專利名稱：一種離子跨膜遷移數(shù)跟蹤檢測裝置及檢測方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于電化學(xué)電解質(zhì)溶液技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種測定離子遷移數(shù)、膜電位、 電導(dǎo)率的裝置及測定方法。
背景技術(shù)：
在化學(xué)及電化學(xué)領(lǐng)域中，以簡便可靠的測試手段測定電解質(zhì)溶液中的離子遷移 數(shù)、溶液電導(dǎo)率、電動勢是大學(xué)物理化學(xué)重要的實(shí)驗(yàn)操作，對研究電解質(zhì)溶液、電極過程動 力學(xué)、化學(xué)電源、電解電鍍過程以及生物化學(xué)反應(yīng)等都具有重要作用。目前主要的測定離子遷移數(shù)方法有希托夫法、界面移動法、電動勢法。希托夫法 是常用、傳統(tǒng)的測定離子遷移數(shù)方法，但需要加入金屬庫侖計(jì)來測量電解過程中通過被測 電解質(zhì)溶液的總電量，其操作復(fù)雜，容易產(chǎn)生誤差。采用界面移動法測定時，觀察的溶液界 面容易模糊，導(dǎo)致遷移體積測量不準(zhǔn)，使得遷移數(shù)測量不準(zhǔn)確；另外，通電后由于作用產(chǎn)物 層的形成，使電阻加大，電流會漸漸變小，難以精確控制電流大小不變。電動勢法的計(jì)算公 式比較復(fù)雜，需要具體情況具體分析。更重要的是，利用以上三種方法難于完成離子跨膜遷 移數(shù)的測定。目前仍未有一種簡單、準(zhǔn)確、綜合性強(qiáng)的測定溶液體系中離子跨膜遷移數(shù)的方法 及其裝置。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于克服現(xiàn)有電解質(zhì)溶液中的離子遷移數(shù)、溶液電導(dǎo)率、電動勢測 定技術(shù)的不足，提供一種新的裝置，可用于可測定膜兩側(cè)溶液電導(dǎo)率、膜電位、并通過相關(guān) 換算得到離子跨膜遷移數(shù)，且可測定在外加電場的影響下的離子跨膜遷移數(shù)，研究薄膜的 傳輸性能。同時，還可將測定溶液電導(dǎo)率、電動勢、離子遷移數(shù)三個大學(xué)物理化學(xué)重要的實(shí) 驗(yàn)操作結(jié)合于一體，具有很強(qiáng)的綜合性。本發(fā)明的另一個目的是提供應(yīng)用上述裝置進(jìn)行離子遷移數(shù)、溶液電導(dǎo)率、電動勢 測定的方法。本發(fā)明的目的通過以下技術(shù)方案予以實(shí)現(xiàn)提供一種離子跨膜遷移數(shù)跟蹤檢測裝置，包括貯液池、蓋板、電極以及大、小隔 板；所述貯液池為長方體、圓柱體或者其他形狀的容器；所述蓋板設(shè)置于貯液池上，可 采用螺栓固定連接或卡位固定連接等方式與貯液池連接。大隔板設(shè)置于貯液池內(nèi)，將所述貯液池分隔為左右對稱兩部分，相應(yīng)地，蓋板結(jié)構(gòu) 也左右對稱。大隔板中心設(shè)有通孔，通孔的形狀尺寸不做嚴(yán)格限定，但優(yōu)選圓形的孔。