CN101995430A - 一种离子跨膜迁移数跟踪检测装置及检测方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种离子跨膜迁移数跟踪检测装置及检测方法。所述装置包括贮液池、盖板、电极和大、小隔板等组件，各组件的相互连接关系为：盖板、贮液池自上而下通过卡位连接，钛电极通过插槽固定于贮液池池壁，银/氯化银电极固定于盖板左右中心，隔板与贮液池隔板通过螺母连接。本发明可以用于研究薄膜对于离子迁移的影响以及薄膜的离子选择性，凡膜状物均可通过本装置测定薄膜的离子传输性能，且可施加外电场，装置操作简单，造价低廉，综合功能强大。

Description

一种离子跨膜迁移数跟踪检测装置及检测方法

技术领域

本发明属于电化学电解质溶液技术领域，具体涉及一种测定离子迁移数、膜电位、电导率的装置及测定方法。

背景技术

在化学及电化学领域中，以简便可靠的测试手段测定电解质溶液中的离子迁移数、溶液电导率、电动势是大学物理化学重要的实验操作，对研究电解质溶液、电极过程动力学、化学电源、电解电镀过程以及生物化学反应等都具有重要作用。

目前主要的测定离子迁移数方法有：希托夫法、界面移动法、电动势法。希托夫法是常用、传统的测定离子迁移数方法，但需要加入金属库仑计来测量电解过程中通过被测电解质溶液的总电量，其操作复杂，容易产生误差。采用界面移动法测定时，观察的溶液界面容易模糊，导致迁移体积测量不准，使得迁移数测量不准确；另外，通电后由于作用产物层的形成，使电阻加大，电流会渐渐变小，难以精确控制电流大小不变。电动势法的计算公式比较复杂，需要具体情况具体分析。更重要的是，利用以上三种方法难于完成离子跨膜迁移数的测定。

目前仍未有一种简单、准确、综合性强的测定溶液体系中离子跨膜迁移数的方法及其装置。

发明内容

本发明的目的在于克服现有电解质溶液中的离子迁移数、溶液电导率、电动势测定技术的不足，提供一种新的装置，可用于可测定膜两侧溶液电导率、膜电位、并通过相关换算得到离子跨膜迁移数，且可测定在外加电场的影响下的离子跨膜迁移数，研究薄膜的传输性能。同时，还可将测定溶液电导率、电动势、离子迁移数三个大学物理化学重要的实验操作结合于一体，具有很强的综合性。

本发明的另一个目的是提供应用上述装置进行离子迁移数、溶液电导率、电动势测定的方法。

本发明的目的通过以下技术方案予以实现：

提供一种离子跨膜迁移数跟踪检测装置，包括贮液池、盖板、电极以及大、小隔板；

所述贮液池为长方体、圆柱体或者其他形状的容器；所述盖板设置于贮液池上，可采用螺栓固定连接或卡位固定连接等方式与贮液池连接。

大隔板设置于贮液池内，将所述贮液池分隔为左右对称两部分，相应地，盖板结构也左右对称。大隔板中心设有通孔，通孔的形状尺寸不做严格限定，但优选圆形的孔。

所述小隔板固定于大隔板一侧，小隔板中间位置设置有与大隔板通孔相适配的通孔，优选两隔板上大小形状相同的通孔，使用时在小隔板通孔中放置膜，用防水圈密封和固定膜后，两个隔板夹住薄膜和防水圈，所述防水圈用于固定膜且隔绝左右两贮液室溶液直接相通，膜两边的溶液中离子只能通过薄膜迁移。所述小隔板可通过螺母固定于贮液池中间大隔板上，大、小隔板厚度不做严格限定，隔板尺寸大小应保证隔断左右两贮液室的溶液。

所述膜可选用现有的各种选择性和非选择性薄膜，优选合成膜和天然膜等薄膜。目前，所述选择性和非选择性薄膜已被广泛应用在生物、化学、材料、医学等领域，具有物质分离、离子交换和固体电解质等功能。然而，应用薄膜进行离子跨膜迁移数跟踪检测的设计尚未见到技术报道。

所述电极包括一对钛电极和一对银/氯化银电极，本领域技术人员根据具体情况，也可以选择汞/氯化亚汞等电极代替银/氯化银电极。所述钛电极固定于贮液池左右两边池壁，优选钛电极形状为长方体薄片，在左右两边池壁上分别设置相应的插槽，钛电极分别固定于插槽中；

