A diffúziós réteg stabilitásának vizsgálata

Az elektród és az oldat egymáshoz viszonyított relatív elmozdulásakor a kettősréteg diffúz része elszakad és zéta-potenciál jelentkezik. A zéta-potenciál nagysága függ az elmozdulás sebességétől, vagyis az elektródot milyen sebességgel emeljük ki az oldatból, vagy az elektród mellett milyen sebességgel áramlik a folyadék.

Vizsgáltam, hogy hogyan változik a zéta-potenciál (és így a kettősréteg elszakadásának helye) az oldat áramlási sebességének függvényében. A kísérleteket a nikkelezett nikkel majd a nikkel pasztilla elektródokkal is elvégeztem.

A zéta-potenciál mérésére a 24. ábrán látható készüléket építettem.

24. ábra

A zéta-potenciál mérése, ahol: R=15 mm, xe=15 mm, l=40 mm, 1. katód, 2. anód, 3. segédelektród

e

A műanyag (PVC) R=15 mm sugarú csőben a középvonaltól egyenlő távolságra helyeztem el a nikkel elektródokat, úgy hogy köztük a távolság xe=15 mm legyen.

Az 1 jelű katódra és a 2 jelű anódra folyamatos potenciálkülönbséget kapcsoltam.

A katódként kapcsolt elektród diffúz rétegében a pozitív ionok, míg az anódként kapcsolt elektród diffúz rétegében az anionok vannak túlnyomó részben. A rendszerben minden alkalommal 0,05 M koncentrációjú NaOH oldatot áramoltattam a nyíllal jelzett irányban, egyre növekvő áramlási sebességgel.

A diffúziós réteg leválását úgy követtem nyomon, hogy a vizsgált elektródok elé és mögé segédelektródokat (síklap platina elektródok) helyeztem. A 3-as jelű segédelektródok közötti potenciálkülönbséget, az úgynevezett térpotenciált mértem a folyadék lamináris áramlási sebességének függvényében különböző, polarizációs potenciálok mellett. Mivel a két segédelektród között mérhető volt a potenciálkülönbség, ez arra utalt, hogy a diffúziós réteg fokozatosan lesodortatható a felületről az áramló folyadék segítségével. A mért térpotenciál arányos az lesodort ionok mennyiségével.

A 25. ábra a nikkel pasztilla elektródokkal végzett kísérleteket szemlélteti. Az eredmények azt mutatják, hogy alacsony áramlási sebességnél valamint 1000 és 2000 mV polarizációs potenciál között a mért zéta potenciál értékek gyorsan emelkednek.

Ebből arra lehet következtetni, hogy az ionok jelentős része leszakad. 2400 mV polarizációs feszültséget alkalmazva azonban a zéta potenciál áramlási sebességtől való függése lineáris. Ekkor stabilan kötődő diffúziós réteg alakul ki, amelyet nehezebb leszakítani. 2400 mV alatti tartományban mintegy 25 cm/s lineárissebesség fölött már nem változik lényegesen a zéta potenciál (ζ). Az adott rendszerben nem célszerű ennél nagyobb relatív sebességet alkalmazni. A porózus nikkel elektródokkal összehasonlítva elmondható, hogy a polarizációs potenciáltól függetlenül az ionok jelentős része már alacsony áramlási sebességeknél leszakad. Nikkelezett nikkel elektródokat alkalmazó rendszerben ezért nem célszerű 10 cm/s értéknél nagyobb relatív sebességet alkalmazni.

A 25. és 26. ábrákat tovább vizsgálva megfigyelhető, hogy valamennyi görbe meredeksége 70-80 cm/s-os áramlási sebesség értéknél negatívra változik, más szóval a görbe vége mindig letörik. A jelenség vizsgálata előtt bizonyítani kell, hogy a görbe valóban így viselkedik és nem rendszeres mérési hiba okozza.

Az előzőek bizonyítására módosítottam a berendezést a következők szerint. A 24.

