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离子交换膜的面电阻由膜的微观结构所决定,不仅与膜的含水量、交换容量和交联度等因素有关,而且受溶液中离子种类和浓度的影响,是膜性能评价的重要指标。现有的测定膜的面电阻的方法存在测定结果波动大、重复性差、测定条件不明确以及缺乏合适的测定装置等问题。本文针对上述问题,选择交流电源法,设计新型测定面电阻的装置及方法,进一步利用该方法考察面电阻的影响因素,分析静态面电阻与表观面电阻的关系,以及二者与电渗析性能的关系。
(1)考察了自行设计的基于交流法的测定装置对膜面电阻的测定结果,当该装置电导池的极室直径和电极间距不同时,测得的面电阻基本相同,表明装置结构的范围较宽。频率和电压对面电阻测定结果的影响实验表明,在50~200 kHz的高频时的测定结果具有较高的重现性,在测定电压为50~1200mV范围面电阻的测定值变化不大。优选电导池直径为20 mm、电极间距为10 mm的装置,测定频率100.0 kHz、电压100 mV,该方法测定的面电阻的标准差与平均值的比值小于0.93%。所建立的测定方法具有测定条件范围宽、测定结果稳定、可重复性高及测定响应快等优点。
(2)研究了溶液中离子的种类和浓度对膜的面电阻的影响,结果表明:单极膜的面电阻受溶液中的反离子种类影响较大;由于唐南平衡,膜内含有少量的同离子,不同单极膜的面电阻受同离子影响程度不同;双极膜的面电阻则同时受阴离子和阳离子种类影响。因而在比较膜的面电阻时,应考虑膜应用时的溶液体系,取在该离子体系下的面电阻测定值进行比较。随溶液浓度增加,面电阻显著降低;当溶液浓度高于1.00 mol/L时,面电阻基本不变。考虑到浓度对膜电阻变化的影响,为得到较稳定的结果,建议测定时溶液浓度高于0.5 mol/L。
(3)实验考察了膜污染前后面电阻的变化情况,结果表明:由于高价阳离子Fe3+与阳膜的阴离子活性基团之间的强结合作用,使膜面电阻显著增加;由于膜的污染,阳膜和阴膜的面电阻均有明显增加,而清洗后的膜的面电阻有明显的降低;双极膜的面电阻变化较小,在电渗析过程中基本不受污染物质的影响。因而膜的静态面电阻可以用于判断膜污染及恢复情况。
(4)实验研究了膜的面电阻与含水量、交换容量之间的关系,结果表明,对于同一材质和方法制备的膜,膜的含水量和交换容量较高意味着膜内可导电郎分的比例较高,因而膜的面电阻与含水量和交换容量呈现反比关系;涂浆法和含浸法制备的膜,由于材质和方法的不同,致使膜的微观结构不同,面电阻大小和含水量、交换容量的高低没有一一对应关系。因而膜的静态面电阻可以用于推测同一系列的膜的其他性能,而不能用于推测不同系列的膜的性能。
(5)考察了静态面电阻与表观面电阻的关系,以及二者与电渗析性能的关系。结果表明,采用高频交流法测定的静态面电阻值,低于电渗析过程的膜的表观面电阻值,这是由于电渗析时膜-溶液形成扩散边界层,导致离子传递速率减慢,因而电阻增加所引起的。同一系列的膜的静态面电阻逐渐增加时,表观面电阻逐渐增加,电流效率和膜通量逐渐降低,能耗和单位膜通量能耗逐渐增加。表明膜的静态面电阻可以作为快速评价同一系列离子交换膜的电渗析性能的指标。不同系列的阳膜,具有相接近的静态面电阻时,表观面电阻、电流效率、膜通量、能耗和单位膜通量能耗等可能差别30%以上,因此不宜用单一的静态面电阻作为评价不同系列膜性能的指标。若要比较不同系列的膜,还需要引入离子迁移数和离子的电渗系数等指标。