两个银/氯化银电极的一端分别固定于盖板中心附近两侧，另一端分别伸入隔板两侧极室中，银/氯化银电极的外形没有严格要求，优选细长的圆锥体，电极尖端与隔板上设置的膜于同一水平线上。

本发明中，盖板、贮液池、隔板、钛电极之间的连接均可采用螺栓固定连接或卡位固定连接，也可以采用本领域其他常规连接方式。

优选地，盖板、贮液池和隔板均采用透明材料制作，例如有机玻璃等。

本发明同时提供一种离子跨膜迁移数跟踪检测方法，包括以下步骤：

(1)构建上述离子跨膜迁移数跟踪检测装置；

(2)将薄膜放于小隔板通孔中，盖上防水圈，将小隔板固定于贮液池中间大隔板上，使薄膜处于两个隔板中间；

(3)在贮液池左右两贮液室各加入浸没薄膜的电解液；测定电解液电导率；

(4)盖上盖板，将电导率仪电极插入电导率仪电极插槽；

(5)将两个银/氯化银电极与电动势测定装置连接；

(6)将钛电极与外电场两极连接；

(7)测定并计算。

利用已测得的溶液电导率，根据电导率与浓度的关系换算得到两贮液室溶液浓度变化；由已测得溶液浓度、膜电位，由能斯特方程换算即可得到离子迁移数。

与现有技术相比，本发明具有如下的优点：

1、本发明可应用于研究薄膜的离子选择性能，包括合成膜和天然膜等薄膜都可利用本装置进行相关性质的研究，具有广泛的应用前景。

2、本发明通过测定两贮液室溶液的电导率，通过换算得到溶液的浓度，避免了现有技术滴定过程中产生误差，同时能够直观反映两贮液室浓度变化。

3、本发明施加外电场，成功实现外加电场对于离子跨膜迁移的影响的研究。

4、本发明制作装置材料主要为有机玻璃、钛片、银丝、铜丝，装置体积较小，成本低，测定时消耗溶液较少，节约能源。

5、本方法及装置结合了几种化学中常用的测定操作，如电导率仪的使用、开路电位的测定等，具有较强多功能综合利用的特性。

附图说明

图1本发明装置外观结构图

图2本发明装置透视图

图3本发明贮液池的结构示意图

图4本发明盖板的结构示意图

图5本发明电极的结构示意图

图6本发明隔板的结构示意图

图7本发明室温下KCl溶液电导率随浓度变化的标定曲线

图8本发明实施例2中KCl溶液离子跨鸡蛋膜迁移时间与两贮液室电导率的关系曲线

图9本发明实施例2中KCl溶液离子跨鸡蛋膜迁移时间与膜电位的关系曲线

图10本发明实施例2中KCl溶液离子跨鸡蛋膜迁移时间与阳离子迁移数的关系曲线

图11本发明实施例3中KCl溶液离子跨聚乙烯膜迁移时间与两极室电导率的关系曲线

图12本发明实施例3中KCl溶液离子跨聚乙烯膜迁移时间与膜电位的关系曲线

图13本发明实施例3中KCl溶液离子跨聚乙烯膜迁移时间与阳离子迁移数的关系曲线

具体实施方式

下面结合具体实施例进一步详细说明本发明。根据本发明设计思想，同类物质的简单替代以及尺寸形状的变化，例如改变本发明的外观形状(如改为圆柱体或其它形状)，改变银/氯化银电极为汞/氯化亚汞等电极，改变电极外观，改变盖板、电极和贮液池的固定连接方式等均应属于本发明的范围。下述实施例中所使用的试验方法如无特殊说明，均为本技术领域现有的常规方法；所使用的材料、试剂等，如无特殊说明，均为可从商业途径得到的试剂和材料。

实施例1离子跨膜迁移数跟踪检测装置的构建

如附图1～6所示，1为贮液池，2为盖板，3为钛电极，4为银/氯化银电极，5为电导率仪电极插槽，6为大隔板，7为螺母，8为防水圈，9为小隔板，10为钛电极插槽。

本发明由贮液池1、盖板2、钛电极3、银/氯化银电极4、电导率仪电极插槽5、隔板6、螺母7、防水圈8共同连接构成。各组件的相互连接关系为：贮液池1中间设有一大隔板6，大隔板6将贮液池1分隔为左右对称的贮液室，大隔板6中心有一通孔，贮液池1左右两边池壁设有钛电极3的插槽10；优选地，本实施例在小隔板圆形孔的两边设置两个对称的螺丝孔，小隔板9通过螺母7在螺丝孔处固定于贮液池中间大隔板6上。

