1598005420-e4dffbb6ff09e4f6675580849e63fa88 (811210), страница 57
Текст из файла (страница 57)
РВЕТЕ полимеризуется с тстрафторэтилсном, образуя смо'- лу ХК х (СР СР ) + и (РБЕРУЕ) (СР»СР») 7 (СР«СР)д— Π— СР, — ГР— СР, — 7 Π— Сг, СГ, 50 Р где х=5 12. а д=! . 3. Так как солевая и кислотная формы Х)2-смолы пе плавятся, то изделия готовят из расплава смолы, а затем их омыливзют и обрабатывают кислотой. Мембраны «Нзфион» выпускают различной конфигурации, в частности а виде листов толщиной 0,09- — 0,25 мм.
Пй Оп 30 ° ооее й«7 бо ппп % 750 Чо оп гаа О,г 24 ыа его га по го 70 Ч 70 50 о по о 2 5 0 20 50 о о,з о П пь гпуп гаги паоо епьппо апагиь% Рис. 6.2. Зависимость обменной емкости СОЕ (Н, относительного удлинения при разрыве в (2), разрушающего напряжения при рас. тяжении ц, (3), влагопоглошения йу (4) н удельного объемного электрического сопротивления мембран р, (5] от содержания сульфокатиопнтовых групп [6, 61, Ниже приведены свойства мембраны марки Хи Плотность при 25,8'С, кг, и' Разрушающее напряжение при растяжении, МПа Относите,тьное удлинение при разрыве ьеь Модуль упругости при растпькенин, МПа Удельное обьемиое электрическое сопротив гение, Водопоглошение, еуй Температура эксппуатацчн, 'С; максимальная минимальная, Указанная ИОМ стойка к действию кислот и повышенных температурах: Рис.
6.3, Зависимость удельного объемного электрического сопротивления р, (!), разрушающего напряжения при растяжении ц, (2) и относительного удлинения з (3) о» содержания влаги [6.6), 1946 !8,3 143 246,! О,!5 18 Ом м 249 . минус !90 оснований при Температура. 'О 150 80 100 150 Гидроокысь калия 25 — 40«гюгеая Переки:ь водорода Азотная кисгюта 70«еп-иая, Фосфорная кислота 50 — 85',Еп-ная 296 6. Смола Хгп омыляется щелочью, а затем переводится з кис 'летную форму, образуя «Нафион», имеющий следующую структуру.
(СР СР,) — СЕСЕ, Π— ~'СРЕСЕОХ вЂ” ... — СЕЕСРЕБОЕН, Снп еао Рис. 6.4. Зависимбс)ь уйельееойе электрической проводимости Не30« (1) и ыембраны (2) при 25 *С от содержания воды [6.7[. 5,0 0,5 и 0,2 и ага,ао 0Д Присутствие гндрофильных функциональных групп и сорбированной воды существенно сказывается ца основных свойствах мембраны. Так, с увеличенном содержания сульфокислотных групп возрастают стзтпче- 005 окая обменная емкость (СОВ), вла- 002 гопоглощенис )аг н уменьшается удельное объемное электрическое со. противлепие р„ (рис.
6.2). 0 5 70 75 20 25 50 Явление влагопоглошепия ИОМ йоль НЕ%к" объясняется гидратацией фиксированных катионов н противоионов. Набухшая в воде мембрана фактически представляет собой «твердый» электролит, к которому применимы многие закономерности, типичные для жидких электролитов, в частности снижение электростатгеееского взаимодействии ионов и рост их подвижности с умеиьшсняем концентрации раствора электролита.
Поэтому увели гение содержания влаги в мембране при одном н том же значении обменной емкости несколько снижает р, (рис. 6.3). Характер зависимости проводимости ИОМ от содержания сорбированной воды аналогичен соответствующим закономерностям в растворах электролитов, а то время как абсолютные значення проводимости существенно отличаются [6.7! (рис. 64].
Вода внутри ИОМ находится под действием упругих сил ма. кромолекулпрной сетки, так как последняя растяюезается при набу. хапин. Таким образом, вода находится под давлением набухании ИОМ. Это как раз и является тем давлением, которое ограничивает дальнейшее проникновение воды в ИОМ. Давление набуханип мо. жст достнгать единиц и деснтков мсгапаскалей в зависимости от типа ИОМ, что приводит к умсиыцению прочности образцов. Важнсйцесй характеристикой ИОМ является их стойкость к действию окислителей. Химическую стойкость ИОМ МФ-4СК оценивали по дсйсгвию ианболес активного окислителя [6.6): 10пуо-ной пепекися водорода с добавлением 1,85 10 †' кг на 1 л Гео+ при 90'С, Основные характеристики ИОМ после выдержки в указанной среде практически не изменяются, а то время как у привитых ИОМ на перфторироаанной основе (МРФ-4МБ) сопротивление увеличивается вдвое уже через 0,5 ч выдержки.