所述小隔板固定于大隔板一側(cè)，小隔板中間位置設(shè)置有與大隔板通孔相適配的通 孔，優(yōu)選兩隔板上大小形狀相同的通孔，使用時在小隔板通孔中放置膜，用防水圈密封和固 定膜后，兩個隔板夾住薄膜和防水圈，所述防水圈用于固定膜且隔絕左右兩貯液室溶液直接相通，膜兩邊的溶液中離子只能通過薄膜遷移。所述小隔板可通過螺母固定于貯液池中 間大隔板上，大、小隔板厚度不做嚴(yán)格限定，隔板尺寸大小應(yīng)保證隔斷左右兩貯液室的溶 液。所述膜可選用現(xiàn)有的各種選擇性和非選擇性薄膜，優(yōu)選合成膜和天然膜等薄膜。 目前，所述選擇性和非選擇性薄膜已被廣泛應(yīng)用在生物、化學(xué)、材料、醫(yī)學(xué)等領(lǐng)域，具有物質(zhì) 分離、離子交換和固體電解質(zhì)等功能。然而，應(yīng)用薄膜進(jìn)行離子跨膜遷移數(shù)跟蹤檢測的設(shè)計(jì) 尚未見到技術(shù)報道。所述電極包括一對鈦電極和一對銀/氯化銀電極，本領(lǐng)域技術(shù)人員根據(jù)具體情 況，也可以選擇汞/氯化亞汞等電極代替銀/氯化銀電極。所述鈦電極固定于貯液池左右 兩邊池壁，優(yōu)選鈦電極形狀為長方體薄片，在左右兩邊池壁上分別設(shè)置相應(yīng)的插槽，鈦電極 分別固定于插槽中；兩個銀/氯化銀電極的一端分別固定于蓋板中心附近兩側(cè)，另一端分別伸入隔板 兩側(cè)極室中，銀/氯化銀電極的外形沒有嚴(yán)格要求，優(yōu)選細(xì)長的圓錐體，電極尖端與隔板上 設(shè)置的膜于同一水平線上。本發(fā)明中，蓋板、貯液池、隔板、鈦電極之間的連接均可采用螺栓固定連接或卡位 固定連接，也可以采用本領(lǐng)域其他常規(guī)連接方式。優(yōu)選地，蓋板、貯液池和隔板均采用透明材料制作，例如有機(jī)玻璃等。本發(fā)明同時提供一種離子跨膜遷移數(shù)跟蹤檢測方法，包括以下步驟(1)構(gòu)建上述離子跨膜遷移數(shù)跟蹤檢測裝置；(2)將薄膜放于小隔板通孔中，蓋上防水圈，將小隔板固定于貯液池中間大隔板 上，使薄膜處于兩個隔板中間；(3)在貯液池左右兩貯液室各加入浸沒薄膜的電解液；測定電解液電導(dǎo)率；(4)蓋上蓋板，將電導(dǎo)率儀電極插入電導(dǎo)率儀電極插槽；(5)將兩個銀/氯化銀電極與電動勢測定裝置連接；(6)將鈦電極與外電場兩極連接；(7)測定并計(jì)算。利用已測得的溶液電導(dǎo)率，根據(jù)電導(dǎo)率與濃度的關(guān)系換算得到兩貯液室溶液濃度 變化；由已測得溶液濃度、膜電位，由能斯特方程換算即可得到離子遷移數(shù)。與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有如下的優(yōu)點(diǎn)1、本發(fā)明可應(yīng)用于研究薄膜的離子選擇性能，包括合成膜和天然膜等薄膜都可利 用本裝置進(jìn)行相關(guān)性質(zhì)的研究，具有廣泛的應(yīng)用前景。2、本發(fā)明通過測定兩貯液室溶液的電導(dǎo)率，通過換算得到溶液的濃度，避免了現(xiàn) 有技術(shù)滴定過程中產(chǎn)生誤差，同時能夠直觀反映兩貯液室濃度變化。3、本發(fā)明施加外電場，成功實(shí)現(xiàn)外加電場對于離子跨膜遷移的影響的研究。4、本發(fā)明制作裝置材料主要為有機(jī)玻璃、鈦片、銀絲、銅絲，裝置體積較小，成本 低，測定時消耗溶液較少，節(jié)約能源。5、本方法及裝置結(jié)合了幾種化學(xué)中常用的測定操作，如電導(dǎo)率儀的使用、開路電 位的測定等，具有較強(qiáng)多功能綜合利用的特性。