本实施例盖板2的形状为长方体，结构左右对称，两个银/氯化银电极4固定于盖板中心附近两侧，左右两边各设有两个电导率仪电极插槽5，盖板2左右上边缘各有一个细长的长方形导槽，与贮液池1左右两边池壁设有钛电极3的插槽10对应，方便钛电极3接通外部电路。

小隔板9中间设有一圆形孔洞，在圆形孔洞中放上膜后用防水圈8盖上，再将小隔板9固定于大隔板6上，使薄膜处于两个隔板中间；防水圈8用于固定薄膜且隔绝左右贮液室，避免两贮液室溶液直接相通。

各组件的相互连接关系为：盖板、贮液池自上而下连接；小隔板与贮液池大隔板通过螺母连接。

钛电极3形状为长方体薄片，通过插槽10固定于贴近贮液池左右池壁中部，银/氯化银电极4形状为一细长的圆锥体，固定于盖板2，电极尖端与薄膜于同一水平线上。

实施例2应用本发明装置进行KCl溶液中阳离子跨鸡蛋膜的离子迁移数的测定

操作步骤如下：

(1)构建实施例1所述离子跨膜迁移数跟踪检测装置；

(2)将膜放于小隔板中间凹槽上，盖上防水圈，并用螺母将隔板固定于贮液池中间大隔板上，使薄膜处于两个隔板中间；

(3)在贮液池左右两贮液室各加入浸没鸡蛋膜的KCl溶液；测定溶液电导率；

(4)盖上盖板，将电导率仪电极插入电导率仪电极插槽；

(5)将两个银/氯化银电极与电动势测定装置连接；

(6)将钛电极与外电场两极连接；

(7)测定并计算。

具体地操作是：

分别测定室温下0.01mmol/L、0.05mmol/L、0.1mmol/L、0.5mmol/L、1mmol/L、5mmol/L和10mmol/L KCl溶液的电导率，绘制浓度-电导率关系曲线，见附图7所示，并用origin绘图软件拟合获得室温下KCl溶液浓度-电导率关系式；

所述关系式为：Y＝7.365+141.2X

将取自新鲜鸡蛋附在蛋壳上的膜固定于装置中，在左右贮液室分别加入0.01mmol/L和10mmol/L的KCl溶液60mL，并将电导率仪、电动势测定装置和外加电场电极。本实施例采用的电导率仪型号为DDS-11A及DDS 307，电动势用上海辰华仪器有限公司CHI620D电化学工作站测定开路电位，电极是采用常规的银/氯化银电极和钛电极，外加电场使用恒电流仪。将上述装置与本发明装置连接，分别测定无外加电场、10μA恒流外加电场、-10μA恒流外加电场作用下KCl溶液中阳离子跨鸡蛋膜的离子迁移数；

依据测得的电导率、离子迁移数等数据，绘制两贮液室电导率的变化曲线。附图8为0.01mmol/L(a图)和10mmol/L(b图)KCl溶液的离子跨鸡蛋膜迁移时间与两极室电导率的关系曲线。其中，曲线1为无外加电场时两贮液室电导率随时间变化曲线；曲线2为10μA恒电流(0.01mmol/L KCl室接负极，10mmol/L KCl室接正极)作用下两极室电导率随时间变化曲线；曲线3为10μA恒电流(0.01mmol/L KCl室接正极，10mmol/L室接负极)作用下两贮液室电导率随时间变化曲线；

绘制膜电位随时间变化曲线。附图9为0.01mmol/L和10mmol/LKCl溶液离子跨鸡蛋膜迁移时间与膜电位的关系曲线。其中，曲线1为无外加电场时膜电位随时间变化曲线；曲线2为10μA恒电流(0.01mmol/L KCl室接负极，10mmol/L KCl室接正极)作用下膜电位随时间变化曲线；曲线3为10μA恒电流(0.01mmol/L KCl室接正极，10mmol/L KCl室接负极)作用下膜电位随变化曲线；

通过换算得到阳离子跨鸡蛋膜迁移数随时间变化曲线。附图10为0.01mmol/L和10mmol/L KCl溶液离子跨鸡蛋膜迁移时间与阳离子迁移数的关系曲线。其中，曲线1为无外加电场时阳离子迁移数随时间变化曲线，曲线2为10μA恒电流(0.01mmol/L KCl室接负极，10.0mmol/L KCl室接正极)作用下阳离子迁移数随时间变化曲线，曲线3为10μA恒电流(0.01mmol/L KCl室接正极，10mmol/L极室接负极)作用下阳离子迁移数随时间变化曲线。

