專利名稱：平流式膜表面電位測定儀的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實用新型屬于一種電位測定儀，尤其是指一種用于測定有機、無機以及有機一無機膜表面電位的測定儀。
背景技術(shù)：
眾所周知，分離膜表面的荷電化顯著地影響著膜在使用過程中的多方面性能，例如膜的水通量，截留率，耐污染能力等。因此，如何表征荷電膜表面的電性能一直是研究的熱點。鑒于膜表面的固有電勢不可能直接測定，所以人們只能通過測定膜表面Zeta電位來間接表達。因此，國內(nèi)外很多研究機構(gòu)和企業(yè)相繼在這方面做了大量工作并使許多方法得以開發(fā)和使用。其中，通過測定流動電位來計算其相應(yīng)的Zeta電位得到了最為廣泛的重視。目前，國內(nèi)大多采用的是利用電解質(zhì)溶液垂直透過膜產(chǎn)生流動電位，進而根據(jù)經(jīng)典的Helmholtz-Smoluchowski方程得到膜的Zeta電位。鑒于其制備簡單、操作方便所以得到了較為廣泛的使用。但令人遺憾的是，由它所給出的數(shù)據(jù)是膜皮層，過渡層和支撐層等方面的綜合信息，并且它也很大程度地受膜孔徑大小、孔徑分布以及孔形態(tài)的影響，故而很難真正準(zhǔn)確地反映膜表面電性能。另外，最新的研究結(jié)果也顯示當(dāng)電解質(zhì)溶液濃度很低或膜荷電較高時，膜表面電導(dǎo)和膜體電導(dǎo)的貢獻已不容忽略。
實用新型內(nèi)容本實用新型針對現(xiàn)有技術(shù)中的不足，開發(fā)、研制了一種結(jié)構(gòu)簡單、操作方便的電位測定儀，可以有效解決上述存在的問題。
本實用新型是通過下述技術(shù)方案得以實現(xiàn)的平流式膜表面電位測定儀，它是由壓力驅(qū)動裝置、電解質(zhì)溶液儲液槽5、平流式流動電位測試池6、恒定電流源10以及電流電壓測試模塊等部分構(gòu)成，其特征在于壓力驅(qū)動裝置通過出口將壓力范圍為0～1Mpa的N2通往電解質(zhì)溶液儲液槽5，電解質(zhì)溶液儲液槽5的出口與平流式流動電位測試池6的進口連接，平流式流動電位測試池6的出口與另一電解質(zhì)溶液儲液槽19連接，在兩個電解質(zhì)溶液儲液槽5、19內(nèi)分別放置兩個電極4、9，兩電極分別連接至恒電流源10的兩極，在平流式流動電位測試池6內(nèi)放置有電流電壓測試模塊，在電流電壓測試模塊的兩端放置有兩個電流電壓測試電極7。
上述的平流式膜表面電位測定儀，其特征在于所述的電解質(zhì)溶液儲液槽5內(nèi)放置有PH測試儀1、電導(dǎo)測試儀2、溫度計3。
上述的平流式膜表面電位測定儀，其特征在于所述的電流電壓測試模塊是由兩片完全相同的膜11、13與一聚四氟乙烯隔板12組成，隔板12中間加工有一個矩形凹槽14，凹槽14與位于隔板12兩側(cè)的膜片11、13共同構(gòu)成電解質(zhì)溶液的流動通道。
上述的平流式膜表面電位測定儀，其特征在于所述的隔板12的厚度為50微米～500微米，其間的矩形凹槽14長度為10厘米～50厘米，寬度為0.5厘米～5厘米。
上述的平流式膜表面電位測定儀，其特征在于所述的電流電壓測試電極7是甘汞電極或銀/氯化銀電極。
上述的平流式膜表面電位測定儀，其特征在于所述的電解質(zhì)溶液是氯化鉀溶液，濃度為10-5M～10-1M。
上述電位測定儀的理論原理是依據(jù)經(jīng)典的Gouy-Chapman-Stern-Grahame(GCSG)模型，當(dāng)膜與電解質(zhì)溶液接觸時，固液相界面呈現(xiàn)出與液相主體不同的電荷分布，如圖7所示。
膜表面18分布著一層解離的功能基團和從溶液中吸附而來的離子(主要是陰離子)，為了保持電中性，水合的反離子則相應(yīng)地吸附于其外側(cè)的擴散層16。于是，決定膜表面18動電學(xué)性能的雙電層17(EDL)在固液界面處得以形成。與不可移動的雙電層17內(nèi)部電荷不同的是，位于雙電層外部滑動面(shear plane)上的反離子在壓力驅(qū)動下發(fā)生移動，并在低壓側(cè)得以積累，于是形成了一個電流方向與主體溶液電流方向相反的電場。當(dāng)正反兩向電流趨于平衡時，就得到了該壓力差下的流動電位，進而根據(jù)經(jīng)典的H-S方程計算得到Zeta電位。
根據(jù)經(jīng)典的H-S方程由流動電位得到Zeta電位，即ξ=ESΔP·η·κϵr·ϵ0---(1)]]>其中，ES為流動電位，ΔP為壓力差，η為溶液粘度，κ為溶液電導(dǎo)，εr為相對介電常數(shù)，ε0為真空介電常數(shù)。