圖1本發(fā)明裝置外觀結(jié)構(gòu)2本發(fā)明裝置透視3本發(fā)明貯液池的結(jié)構(gòu)示意4本發(fā)明蓋板的結(jié)構(gòu)示意5本發(fā)明電極的結(jié)構(gòu)示意6本發(fā)明隔板的結(jié)構(gòu)示意7本發(fā)明室溫下KCl溶液電導(dǎo)率隨濃度變化的標(biāo)定曲線圖8本發(fā)明實(shí)施例2中KCl溶液離子跨雞蛋膜遷移時間與兩貯液室電導(dǎo)率的關(guān)系 曲線圖9本發(fā)明實(shí)施例2中KCl溶液離子跨雞蛋膜遷移時間與膜電位的關(guān)系曲線圖10本發(fā)明實(shí)施例2中KCl溶液離子跨雞蛋膜遷移時間與陽離子遷移數(shù)的關(guān)系 曲線圖11本發(fā)明實(shí)施例3中KCl溶液離子跨聚乙烯膜遷移時間與兩極室電導(dǎo)率的關(guān) 系曲線圖12本發(fā)明實(shí)施例3中KCl溶液離子跨聚乙烯膜遷移時間與膜電位的關(guān)系曲線圖13本發(fā)明實(shí)施例3中KCl溶液離子跨聚乙烯膜遷移時間與陽離子遷移數(shù)的關(guān) 系曲線
具體實(shí)施例方式下面結(jié)合具體實(shí)施例進(jìn)一步詳細(xì)說明本發(fā)明。根據(jù)本發(fā)明設(shè)計(jì)思想，同類物質(zhì)的 簡單替代以及尺寸形狀的變化，例如改變本發(fā)明的外觀形狀(如改為圓柱體或其它形狀)， 改變銀/氯化銀電極為汞/氯化亞汞等電極，改變電極外觀，改變蓋板、電極和貯液池的固 定連接方式等均應(yīng)屬于本發(fā)明的范圍。下述實(shí)施例中所使用的試驗(yàn)方法如無特殊說明，均 為本技術(shù)領(lǐng)域現(xiàn)有的常規(guī)方法；所使用的材料、試劑等，如無特殊說明，均為可從商業(yè)途徑 得到的試劑和材料。實(shí)施例1離子跨膜遷移數(shù)跟蹤檢測裝置的構(gòu)建如附圖1 6所示，1為貯液池，2為蓋板，3為鈦電極，4為銀/氯化銀電極，5為電 導(dǎo)率儀電極插槽，6為大隔板，7為螺母，8為防水圈，9為小隔板，10為鈦電極插槽。本發(fā)明由貯液池1、蓋板2、鈦電極3、銀/氯化銀電極4、電導(dǎo)率儀電極插槽5、隔板 6、螺母7、防水圈8共同連接構(gòu)成。各組件的相互連接關(guān)系為忙液池1中間設(shè)有一大隔板 6，大隔板6將貯液池1分隔為左右對稱的貯液室，大隔板6中心有一通孔，貯液池1左右兩 邊池壁設(shè)有鈦電極3的插槽10 ；優(yōu)選地，本實(shí)施例在小隔板圓形孔的兩邊設(shè)置兩個對稱的 螺絲孔，小隔板9通過螺母7在螺絲孔處固定于貯液池中間大隔板6上。本實(shí)施例蓋板2的形狀為長方體，結(jié)構(gòu)左右對稱，兩個銀/氯化銀電極4固定于蓋 板中心附近兩側(cè)，左右兩邊各設(shè)有兩個電導(dǎo)率儀電極插槽5，蓋板2左右上邊緣各有一個細(xì) 長的長方形導(dǎo)槽，與貯液池1左右兩邊池壁設(shè)有鈦電極3的插槽10對應(yīng)，方便鈦電極3接 通外部電路。