实施例3应用本装置进行KCl溶液中阳离子跨聚乙烯膜的离子迁移数的测定

将聚乙烯膜固定于装置中，在左右贮液室分别加入60mL 0.01mmol/L和10mmol/L的KCl溶液，并将电导率仪、电动势测定装置和外加电场电极与装置连接，分别测定无外加电场、10μA恒流外加电场、-10μA恒流外加电场作用下氯化钾溶液中阳离子跨聚乙烯膜的离子迁移数；

依据测得的数据，绘制两贮液室电导率的变化曲线。附图11为0.01mmol/L(a图)和10mmol/L(b图)KCl溶液的离子跨聚乙烯膜迁移时间与两极室电导率的关系曲线。其中，曲线1为无外加电场时两贮液室电导率随时间变化曲线；曲线2为10μA恒电流(0.01mmol/L KCl室接负极，10mmol/L KCl室接正极)作用下两贮液室电导率随时间变化曲线；曲线3为10μA恒电流(0.01mmol/L KCl室接正极，10mmol/L室接负极)作用下两贮液室电导率随时间变化曲线；

绘制膜电位随时间变化曲线。附图12为0.01mmol/L和10mmol/LKCl溶液离子跨聚乙烯膜迁移时间与膜电位的关系曲线。其中，曲线1为无外加电场时膜电位随时间变化曲线；曲线2为10μA恒电流(0.01mmol/L KCl室接负极，10mmol/L KCl室接正极)作用下膜电位随时间变化曲线；曲线3为10μA恒电流(0.01mmol/L KCl室接正极，10mmol/L KCl室接负极)作用下膜电位随时间变化曲线；

通过换算得到阳离子跨聚乙烯膜迁移数随时间变化曲线。附图13为0.01mmol/L和10mmol/L KCl溶液离子跨聚乙烯膜迁移时间与阳离子迁移数的关系曲线。其中，曲线1为无外加电场时阳离子迁移数随时间变化曲线，曲线2为10μA恒电流(0.01mmol/L KCl室接负极，10.0mmol/L KCl室接正极)作用下阳离子迁移数随时间变化曲线，曲线3为10μA恒电流(0.01mmol/L KCl室接正极，10mmol/L极室接负极)作用下阳离子迁移数随时间变化曲线。

Claims (7)

1.一种离子跨膜迁移数跟踪检测装置，其特征在于包括贮液池、盖板、电极和大、小隔板；

所述盖板设置于贮液池上；

所述大隔板设置于贮液池内，将所述贮液池分隔为左右对称两部分；所述大、小隔板中心都设有相适配的通孔；所述小隔板的通孔中放置有薄膜，并用防水圈固定和密封；所述小隔板可通过螺母固定于大隔板一侧并保证将膜和防水圈夹在两个隔板中间；

所述电极包括一对钛电极和一对银/氯化银电极或汞/氯化亚汞，所述钛电极固定于贮液池左右两边池壁；所述银/氯化银电极或汞/氯化亚汞的一端分别伸入两极室溶液中，伸入极室溶液中的顶端与小隔板上设置的膜处于同一水平线上。

2.根据权利要求1所述离子跨膜迁移数跟踪检测装置，其特征在于所述薄膜为合成膜或天然膜。

3.根据权利要求1所述离子跨膜迁移数跟踪检测装置，其特征在于所述贮液池左右两边池壁上分别设置插槽，钛电极固定于插槽中。

4.根据权利要求1所述离子跨膜迁移数跟踪检测装置，其特征在于所述盖板、贮液池、隔板、钛电极之间的连接采用螺栓固定连接或卡位固定连接。

5.根据权利要求1所述离子跨膜迁移数跟踪检测装置，其特征在于所述盖板、贮液池或隔板采用透明材料制作。

6.一种离子跨膜迁移数跟踪检测方法，其特征在于包括以下步骤：

(1)构建权利要求1～5任一项的离子跨膜迁移数跟踪检测装置；

(2)将薄膜放于小隔板通孔中，盖上防水圈，将小隔板固定于贮液池中间大隔板上，使薄膜处在两个隔板中间；

(3)在贮液池左右两贮液室各加入浸没薄膜的电解液；测定电解液的电导率；

(4)盖上盖板，将电导率仪电极插入电导率仪电极插槽；

(5)将两个银/氯化银电极与电动势测定装置连接；

(6)将钛电极与外电场两极连接；

(7)测定并计算。

7.权利要求1所述离子跨膜迁移数跟踪检测装置在电解质溶液的离子迁移数、溶液电导率或电动势测定方面的应用。

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