Staude等在針對不同羧基取代度的聚砜超濾膜表面電性能研究的過程中發(fā)現(xiàn)，當(dāng)電解質(zhì)溶液濃度很低或膜表面荷電較高時，膜表面電導(dǎo)的貢獻已不可忽略，于是根據(jù)流動電位計算Zeta電位則必須采用考慮膜表面電導(dǎo)的H-S方程變體，即ξ=ESΔP·ηϵr·ϵ0·(κ+2·λsr)---(2a)]]>其中，λs為膜表面電導(dǎo)，r為毛細(xì)管半徑。
根據(jù)Briggs和Fairbrother和Mastin的工作，方程(2a)中的電導(dǎo)項可由下式計算κ+2·λsr=κh·RhR---(2b)]]>其中，Rh為濃電解質(zhì)溶液(0.1MKCl)充滿測試池時流道的電阻，kh為該濃電解質(zhì)溶液(0.1MKCl)的電導(dǎo)，R為測量用電解質(zhì)溶液(0.001MKCl)充滿測試池時流道的電阻。
最近，Yaroshchuk和Ribitsch在他們的實驗工作中發(fā)現(xiàn)材料本體電導(dǎo)對膜表面Zeta電位的影響也是不可忽略的，并推導(dǎo)出相應(yīng)Zeta電位計算方程。并且，F(xiàn)ievet等[16]在隨后的實驗中又加以了驗證和探索，即ξ=ESΔP·κtηϵr·ϵ0·Lh·D---(4)]]>其中，L為流道長，h為流道高，D為流道寬，Kt為總電導(dǎo)(包括膜體電導(dǎo)，膜表面電導(dǎo)和電解質(zhì)溶液電導(dǎo))。
本實用新型的內(nèi)容就是依據(jù)上述原理設(shè)計、制作而成的。
本實用新型的有益效果是可以較好地測定膜表面的電位差，數(shù)值精確、可靠，而且操作簡單，可以適用于各種不同孔徑的膜表面電位測定。


圖1電位測定儀部件連接結(jié)構(gòu)示意圖圖2流動電位測試池內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖圖3聚醚砜超濾膜表面在不同pH環(huán)境中呈現(xiàn)出的電性能圖4四種不同膜樣品在不同的pH環(huán)境中根據(jù)H-S方程得出的電性能圖5四種不同膜樣品在不同的pH環(huán)境中引入表面電導(dǎo)項的經(jīng)典H-S方程(2a)變體得出的電性能圖6四種不同膜樣品在不同的pH環(huán)境中根據(jù)H-S方程變體(4)得出的電性能圖7膜表面電荷運動示意圖1、PH測試儀 2、電導(dǎo)測試儀 3、溫度計 4、鉑電極 5、電解質(zhì)溶液貯液槽 6、流動電位測試池 7、電流電壓測試電極 8、萬用表 9、鉑電極 10、恒電流源 11、膜 12、聚四氟乙烯隔板 13、膜(與11一樣的膜) 14、隔板凹槽 15、膜片開孔 16、擴散層 17、固定層(雙電層) 18、膜表面19、電解質(zhì)溶液貯液槽具體實施方式
實施實例1利用本儀器測定聚醚砜超濾膜表面在不同pH環(huán)境中呈現(xiàn)出的電性能。該高分子超濾膜是由20％酚酞型聚醚砜與80％二甲基甲酰胺配制的鑄膜液以純水為凝膠浴通過經(jīng)典的沉浸相轉(zhuǎn)化法制備而得。下圖3為測得結(jié)果用四種不同的膜樣品，在不同pH值下根據(jù)經(jīng)典H-S方程計算得到的表面Zeta電位。可以得出如下圖4。
從圖中可以看出，膜M0表面盡管無可解離的功能基團，但是由于在電解質(zhì)溶液中離子的選擇性吸附，故而在不同的pH環(huán)境中呈現(xiàn)出不同的電性能。也就是說，在電解質(zhì)溶液中，由于陽離子較容易水合故其自身體積相對龐大，所以較難吸附于高分子膜表面。相反的，陰離子的水合能力一般是較弱的，于是相對較小的空間體積使其更容易接近膜表面，從而使得膜表面呈現(xiàn)出一定的負(fù)電性。
對于表面具有可解離功能基團的膜樣品M5，M10，M20來說，顯示它們在較小的pH值下?lián)碛懈鼮轱@著的電性能(|ζ|較大)。這可能是因為在較低的pH環(huán)境中功能基團的解離受到一定程度的抑制，使得膜表面及膜體的導(dǎo)電能力相對較弱，進而導(dǎo)致在測試池兩端產(chǎn)生的反向流動電流較小，于是使得兩端正反向電流平衡后所測得的流動電位較大，更接近膜表面電位的真實值。然而，隨著pH值增大，功能基團的解離會更加徹底，繼而膜表面及膜體的導(dǎo)電能力增強，測試池兩端產(chǎn)生的反向流動電流變大，也就使得兩端正反向電流平衡后所測得的流動電位相對真實值偏小。