小隔板9中間設(shè)有一圓形孔洞，在圓形孔洞中放上膜后用防水圈8蓋上，再將小隔板9固定于大隔板6上，使薄膜處于兩個隔板中間；防水圈8用于固定薄膜且隔絕左右貯液 室，避免兩貯液室溶液直接相通。各組件的相互連接關(guān)系為蓋板、貯液池自上而下連接；小隔板與貯液池大隔板 通過螺母連接。鈦電極3形狀為長方體薄片，通過插槽10固定于貼近貯液池左右池壁中部，銀/ 氯化銀電極4形狀為一細(xì)長的圓錐體，固定于蓋板2，電極尖端與薄膜于同一水平線上。實(shí)施例2應(yīng)用本發(fā)明裝置進(jìn)行KCl溶液中陽離子跨雞蛋膜的離子遷移數(shù)的測定操作步驟如下(1)構(gòu)建實(shí)施例1所述離子跨膜遷移數(shù)跟蹤檢測裝置；(2)將膜放于小隔板中間凹槽上，蓋上防水圈，并用螺母將隔板固定于貯液池中間 大隔板上，使薄膜處于兩個隔板中間；(3)在貯液池左右兩貯液室各加入浸沒雞蛋膜的KCl溶液；測定溶液電導(dǎo)率；(4)蓋上蓋板，將電導(dǎo)率儀電極插入電導(dǎo)率儀電極插槽；(5)將兩個銀/氯化銀電極與電動勢測定裝置連接；(6)將鈦電極與外電場兩極連接；(7)測定并計(jì)算。具體地操作是分另Ij測定室溫下 0. 01mmol/L、0. 05mmol/L、0. Immol/L、0. 5mmol/L、lmmol/L、 5mmol/L和lOmmol/L KCl溶液的電導(dǎo)率，繪制濃度-電導(dǎo)率關(guān)系曲線，見附圖7所示，并用 origin繪圖軟件擬合獲得室溫下KCl溶液濃度-電導(dǎo)率關(guān)系式；所述關(guān)系式為Y= 7. 365+141. 2Χ將取自新鮮雞蛋附在蛋殼上的膜固定于裝置中，在左右貯液室分別加入 0. Olmmol/L和lOmmol/L的KCl溶液60mL，并將電導(dǎo)率儀、電動勢測定裝置和外加電場電 極。本實(shí)施例采用的電導(dǎo)率儀型號為DDS-IIA及DDS 307，電動勢用上海辰華儀器有限公司 CHI620D電化學(xué)工作站測定開路電位，電極是采用常規(guī)的銀/氯化銀電極和鈦電極，外加電 場使用恒電流儀。將上述裝置與本發(fā)明裝置連接，分別測定無外加電場、10 μ A恒流外加電 場、-10 μ A恒流外加電場作用下KCl溶液中陽離子跨雞蛋膜的離子遷移數(shù)；依據(jù)測得的電導(dǎo)率、離子遷移數(shù)等數(shù)據(jù)，繪制兩貯液室電導(dǎo)率的變化曲線。附圖8 為0. 01mmol/L(a圖)和10mmol/L(b圖)KC1溶液的離子跨雞蛋膜遷移時間與兩極室電導(dǎo) 率的關(guān)系曲線。其中，曲線1為無外加電場時兩貯液室電導(dǎo)率隨時間變化曲線；曲線2為 10 μ A恒電流(0. Olmmol/L KCl室接負(fù)極，lOmmol/L KCl室接正極)作用下兩極室電導(dǎo)率 隨時間變化曲線；曲線3為10 μ A恒電流(0. Olmmol/L KCl室接正極，lOmmol/L室接負(fù)極) 作用下兩貯液室電導(dǎo)率隨時間變化曲線；繪制膜電位隨時間變化曲線。附圖9為0. Olmmol/L和10mmol/LKCl溶液離子跨 雞蛋膜遷移時間與膜電位的關(guān)系曲線。