Файл: Стрижевский, И. В. Хемотроника.pdf

Глава 2

ЭЛЕКТРОКШІЕТМЧЕСКИЕ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛИ

Электрокішетическне явления

Существование на границе раздела фаз двойного электри­ ческого слоя обусловливает возникновение своеобразных кинетических эффектов.

В любой системе, содержащей вещество в двух фазах, одна из которых заряжена положительно, а другая — отрицательно, при наложении электрического поля эти

ному. Такое движение называется электрокинетическим. Скорость относительного движения двух фаз пропорцио­ нальна напряженности приложенного электрического поля и зависит от размеров и формы тел, структуры двойного электрического слоя, свойств жидкости или газа и ве­ личины дзета-потенциала.

Между движением любой заряженной частицы в элек­ трическом поле (например, иона в растворе) и электро­ кинетическим движением не существует принципиального различия. Если заряженной частицей, движущейся в жидкости под действием электрического поля, является ион, движение называется миграцией. Роль одной об­ кладки двойного слоя в этом случае играет сам рассмат­ риваемый ион, а роль другой обкладки — образующееся вокруг^иего «облако» ионов противоположного ^ знака. Такое облако всегда возникает в результате теплового движения вокруг любого иона, так как вероятность на­ хождения в пространстве, окружающем данный ион, ио­ нов противоположного знака больше, чем вероятность нахождения ионов того же ^знака. Суммарный^ заряд ионного облака, естественно,'равен по величине и проти­ воположен по знаку заряду центрального иона, а эффек­ тивный радиус облака по порядку величины равен тол­ щине двойного слоя.

85

Движение в электрическом поле более крупных заря­ женных тел (например, коллоидных частиц или частиц в суспензиях) называется электрофорезом. Это явление было открыто Рейссом в 1808 г. Электрофорез имеет важ­ ное практическое значение, особенно при изучении био­ логических объектов. При исследовании электрофоре­ тической подвижности высокомолекулярного вещества (например, белка) в растворе можно определить также подвижность его отдельных фракций и, таким образом, получить исключительно важные данные о составе смеси.

Когда в электрическом поле находится достаточно крупное твердое тело, соприкасающееся с жидкостью (капиллярная трубка, наполненная жидкостью, или про­ питанная жидкостью пористая перегородка), то говорят о'движении жидкости, а не твердого тела, а само движе­ ние называют электрокинетическим, или электроосмо­ сом. Электроосмос открыт тоже Рейссом. Если к электро­ дам, расположенным с противоположных сторон пористой перегородки, приложить разность потенциалов, ^ нач­ нется движение раствора через пористую перегородку. Направление и скорость движения определяются свой­ ствами жидкости и материала пористой перегородки.

Наконец, существуют также явления, обратные элек­ троосмосу и электрофорезу:)это потенциал течения, откры­ тый Квинке (1859 г.), и потенциал оседания (седимента­ ции), или так называемый эффект Дорна (1878 г.). Под потенциалом течения подразумевается разность потенциа­ лов, возникающая при движении жидкости через пори­ стую перегородку под действием внешнего давления. Эффект Дорна можно наблюдать при оседании стеклянных шариков или песка в сосуде с водой. Между электродами, помещенными в таком сосуде на разную высоту, возни­ кает^ разность потенциалов. Этот эффект из-за экспери­ ментальных трудностей изучен хуже, чем другие электрокинетические явления.

Поскольку все электрокинетические явления тесно связаны между собой, то для получения основных зако­ номерностей этих явлений достаточно рассмотреть одно

диус г, длина I), наполненном жидкостью; вдоль капил­ ляра приложено электрическое поле (напряженностью Е. Если радиус капилляра много больше эффективной тол­

86

щины двойного слоя 8Г, т. е. толщины слоя, в котором паде­ ние потенциала равно электрокинетическому дзета-по­ тенциалу, то можно предположить, что изменение скорости жидкости происходит в пределах расстояния 8Г. Около стенки скорость течения равна нулю, а на^расстоянии 8Гдостигает постоянного значения U, равңого скорости те­ чения движущейся жидкости. Предположим, что градиент скорости жидкости в двойном слое постоянен, т. е. равен

— Тогда сила вязкого трения между фазами но закону

Sr '

Ньютона будет равна т) —, где -q— коэффициент вязкости. öp

При установлении постоянной скорости относительного перемещения жидкости эта сила уравновешивается элек­ трической силой, равной qE, где q — поверхностная плот­ ность заряда, выражаемая через дзета-потенциал и ди­ электрическую постоянную среды е,

г е q ~ ^ 4*5Г

Приравнивая обе силы, получим искомое выражение для скорости течения

При выводе этого соотношения сделан ряд упрощающих предположений, однако строгая теория приводит к такому

же результату.

