一种扩散边界层厚度的测量方法

1.本发明属于电化学技术领域，具体涉及一种扩散边界层厚度的测量方法。


背景技术：

2.反电渗析法是利用盐差能发电的一种方法，一般的反电渗析系统由阴、阳离子交换膜，阴、阳电极，隔板、外部负载、浓溶液和稀溶液等组成，是一种通过控制混合的两种不同盐浓度水体来发电的技术。近几年国内外对反电渗析法进行了广泛的研究，主要目的是提高装置的功率密度。
3.扩散边界层的概念是在具有离子交换膜的系统中提出的。在膜-溶液系统中，由于离子交换膜选择透过阳离子或阴离子，导致膜内离子迁移数大于溶液中离子迁移数，从而导致膜附近溶液浓度变化，形成具有一定厚度的扩散边界层。在反电渗析发电过程中，扩散边界层等效为一个非欧姆电阻，它的存在会降低装置的功率。
4.对于扩散边界层厚度的研究主要集中于膜两侧电解质溶液为相同浓度的情况，通过施加一个电流信号产生扩散边界层，利用理论公式计算得出扩散边界层厚度。目前没有一种简单有效的方法能够描述有浓差情况下扩散边界层厚度的大小。


技术实现要素：

5.本发明的目的是提供一种扩散边界层厚度的测量方法，解决了现有技术中存在的有浓差情况下扩散边界层厚度的大小难以计算的问题。
6.本发明所采用的技术方案是，一种扩散边界层厚度的测量方法，其特征在于，具体按照以下步骤实施：
7.步骤1、配置两种不同浓度的电解质溶液；
8.步骤2、将所述步骤1配置的两种不同浓度的电解质溶液分别注入扩散边界层厚度的测量装置的两个水槽中，运行一段时间；
9.步骤3、等待液面稳定后，利用扩散边界层厚度的测量装置的位移平台将指示电极每次平移固定距离，利用计算机中labview软件记录每个位置处的电压数据；
10.步骤4、利用计算机中excle软件计算电压的平均值，利用origin绘制电压随位移的变化曲线；
11.步骤5、观察曲线变化趋势，取电势差由非零变为零处到膜的距离作为扩散边界层厚度。
12.本发明的特点还在于，
13.步骤1中两种不同浓度的电解质溶液为任意比例的nacl溶液，使用的配水为去离子水。
14.扩散边界层厚度的测量装置具体结构为：包括两个并列放置的水槽，水槽中装有电解液，两个水槽相邻的一侧内壁均设置有离子交换膜，其中一个水槽中放置有指示电极和固定电极，指示电极和固定电极均与数字万用表连接，数字万用表与计算机连接。
15.两个水槽之间加装有硅胶垫片。
16.指示电极和固定电极均为微电极，指示电极通过固定支架固定在位移平台上，固定电极通过固定支架放置在水平面，保持装置水平稳定。
17.指示电极和固定电极均由玻璃毛细管拉制而成，玻璃毛细管内部插入柱状ag/agcl电极丝作为内电极，内部通入kcl填充液。
18.玻璃毛细管内径为0.4mm-0.8mm，玻璃毛细管与待测溶液接触的一端拉制成尖针状，ag/agcl电极丝直径为0.3mm-0.5mm，kcl填充液为饱和kcl溶液。
19.固定电极距离离子交换膜的距离为500um-800um。
20.步骤2中运行时间为30s-60s，指示电极初始位置紧贴离子交换膜表面，并与固定电极处于同一深度，位移平台每次平移移动10μm-50um。
21.步骤3中每个位置处记录数据时间为30s-50s。
22.本发明的有益效果是，将离子交换膜两侧加装硅胶垫片后夹在两个水槽中间，然后在两个水槽中注入不同浓度的电解质溶液，构成一个简单的反电渗析装置。在反电渗析过程中，溶液浓度差驱动离子由浓室向淡室移动，由于离子交换膜选择透过阳离子或阴离子，导致膜内离子迁移数大于溶液中离子迁移数，从而导致膜附近溶液浓度变化，形成扩散边界层。因此，在扩散边界层以外，离子浓度在各处几乎相等，在扩散边界层内，离子浓度不断变化。据此，在溶液一侧内放置固定电极和指示电极，采用位移平台缓慢平移指示电极，数字万用表被用来测量两电极之间的电压数据，利用计算机中的labview软件采集电压数据并绘制电压随位移的变化曲线。取电势差由非零变为零时刻指示电极到膜的距离作为扩散边界层厚度。装置简单，操作方便，既反映了整个反电渗析过程，又可以直观的通过数字万用表的电压数据和位移平台的位移数据得出扩散边界层厚度，电压和位移的综合考虑提高了测量的准确性。
附图说明
23.图1是扩散边界层厚度的测量装置示意图；
24.图2是扩散边界层测量原理图；
25.图3是浓度比为30：1，淡室和浓室电压随位移的变化规律。
26.图中，1、水槽，2、指示电极，3、固定电极，4、位移平台，5、固定支架，6、数字万用表，7、计算机，8、离子交换膜，9、硅胶垫片。
具体实施方式
27.下面结合附图和具体实施方式对本发明进行详细说明。
