для мембраны МКв 1,2 раза .

Установленные закономерности обусловлены разной степенью гидрофобности поверхности мембраны. Покрытие мембраны МК-40 пленкой Nafion приводит к увеличению контактного угла смачивания поверхности с = 54 ± 2 град .

до = 64 ± 4 град [11]. Результатом явилось увеличение скорости скольжения жидкости на межфазной границе и вследствие этого больший размер электроконвективных вихрей в растворе на границе с более гидрофобной мембраной МК-40/Nf .

Расчет спектральной плотности Р(f) оптических шумов проводился на основе операции быстрого преобразования Фурье временных рядов флуктуаций интерференционных полос. Установлено, что функция спектральной плотности имела n характерную «фликкер-шумовую» зависимость вида P ~ f n. Параметр n, характеризующий согласно методологии фликкер-шумовой спектроскопии [14] переход движения жидкости от ламинарного к предельно турбулизованному, Колганов и др. / Сорбционные и хроматографические процессы. 2014. Т. 14. Вып. 3 определялся как тангенс угла наклона высокочастотного участка спектра. Величина n = 3 характеризует хаотическое объемное турбулентное перемешивание раствора .

–  –  –

При увеличении степени гидрофобности поверхности мембраны происходит увеличение наклона высокочастотного участка спектра и возрастание показателя степени n (рис. 2, а). Сравнение зависимостей величины параметра n от кратности превышения предельной плотности тока для сульфокатионообменной мембраны с разной степенью гидрофобности поверхности представлено на рис.2б .

Максимальное электроконвективное перемешивание раствора на границе с мембраной наблюдалось в случае более гидрофобного образца МК-40/Nf, т.к. пленка из сульфированного политетрафторэтилена придает поверхности модифицированного образца мембраны не только гидрофобные свойства, но и снижает генерацию Н+ и ОН- ионов .

Заключение

Методами лазерной интерферометрии и фликкер-шумовой спектроскопии изучено влияние гидрофобности поверхности мембраны МК-40 на спектральный состав оптических шумов, возникающих вследствие развития электроконвективной нестабильности на межфазной границе при высокоинтенсивных токовых режимах .

Установлено, что более интенсивное электроконвективное перемешивание раствора наблюдалось на границе с мембраной МК-40/Nf, характеризующейся более гидрофобной поверхностью, вследствие увеличения скорости скольжения жидкости на межфазной границе .

Выражаем благодарность проф. Письменской Н.Д. (КубГУ, г. Краснодар) за предоставление образцов мембран и асп. Небавской К.А. (КубГУ, г. Краснодар) за измерение величин контактных углов смачивания поверхности мембран .

Колганов и др. / Сорбционные и хроматографические процессы. 2014. Т. 14. Вып. 3

–  –  –

1.Vasil’eva V.I., Shaposhnik V.A., Grigorchuk O.V. et al. The membrane-solution interface under high-performance current regimes of electrodialysis by means of laserinterferometry // Desalination. – 2006. Vol. 192. № 1-3. P. 408-414 .

2.Васильева В.И., Шапошник В.А.‚ Заболоцкий В.И. и др. Диффузионные пограничные слои на границе мембрана-раствор при высоко-интенсивных режимах электродиализа // Сорбционные и хроматографические процессы. 2005. Т.5. № 4 .

С. 545-560 .

3.Шапошник В.А., Васильева В.И., Решетникова Е.В. Интерферометрическое исследование концентрационной поляризации ионообменных мембран при электродиализе // Электрохимия. 2000. Т. 36. № 7. С. 872-877 .

4.Шапошник В.А.‚ Васильева В.И., Угрюмов Р.Б. и др. Термоконвективная неустойчивость при электродиализе // Электрохимия. 2006. Т.42. №5. С. 595-601 .

5.Vasi1'еvа V., Shaposhnik V., Zhiltsova А. et al. Тhе oscillation оf concentration field аt the membrane-solution interface and transport mechanisms under overlimiting current density // Desalination and water treatment. 2010. Vo1. 14. № 1-3. Р. 214-219 .

6.Васильева В.И., Григорчук О.В., Ботова Т.С. и др. Колебательная неустойчивость стратифицированных электромембранных систем при высокоинтенсивных токовых режимах // Сорбционные и хроматографические процессы. 2008. Т.8. Вып.3 .

С. 359-379 .

7.Жильцова А.В., Васильева В.И., Малыхин М.Д. и др. Гидродинамические явления на межфазной границе в стратифицированной системе с сульфокатионообменной мембраной при высокоинтенсивных токовых режимах // Сорбционные и хроматографические процессы. 2010. Т.10. Вып.4. С.580-584 .

8.Жильцова А.В., Малыхин М.Д., Васильева В.И. Влияние природы ионогенных групп катионообменных мембран на колебательную неустойчивость концентрационного поля в стратифицированных электромембранных системах при высокоинтенсивных токовых режимах // Сорбционные и хроматографические процессы. 2009. Т. 9. Вып. 6. C. 904-915 .

9.Васильева В.И., Жильцова А.В., Малыхин М.Д. и др. Влияние химической природы ионогенных групп ионообменных мембран на размеры области электроконвективной нестабильности при высокоинтенсивных токовых режимах // Электрохимия. 2014. Т. 50. № 2. С. 134-143 .

10. Belashova E.D., Melnik N.A., Pismenskaya N.D. et al. Overlimiting mass transfer through cation-exchange membranes modified by Nafion film and carbon nanotubes // Electrochimica Acta. 2011. V. 56. P. 10853-10865 .