其中，曲線1為無外加電場時膜電位隨時間變化曲 線；曲線2為10 μ A恒電流(0. Olmmol/L KCl室接負(fù)極，10mmol/L KCl室接正極)作用下 膜電位隨時間變化曲線；曲線3為10 μ A恒電流(0. Olmmol/L KCl室接正極，lOmmol/L KCl 室接負(fù)極)作用下膜電位隨變化曲線；通過換算得到陽離子跨雞蛋膜遷移數(shù)隨時間變化曲線。附圖10為0. Olmmol/L和1Ommol/L KCl溶液離子跨雞蛋膜遷移時間與陽離子遷移數(shù)的關(guān)系曲線。其中，曲線1為無外加電場時陽離子遷移數(shù)隨時間變化曲線，曲線2為10 μ A恒電流(O.Olmmol/L KCl室接 負(fù)極，10. Ommol/L KCl室接正極)作用下陽離子遷移數(shù)隨時間變化曲線，曲線3為10 μ Afl 電流(O.Olmmol/L KCl室接正極，lOmmol/L極室接負(fù)極)作用下陽離子遷移數(shù)隨時間變化曲線。實(shí)施例3應(yīng)用本裝置進(jìn)行KCl溶液中陽離子跨聚乙烯膜的離子遷移數(shù)的測定將聚乙烯膜固定于裝置中，在左右貯液室分別加入60mL 0. 01mmol/L和lOmmol/L 的KCl溶液，并將電導(dǎo)率儀、電動勢測定裝置和外加電場電極與裝置連接，分別測定無外加 電場、10 μ A恒流外加電場、-10 μ A恒流外加電場作用下氯化鉀溶液中陽離子跨聚乙烯膜 的離子遷移數(shù)；依據(jù)測得的數(shù)據(jù)，繪制兩貯液室電導(dǎo)率的變化曲線。附圖11為0.01mmol/L(a 圖)和10mmol/L(b圖)KC1溶液的離子跨聚乙烯膜遷移時間與兩極室電導(dǎo)率的關(guān)系曲線。 其中，曲線1為無外加電場時兩貯液室電導(dǎo)率隨時間變化曲線；曲線2為10 μ A恒電流 (O.Olmmol/L KCl室接負(fù)極，lOmmol/L KCl室接正極)作用下兩貯液室電導(dǎo)率隨時間變化 曲線；曲線3為10 μ A恒電流(O.Olmmol/L KCl室接正極，lOmmol/L室接負(fù)極)作用下兩 貯液室電導(dǎo)率隨時間變化曲線；繪制膜電位隨時間變化曲線。附圖12為0. 01mmol/L和10mmol/LKCl溶液離子跨 聚乙烯膜遷移時間與膜電位的關(guān)系曲線。其中，曲線1為無外加電場時膜電位隨時間變化 曲線；曲線2為10 μ A恒電流(O.Olmmol/L KCl室接負(fù)極，lOmmol/L KCl室接正極)作用下 膜電位隨時間變化曲線；曲線3為10 μ A恒電流(O.Olmmol/L KCl室接正極，lOmmol/L KCl 室接負(fù)極)作用下膜電位隨時間變化曲線；通過換算得到陽離子跨聚乙烯膜遷移數(shù)隨時間變化曲線。附圖13為0. Olmmol/L 和lOmmol/L KCl溶液離子跨聚乙烯膜遷移時間與陽離子遷移數(shù)的關(guān)系曲線。其中，曲線1 為無外加電場時陽離子遷移數(shù)隨時間變化曲線，曲線2為10 μ A恒電流(O.Olmmol/L KCl室 接負(fù)極，10. 0mmol/L KCl室接正極)作用下陽離子遷移數(shù)隨時間變化曲線，曲線3為10 μ A 恒電流(O.Olmmol/L KCl室接正極，lOmmol/L極室接負(fù)極)作用下陽離子遷移數(shù)隨時間變 化曲線。
權(quán)利要求