另外，從圖中可以看到荷電高分子含量較高的膜表面反而具有相對較低的Zeta電位。Jacobasch等在研究不同磺化度的聚醚砜膜時也觀察到了類似的現(xiàn)象。他們認(rèn)為隨著磺化度的增大，膜表面親水性增強，使得膜表面溶脹趨勢愈發(fā)明顯，從而導(dǎo)致產(chǎn)生Zeta電位的剝離層向主體溶液中延伸，于是測得的Zeta電位值偏小。
上述四種不同的膜，在不同pH值下根據(jù)引入表面電導(dǎo)項的經(jīng)典H-S方程變體計算得到的表面Zeta電位。如下圖5。
此圖與利用利用經(jīng)典H-S方程計算得到的圖形比較來看，方程(2a)得到的Zeta電位值明顯大于利用方程(1)得到的計算值(尤其在較高pH值下)。這是因為pH值增大有利于功能基團的解離，于是膜表面電導(dǎo)的影響會愈加顯著。由于方程(2a)引入了表面電導(dǎo)項，故而由其計算得到的膜表面Zeta電位值會更加接近真實值。也就是說，方程(1)由于表面電導(dǎo)的忽略有可能低估膜表面Zeta電位值。
上述四種不同的膜，在不同的pH值下根據(jù)方程(4)計算得到的表面Zeta電位，如下圖6。
可以看出根據(jù)方程(4)得到的膜表面Zeta電位明顯大于方程(1)和方程(2a)的計算值，也就是說膜體電導(dǎo)對膜表面Zeta電位的測定影響是不容忽略的。另外，從測定的數(shù)據(jù)對比中可以看出在本測試系統(tǒng)中引入恒電流測定膜總電導(dǎo)的方法簡單有效，同時也使得本測試系統(tǒng)在分離膜表面電性能測定領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用前景。
權(quán)利要求1.平流式膜表面電位測定儀，它是由壓力驅(qū)動裝置、電解質(zhì)溶液儲液槽(5)、平流式流動電位測試池(6)、恒定電流源(10)以及電流電壓測試模塊構(gòu)成，其特征在于壓力驅(qū)動裝置通過出口將壓力范圍為0～1Mpa的N2通往電解質(zhì)溶液儲液槽(5)，電解質(zhì)溶液儲液槽(5)的出口與平流式流動電位測試池(6)的進口連接，平流式流動電位測試池(6)的出口與另一電解質(zhì)溶液儲液槽(19)連接，在兩個電解質(zhì)溶液儲液槽(5、19)內(nèi)分別放置兩個電極(4、9)，兩電極分別連接至恒電流源(10)的兩極，在平流式流動電位測試池(6)內(nèi)放置有電流電壓測試模塊，在電流電壓測試模塊的兩端放置有兩個電流電壓測試電極(7)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的平流式膜表面電位測定儀，其特征在于所述的電解質(zhì)溶液儲液槽(5)內(nèi)放置有PH測試儀(1)、電導(dǎo)測試儀(2)、溫度計(3)。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的平流式膜表面電位測定儀，其特征在于所述的電流電壓測試模塊是由兩片完全相同的膜(11、13)與一聚四氟乙烯隔板(12)組成，隔板(12)中間加工有一個矩形凹槽(14)，凹槽(14)與位于隔板(12)兩側(cè)的膜片(11、13)共同構(gòu)成電解質(zhì)溶液的流動通道。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的平流式膜表面電位測定儀，其特征在于所述的隔板(12)的厚度為50微米～500微米，其間的矩形凹槽(14)長度為10厘米～50厘米，寬度為0.5厘米～5厘米。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的平流式膜表面電位測定儀，其特征在于所述的電流電壓測試電極(7)是甘汞電極或銀/氯化銀電極。
專利摘要本實用新型公布了一種平流式膜表面電位測定儀，它主要是由壓力驅(qū)動裝置、電解質(zhì)溶液儲液槽、平流式流動電位測試池、恒定電流源以及電流電壓測試模塊等部分構(gòu)成，其中對于電解質(zhì)溶液儲液槽內(nèi)放置有測定溶液的多個探頭，電流電壓測試模塊是由兩片一樣的膜與一隔板組合而成。本實用新型可以把電解液流過膜表面時發(fā)生的多個變量予以測定，再通過通用的計算公式計算可得膜表面的電位差，數(shù)值可靠、精確。在膜表面所形成的電位差直接影響到膜的功效，及時了解、掌握膜表面的變化對于改進、提高膜的性能有重要作用。
文檔編號G01R15/00GK2898842SQ20062010119
公開日2007年5月9日 申請日期2006年2月24日 優(yōu)先權(quán)日2006年2月24日
發(fā)明者吳禮光 申請人:國家海洋局杭州水處理技術(shù)研究開發(fā)中心