11. Жильцова А.В., Васильева В.И., Малыхин М.Д. и др. Влияние гидрофобности поверхности сульфокатионообменных мембран на развитие электроконвективной нестабильности в стратифицированных системах // Вестник ВГУ, Серия: Химия .

Биология. Фармация. 2013. № 2. С. 35-38 .

12. Васильева В.И., Шапошник В.А, Григорчук О.В. и др. Лазерная интерферометрия в исследовании кинетики электродиализа // Электрохимия. 2002 .

Т. 38. №8. С. 949-955 .

13. Медведев С.Ю., Перов М.Ю. Преобразование Фурье и классический цифровой спектральный анализ // Специальный практикум по радиофизике и электронике. ННГУ, 2001. Часть VII. С. 28-54 .

14. Тимашев С. Ф. Фликкер-шумовая спектроскопия: информация в хаотических сигналах. М.: ФИЗМАТЛИТ, 2007. 248с .

Колганов и др. / Сорбционные и хроматографические процессы. 2014. Т. 14. Вып. 3

Колганов Владимир Игоревич – магистрант Kolganov Vladimir I. – competitor for science кафедры аналитической химии Воронежского degree of Master Sci. Chem. of the department of государственного университета; Воронеж analytical chemistry, Voronezh State University, Voronezh, e-mail: vladimirigorevich91@mail.ru Акберова Эльмара Маликовна – ведущий Akberova Elmara M. – the leading engineer of инженер кафедры аналитической химии the department of analytical chemistry, Voronezh

Воронежского государственного университета; State University, Voronezh, e-mail:

Воронеж; тел.: (473) 2208828 elmara_09@inbox.ru Жильцова Анна Владимировна – старший Zhiltsova Anna V. – senior lecturer of the преподаватель Института международного Institute of International Education, Voronezh образования Воронежского государственного State University, Voronezh; e-mail: zhiltsovaуниверситета; Воронеж ann@mail.ru



Похожие работы:

«МОНИТОРИНГ СМИ//ПРИЛОЖЕНИЕ 05.09.12 СОДЕРЖАНИЕ: ЭНЕРГОСБЕРЕЖЕНИЕ До лампочки? //Россия мировой лидер по расточительству энергии// Умные измерения ОБЪЕДИНЕНИЕ ФСК И МРСК Риски в объединении ФСК ЕЭС и МРСК...»

«Встраиваемая стеклокерамическая варочная поверхность СОДЕРЖАНИЕ MCH64767F/FW/FRB/SX /AN / RW Меры предосторожности Описание прибора Панель управления Перед первым использованием варочной панели Использование варочной панели Использование таймера Уход и чистка Рекомендации по поиску...»

«ВОСТОЧНО-КАЗАХСТАНСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ имени Д. СЕРИКБАЕВА Утвержден на заседании Ученого совета ВКГТУ им. Д.Серикбаева Протокол № от "_"_ 2016г. Академический календарь ВКГТУ им. Д.Серикбаева на 2016-2017 учебный год профильной магистратуры (срок обучения 1 год) Зачисле...»

«ДИЗАЙН АРХИТЕКТУРНОЙ СРЕДЫ МИРОВЫЕ ХУДОЖЕСТВЕННЫЕ ТЕЧЕНИЯ И АРХИТЕКТУРНОЕ ТВОРЧЕСТВО. ЧАСТЬ 4 УДК 7.038:72 ББК 85.1 А.В. Ефимов Московский архитектурный институт (государственная академия), Москва, Россия Аннотация Произведения мастеров поп-арта рассмотрены в статье1 как источник творчества архитекторов. Направлени...»

«Руководство по эксплуатации TCP/IP цифровые системы v3.0 SIP BAS IP Внутренний монитор Примечание Для правильной установки следуйте дальнейшей инструкции. Если у Вас возникли трудности с установкой и эксплуатацией, пожалуйста, свяжитесь с вашим дилером для консультации. В данном устройс...»

«Порше Центр Краснодар • 350015 • Краснодар • Новокузнечная, 34/1 ООО "Премиум Кар"Получатель: PC Krasnodar (Premium Car), Новокузнечная, 34/1 350015 Краснодар 350015 Краснодар Телефон: +7-861-255-30-30 Ул Новокузнечная 34/1 Телефакс: +7-861-253-88-08 Em...»

«Turbovac HQT885 J A B D C E F K G H I РУССКИЙ 29 Введение Уважаемый покупатель, вы сделали правильный выбор! Ваш новый прибор компании "Филипс" для обработки контура не требует ухода благодаря вакуумной очистке, он использует инновационную технологию и вместе с тем очень удобен в использовании. Встроенный механизм во время использов...»

«Порше Центр Краснодар • 350015 • Краснодар • Новокузнечная, 34/1 ООО "Премиум Кар"Получатель: PC Krasnodar (Premium Car), Новокузнечная, 34/1 350015 Краснодар 350015 Краснодар Телефон: +7-861-255-30-30 Ул Новокузнечная 34/1 Телефакс: +7-861-253-88-08 Email: info@po...»

«Порше Центр Тольятти • 445024 • Тольятти • Революционная, 82 ООО "Премьер-Спорт"Получатель: PC Togliatty/Samara (Premier Sport), Революционная, 82 445024 Тольятти 445024 Тольятти Телефон: +7-8482-502911 Ул Революционная 82 Телефакс: +7-8482-502911 Email: porsche@primjera.ru И...»







 
2019 www.mash.dobrota.biz - «Бесплатная электронная библиотека - онлайн публикации»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.