一種離子跨膜遷移數(shù)跟蹤檢測裝置，其特征在于包括貯液池、蓋板、電極和大、小隔板；所述蓋板設(shè)置于貯液池上；所述大隔板設(shè)置于貯液池內(nèi)，將所述貯液池分隔為左右對稱兩部分；所述大、小隔板中心都設(shè)有相適配的通孔；所述小隔板的通孔中放置有薄膜，并用防水圈固定和密封；所述小隔板可通過螺母固定于大隔板一側(cè)并保證將膜和防水圈夾在兩個隔板中間；所述電極包括一對鈦電極和一對銀/氯化銀電極或汞/氯化亞汞，所述鈦電極固定于貯液池左右兩邊池壁；所述銀/氯化銀電極或汞/氯化亞汞的一端分別伸入兩極室溶液中，伸入極室溶液中的頂端與小隔板上設(shè)置的膜處于同一水平線上。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述離子跨膜遷移數(shù)跟蹤檢測裝置，其特征在于所述薄膜為合成膜 或天然膜。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述離子跨膜遷移數(shù)跟蹤檢測裝置，其特征在于所述貯液池左右兩 邊池壁上分別設(shè)置插槽，鈦電極固定于插槽中。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述離子跨膜遷移數(shù)跟蹤檢測裝置，其特征在于所述蓋板、貯液池、 隔板、鈦電極之間的連接采用螺栓固定連接或卡位固定連接。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述離子跨膜遷移數(shù)跟蹤檢測裝置，其特征在于所述蓋板、貯液池 或隔板采用透明材料制作。
6.一種離子跨膜遷移數(shù)跟蹤檢測方法，其特征在于包括以下步驟(1)構(gòu)建權(quán)利要求1 5任一項(xiàng)的離子跨膜遷移數(shù)跟蹤檢測裝置；(2)將薄膜放于小隔板通孔中，蓋上防水圈，將小隔板固定于貯液池中間大隔板上，使 薄膜處在兩個隔板中間；(3)在貯液池左右兩貯液室各加入浸沒薄膜的電解液；測定電解液的電導(dǎo)率；(4)蓋上蓋板，將電導(dǎo)率儀電極插入電導(dǎo)率儀電極插槽；(5)將兩個銀/氯化銀電極與電動勢測定裝置連接；(6)將鈦電極與外電場兩極連接；(7)測定并計(jì)算。
7.權(quán)利要求1所述離子跨膜遷移數(shù)跟蹤檢測裝置在電解質(zhì)溶液的離子遷移數(shù)、溶液電 導(dǎo)率或電動勢測定方面的應(yīng)用。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種離子跨膜遷移數(shù)跟蹤檢測裝置及檢測方法。所述裝置包括貯液池、蓋板、電極和大、小隔板等組件，各組件的相互連接關(guān)系為蓋板、貯液池自上而下通過卡位連接，鈦電極通過插槽固定于貯液池池壁，銀/氯化銀電極固定于蓋板左右中心，隔板與貯液池隔板通過螺母連接。本發(fā)明可以用于研究薄膜對于離子遷移的影響以及薄膜的離子選擇性，凡膜狀物均可通過本裝置測定薄膜的離子傳輸性能，且可施加外電場，裝置操作簡單，造價低廉，綜合功能強(qiáng)大。
文檔編號G01N27/06GK101995430SQ20101029225
公開日2011年3月30日 申請日期2010年9月21日 優(yōu)先權(quán)日2010年9月21日
發(fā)明者盧淳杰, 李紅, 許適當(dāng) 申請人:華南師范大學(xué)