Прн разработке н исследованиях ТЭ с ИОМ важным вопросом является изучение особенностей протекания на нцх электрохнмнческнх процессов, т. е. насколько нс~ользуемый квазнтвердый электролит соответствует растворам неорганических кислот. В [6.91 представлены исследования системы нонпт — растворнтель методом ядерного магнитного резонанса. Показано, что внутри ИОМ вода находится в двух формах: внутренней (обра- 297 зугощей гндратный комплекс с обменным ионом) К внешней.
Отличительной особенностью набухшего ионита по сравнению с раствором электролита является то, что в нем пространство между гидратированпыми сферами «заполнено» гидрофобной матрицей. Полное эффективное число гидратации й (для сульфокатионитовой смолы КУ-2 й=2,7) характеризует число молекул, гидратирующих фиксированную группу и противоион. Изучение спектра протонного магнитного резонанса внутренней воды показало, что ионообменник можно сравнить с концентрированным раствором электролита с учетом, конечно, особенностей, вносимых матрицей. Наибольшее несоответствие между ионнтом и раствором наблюдается для ионов Н+ и Г- и объясняется высокой способностью этих ионов образовывать ионные пары с фиксированными группами.
В заключение параграфа можно отметить, что созданные к настоящему времени катионообменные мембраны в основном обладают комплексом необходимых свойств, делающих нх пригодными к длительной работе в ТЭ, 6.2. ПРИНЦИП 22ЕЙСТВИЯ ЭЛЕКТРОХИМИЧЕСКИХ УСТРОЙСТВ С ИОНООБМЕННЫМИ МЕМБРАНАМИ В настоящем параграфе будет рассмотрен принцип действия не только ТЭ, но и других электрохимических устройств с использованием ИОМ, либо представляющих самостоятельный интерес, либо используемых при исследованиях ТЭ.
6.2Л. Топпнпный элемент снстемы водород — ннслород Схема ТЭ системы водород — кислород представлена на рис. 6.5. К катионообменной мембране 2 с двух сторон присоединены пористые анод 1 и катод д с каталитическнм покрытием, находящимся в контакте с ИОМ. На аноде водород нонизнруется по реакции 2Не-»4Не+4е .
Гидратированные протоны под действием градиента концентрации и электрического поля мигрируют сквозь ИОМ к катоду, где происходит катодная реакция О,+4Н' (Н,О) „+4е- (Н,О) „+ . 298 Электроны поступают к катоду через нагрузку 4. В стационарном режиме гидратиругощая протон вода (НеО)„под действием градиента концентрации возвра- щается к аноду; две молекулы воды, образовавшиеся Т в результате электрохимической реакции, отводятся из зоны реакции. Вместо чистого кислорода в ГЭ 1н, а), можно использовать кислород воздуха; в этом случае из зоны реакции необходимо удалять кроме образовав«а и) 1 из аа- шейся воды также и азот, концентрация которого повышена по сравнению с концентрацией его в окружающем воздухе.
рнс. 6.6, Схема работы водо родно-кнсаородного ТЭ с ка тнонообменной мембраной. 6.2.2. Водородный насос Вслп к электродам подать разность потенциалов от внешнего источника тока, то можно осуществить пере- качку водорода из анодной полости в катодную с повы- шением давления водорода, т, е, по существу электро- химическое устройство будет работать как волородный насос. Схема такого устройства приведена на рнс.
6.6. Устройство его и аподные процессы аналогичны ТЭ, а результирующая реакция на катоде 4Н: +4е — »2Н» Теоретически повышение давления водорода, которое можно осуществить в рассматриваемом устройстве, нт определяется из уравнения (7 = — — )п — —, рт пг р,' Рнс. 6.6. Схема работы водородного насоса.
а анод; т — катяонаобнсккая накбвака; а — катод; с — нстачяяк тока: тъ>пк где п=-2. При этом необходимо иметь в виду, что разность потенциалов (7, прикладываемая к элементу, не учитывает поляризациониых по- 299 терь на электродах и ИОМ, которые зависят от конкретного исполнения и плотности тока. Во избежание пере- сушки ИОМ водород, поступающий в аиодную полость, необходимо увлажнять. Водородный насос можно использовать н для извлечения водорода из смеси вод1- родсодержащлх газов, если, конечно, в ней отсутс; вуют каталитические яды.
6.2.3. Кислородный насос Повышение давления кислорода можне осуществи1ь в устройстве, аналогичном водородному насосу (рнс. 6,7). В этом случае на катоде п[юисходит поглощение кислорода в соответствии с реакцией 402+4Н++4е= Н20, а на аноде 2Н20- 02'[+4е — '4Н+, т. е. вода является только переносчиком молекулы кислорода. Хотя фор- Р! ет Рт От Н,б Н) -Р [е) ч ) (-) ! Рис. 6.7 Схема работы кислородного насоса. 1 — акоса 2 — «атнанообменная мембрана; 2 — катон а — иетояннк тока ря>рн Рис.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