ábrán látható csőben először az anódot majd a katódot cseréltem minimális felületű sík nikkel elektródra. Így külön-külön tudtam vizsgálni a kationok és az anionok leválási

sebességét egy adott potenciálon (1200 mV). A mérés körülményei másban nem tértek el.

0 20 40 60 80 100 120 140

0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100

v (cm / s)

Zéta potenciál (mV)

1000 mV nikkel pasztillal 1200 mV nikkel pasztillal 1600 mV nikkel pasztillal 2000 mV nikkel pasztillal 2400 mV nikkel pasztillal

25. ábra

Zéta-potenciál a folyadék áramlási sebességének függvényében porózus nikkel elektródok esetén A 26. ábra a nikkelezett nikkel elektródokkal végzett kísérleteket mutatja.

0 20 40 60 80 100 120 140 160

0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100

v (cm / s)

Zéta potenciál (mV)

1000 mV nikkelezett nikkel 1200 mV nikkelezett nikkel 1600 mV nikkelezett nikkel 2000 mV nikkelezett nikkel 2400 mV nikkelezett nikkel

26. ábra

Zéta-potenciál a folyadék áramlási sebességének függvényében nikkelezett nikkel elektródok esetén

A 27. ábra a mérés során kapott anódos és katódos polarizációs görbéket mutatja a nikkel pasztilla elektród és a nikkelezett nikkel elektród esetén. A kísérleti eredmények jól szemléltetik a kationok és anionok leválása közötti különbséget. A kapott görbék tendenciája mindkét típusú elektród esetén megegyezik.

-150 -100 -50 0 50 100 150 200 250

0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100

v (cm / s)

Zéta potenciál (mV)

nikkel pasztilla - katódos polarizáció nikkel pasztilla - anódos polarizáció nikkelezett nikkel- katódos polarizáció nikkelezett nikkel- anódos polarizáció

27. ábra

Az anódos és katódos polarizációs görbe az áramlási sebesség függvényében

A katódos polarizációs görbe szerint a kationok már kis áramlási sebességeknél is könnyen leszakíthatók a felületről. Az áramlási sebesség növelésével a görbe egy állandó értékre áll be, amely a diffúz réteg teljes leszakadását mutatja.

Az anódos polarizációs görbét vizsgálva azt tapasztaltam, hogy az anionok lesodrásához nagyobb erőre van szükség. A leválási folyamat ebben az esetben is gyorsan megindul, de mértéke lényegesen kisebb. Az áramlási sebesség függvényében a potenciálkülönbség nem állandósul a mért méréshatáron belül. Abban a tartományban, ahol a katódos görbe állandó értékre áll be, az anódos görbe lineárisan változik tovább.

Ez azzal magyarázható, hogy az anionoknak nincsen hidrátburka, amely szorosabb illeszkedést tesz lehetővé a diffúziós rétegben, illetve a hidrátburok hiányában közelebb tudnak kerülni az adszorbens felületéhez. Ez a kísérlet bizonyítja a specifikus adszorpció jelenségét, mely szerint az anionok az elektromos vonzáson kívül specifikus adszorpcióval (pl. van der Waals-féle erőkkel) is kötődnek a felületen.

Az anionok és kationok leválását vizsgálva a mérési körülmények azonosak voltak, ezért a görbék pontjait összeadtam. A várt tendencia látható a 28. ábrán.

0 20 40 60 80 100 120 140

0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100

v (cm / s)

Zéta potenciál (mV)

nikkel pasztilla elektród nikkelezett nikkel elektród

28. ábra

Az anódos és katódos polarizációs görbék összegzett görbéje

A kapott összegzett görbék esetén nagyobb áramlási sebességeknél csökken a potenciálkülönbség értéke. A görbék meredeksége azonban kisebb sebesség értékeknél lesz negatív, mint az előző mérések esetén, melyek görbéi a 25-26. ábrán szerepelnek.

Ennek oka, hogy a két mérés során az elektródok elhelyezkedése miatt más áramlási viszonyok alakulnak ki.

A kísérletekkel igazoltam, hogy a görbék letörését nem mérési hiba okozza, hanem az anionok és kationok tulajdonságbeli különbsége.