28.本发明中扩散边界层厚度的测量装置，结构如图1、图2所示，包括两个并列放置的水槽1，水槽1中装有电解液，两个水槽1相邻的一侧内壁均设置有离子交换膜8，其中一个水槽1中放置有指示电极2和固定电极3，指示电极2和固定电极3均与数字万用表6连接，数字万用表6与计算机连接。
29.两个水槽1之间加装有硅胶垫片9。
30.指示电极2和固定电极3均为微电极，指示电极2通过固定支架5固定在位移平台4上，固定电极3通过固定支架5放置在水平面，保持装置水平稳定。
31.指示电极2和固定电极3均由玻璃毛细管拉制而成，玻璃毛细管内部插入柱状ag/agcl电极丝作为内电极，内部通入kcl填充液保持内电极处于稳定工作环境。
32.玻璃毛细管内径为0.4mm-0.8mm，玻璃毛细管与待测溶液接触的一端拉制成尖针状，ag/agcl电极丝直径为0.3mm-0.5mm，kcl填充液为饱和kcl溶液。
33.固定电极3距离离子交换膜8的距离为500um-800um。
34.本发明中，水槽为顶部开口设计，槽的上端和下端均有水通道，电解质溶液可以直接从顶部倒入；也可以通过泵机通入，研究流速对扩散边界层厚度的影响。
35.一种扩散边界层厚度的测量方法，基于扩散边界层厚度的测量装置，具体按照以下步骤实施：
36.步骤1、配置两种不同浓度的电解质溶液；步骤1中两种不同浓度的电解质溶液为任意比例的nacl溶液，使用的配水为去离子水。(浓度差越大，实验效果越好，这个浓度的比值根据实验或者项目的实际情况而定)。
37.步骤2、将所述步骤1配置的两种不同浓度的电解质溶液分别注入两个水槽1中，运行一段时间；
38.步骤2中水槽测量前使用所配电解质溶液清洗1～2次；运行时间为30s-60s。
39.步骤3、等待液面稳定后，利用位移平台4将指示电极2每次平移固定距离，利用计算机中labview软件记录每个位置处的电压数据；每个位置处记录数据时间为30s-50s。
40.步骤3中固定电极3位置不变，距离离子交换膜8的距离为500um-800um；指示电极2初始位置紧贴离子交换膜8表面，并与固定电极3处于同一深度，所述位移平台每次平移移动10μm-50um。(每次移动距离越小，得到的数据越精确，但是移动距离太小的话对实验环境的要求较高，一般取10μm-50um。
41.步骤4、利用计算机中excle软件计算电压的平均值，利用origin绘制电压随位移的变化曲线；
42.步骤5、观察曲线变化趋势，取电势差由非零变为零处到膜的距离作为扩散边界层厚度。
43.实施上述方法获取反电渗析过程中扩散边界层厚度测量原理如图3所示。在浓室和淡室侧，由于离子交换膜选择透过阳离子或阴离子，导致膜内离子迁移数大于溶液中离子迁移数，从而导致膜附近溶液浓度变化，形成扩散边界层。在扩散边界层外，离子分布均匀，浓度曲线近似为一条直线，而在扩散边界层内离子浓度不断变化。将固定电极固定在扩散边界层外距膜500μm处，指示电极从膜表面向固定电极移动。当指示电极在扩散边界层内时，两电极之间存在浓差，两电极之间的电势不为零；随着指示电极移出扩散边界层，两电极之间浓差变为0，两电极之间的电势也变为0，结合位移数据，得出扩散边界层厚度。
44.具体实施例1：
45.使用astom阳离子交换膜，浓度比为30：1，无流速。将膜固定在两水槽之间，然后分别用浓淡溶液冲洗浓淡室1～2次，将固定电极和指示电极固定好后放入浓室，然后将两电极连接数字万用表，将数字万用表与计算机相连。然后将配置好的溶液倒入水槽，待液面稳定后开始测量。首先记录位移为0处30s内的电压，然后将位移平台缓慢移动10μm，记录该位置处30s内的电压。直到位移量为500μm，即固定电极和指示电极位于同一位置时结束此次测量。然后利用excle软件计算每个位置处30s内的电压平均值，利用origin绘制电压随位
移的变化曲线，取电压第一次变为0时所对应的位移量作为扩散边界层厚度。淡室同浓室。
46.所得到的浓室和淡室的电压随位移的变化曲线如图3所示。由图可知，淡室内电压随位移的增大而减小，在位移量为330μm时第一次电压为0，扩散边界层厚度为330μm；浓室和淡室相比，初始电压高，电压随位移的变化趋势大致相同，在位移量为350μm时第一次电压为0，扩散边界层厚度为350μm。进一步分析可知，在扩散边界层内，浓淡室的浓度分布大致相同，在膜附近浓度最大，随着远离膜逐渐减小。通过浓淡室扩散边界层厚度可知，浓度对于扩散边界层的厚度影响不大。
47.本发明能够通过数字万用表的数值变化结合微动平台的位移量方便直观的测出扩散边界层厚度。数字万用表的电压变化同时能够反映出离子浓度的变化，得到浓差驱动下的水槽中离子浓度分布。本发明的装置简单，操作方便，适用于各种浓差情况，同时可以研究流速对扩散边界层的影响。