К электрокинетическим явлениям относится также так называемый U-эффект, связанный с изменением поверх­ ности раздела нескольких жидкостей (обычно ртутьэлектролит) под действием э. д. с. и возникновением при этом потенциала. Механизм U-эффекта состоит в изме­ нении тока заряжения двойного электрического слоя на поверхности раздела двух несмешивающихся жидкостей под влиянием механического возмущения. U-эффект можно наблюдать в капиллярной трубке, заполненной электролитом и каплями ртути. При перемещении капель ртути вдоль капилляра на концах появится разность потенциалов. Поскольку U-эффект обратим, то при прило­ жении напряжения к электродам, находящимся в’’ капил­ ляре, капли' ртути начнут двигаться вдоль^капилляра.

87

На основе электрокинетических явлений сконструиро­ ваны многие электрохимические приборы.

При теоретическом анализе электрокинетических яв­ лений в хемотронных преобразователях обычно рассмат­ ривают одпу из двух систем.

Система, включающая твердую и жидкую фазы в от­ сутствие внешнего электрического поля.

1. Под действием внешнего давления жидкость течет через пористую перегородку, по обе стороны которой рас­ положены металлические электроды; между электродами возникает разность потенциалов (потенциал течения).

2. Под действием поля тяжести в жидкости движутся твердые частицы; между электродами возникает разность потенциалов (потенциал седиментации).

Система, находящаяся во внешнем электрическом поле, создаваемом помещенными в жидкости электродами.

1.Под действием электрического поля происходит дви­ жение жидкости через пористую перегородку (электроос­ мос).

2.Находящиеся в жидкости твердые частицы движутся под действием электрического поля относительно жидкости (электрофорез).

Режим, соответствующий первой группе явлений, на­ зывается генераторным — механическая энергия движе­ ния преобразуется в электрическую. Режим, соответст­ вующий второй группе явлений, называется насосным —

электрическая энергия преобразуется в механическую. Из всех электрокинетических явлений теоретически наименее изучен U-эффект, и это в известной степени за­ трудняет разработку на его основе электрохимических

преобразователей.

При изучении электрокинетических явлений в преобра­ зователях с пористой перегородкой обычно предполагается, что перегородка имеет регулярную структуру пор (на­ пример, перегородка пронизана прямыми цилиндрическими капиллярами). Основные макроскопические параметры жидкости в таких капиллярах (диэлектрическая проницае­ мость, вязкость, удельная электропроводность) те же, что и в неограниченном объеме жидкости.

На первом этапе исследования ставится электроста­ тическая задача — исследование распределения электри­ ческого заряда ионов по сечению капилляра, на втором — гидродинамическая задача — определение гидродина­

88

мических параметров, обусловливающих течение жидкости в капилляре. При этом течение обычно принимается осе­ симметричным и ламинарным, а внешнее поле — направ­ ленным по оси цилиндра. Сама жидкость предполагается несжимаемой. Гидродинамический расчет будет справед­ лив для скорости течения много меньшей скорости звука, так как только в этом случае жидкость можно считать несжимаемой.

Следовательно, предельную теоретическую частоту электрохимического преобразователя можно определить из соотношения (где I — толщина перегородки)

Обычно в электрохимических преобразователях исполь­ зуются перегородки толщиной Zä ^(0,1—1) см. Тогда для водного раствора электролита

cd?»(ІО5 — 10в) гц

Кроме того, ламинарный характер течения жидкости проверяется по числу Рейнольдса, т. е. должно быть вы­ полнено условие

Re=: ^ < 1 0 3

•V

і— диаметр капилляра; р — плотность электролита; ѵ — скорость

Уменьшив скорость на два-три порядка, мы получим приемлемое число Рейнольдса и соответствующую ему предельную частоту ш ~ 102—ІО3 гц.

На третьем этапе для получения окончательных ре­ зультатов решаются совместно гидродинамическая и электростатическая задачи. Как показывает теоретиче­ ский расчет, уравнение для токов электрокинетического преобразователя в насосном режиме может быть записано

89