3. Kísérleti munka és eredmények bemutatása
3.3. Határréteg szeparációs módszer
3.3.3. Műveleti paraméterek hatása
A határréteg szeparációs módszernél célunk a katód- és anódtér-kád közötti iontranszport megvalósítása. Anyagátvitel alatt, az adott paraméterek mellett az anód térből a katód térbe átvitt ionok mennyiségét értjük. A ciklikus műveletnél az iontranszport mennyiségét megadhatjuk a teljes folyamtara (összes ciklusra) mg/m2 egységben vagy a művelet egyetlen ciklusára vonatkoztatva mg / (m2 ciklus) egységben.
A következő paraméterek iontranszportra gyakorolt hatását vizsgáltam:
• koncentráció (c; mol/dm3)
ca: koncentráció az anódtér kádban ck: koncentráció a katódtér kádban
• ciklusszám (n; db)
• műveleti idő (t; s)
ta: elektroszorpciós idő az anódtér kádban tk: deszorpciós idő a katódtér kádban
• polarizációs potenciál (U; mV)
Ua: polarizációs potenciál az anódtér kádban Uk: polarizációs potenciál a katódtér kádban
• elektródtávolság (xe; mm)
A paramétervizsgálatok során egyszerre mindig csak egyetlen paramétert változtattam, hogy a kísérletek összehasonlíthatóak legyenek.
3.3.3.1. Koncentráció
Az elektródok vizsgálata során 0,05 M koncentrációjú oldatokat használtam, de nagyobb koncentráció tartományban is bizonyítani akartam a szeparációt, mivel az ipari szennyvíz 0,5 és 1 M közötti Na+-ion tartalmú. Ezért kísérleteket végeztem 0,5 és 1 M NaOH vizes oldataival is. A kísérleteket azonos műveleti paraméterek mellett hajtottam végre (Ua= 2400 mV, Uk=2400 mV, ta=25 s, tk= 25 s, xe= 2,5 mm, n=10). A mérési eredményeket nikkelezett nikkel és a nikkel pasztilla elektródra a 33. ábra szemlélteti.
A kísérletek azt mutatják, hogy iontranszport a nagyobb koncentráció tartományban is elérhető. A 33. a.) ábra a 10 ciklus alatt átvitt teljes anyagmennyiséget jelöli, míg a 33. b.) ábra az anyagátvitelt egyetlen ciklusra vonatkoztatva adja meg.
7584 anyagátvitel (mg Na+ / (m2 ciklus))
nikkelezett nikkel elektród nikkel pasztilla elektród
a.) b.)
33. ábra
Az anyagátvitel koncentráció függése
Az eredményeket összehasonlítottam az elektródok vizsgálata során egy lépésben mért anyagátvitellel 0,05 M koncentrációk esetén (3.2.6. fejezet). Az tapasztaltam, hogy a ciklikus műveletben az egy ciklusra jutó iontranszport jelentősen csökkent (34. ábra).
Ennek oka az elektródok felületén kialakuló hidrodinamikai tapadóréteg, amely keveredést okoz. A tapadóréteg mennyiségét meghatároztam és a későbbiekben felhasználtam a számítások során.
234 anyagátvitel (mg Na+ / (m2 ciklus))
nikkelezett nikkel elektród nikkel pasztilla elektród
Elektródok vizsgálata Ciklikus művelet
34. ábra
Az anyagátvitel összehasonlítása
3.3.3.2. Ciklus szám
A határréteg szeparációs módszer ciklikus művelet, ezért fontos kérdés, hogy az eljárás hány ciklust alkalmaz. 0,05 M, 0,5 M és 1 M koncentrációjú NaOH oldatokkal vizsgáltam a ciklus szám iontranszportra gyakorolt hatását. A méréseket állandó paraméterek mellett végeztem el (Ua= 1200 mV, Uk=1200 mV, ta=25 s, tk= 25 s, xe= 2,5 mm). Kísérletekkel igazoltam, hogy az alkalmazott ciklusszámnak jelentős szerepe van az iontranszportban. A 35. a.) ábra mutatja a ciklus szám függvényében a teljes iontranszport mennyiségét porózus nikkel elektród esetén. Koncentrációtól függetlenül telítési görbéket kaptam, ezért megállapítottam, hogy az adott készülékben 80 ciklus után nem változik az ionátvitel mennyisége. A 35. b.) ábra egyetlen ciklusra vonatkoztatva adja meg az anyagátvitel nagyságát.
0
anyagátvitel (mg Na+ / m2)
0,05 M
anyagátvitel (mg Na+ / (m2 ciklus))
0,05 M 0,5 M 1 M
a.) b.)
35. ábra
A ciklus szám hatása az ionátvitelre nikkel pasztilla elektródok esetén
Megállapítottam, hogy kis koncentrációtartományban a ciklus számtól függetlenül az ionátvitel nagysága azonos, a vizsgált tartományban. Nagyobb koncentráció tartományok esetén azonban a ciklus szám növelésével csökken a szeparáció mértéke.
Az alkalmazott ciklusszámot az eljárás során a megkívánt koncentráció különbség valamint a gazdasági mutatók határozzák meg.
A 36. a.) és b.) ábra a nikkelezett nikkel elektróddal végzet kísérletek eredményeit mutatja. Megállapítottam, hogy 20 ciklus után állandó az anyagátvitel nagysága. Ennek oka, hogy a hidrodinamikai tapadóréteg az egy ciklusban átvitt ionmennyiséghez képest nagyobb, mint a nikkel pasztilla elektródoknál.
Az összehasonlíthatóság érdekében a további paraméter vizsgálat során mindkét típusú elektróddal 80 ciklus számú méréseket végeztem.
0
anyagátvitel (mg Na+ / m2)
0,05 M
anyagátvitel (mg Na+ / (m2 ciklus))
0,05 M 0,5 M 1 M
a.) b.)
36. ábra
A ciklus szám hatása az anyagtranszportra nikkelezett nikkel elektródok esetén
3.3.3.3. Polarizációs potenciál
Vizsgáltam az iontranszport mértékét a cellára kapcsolt polarizációs potenciál függvényében (ca=1 M, ck=1 M, ta=25 s, tk= 25 s, xe= 2,5 mm, n=80). A potenciált 800 mV és 2400 mV között változtattam mindkét folyadéktérben, úgy hogy egy kísérlet alatt az anódtéri és katódtéri potenciálok csak előjelükben tértek el egymástól. A kísérleti eredményeket a 37. ábra szemlélteti.
0
800 1000 1200 1400 1600 1800 2000 2200 2400
polarizációs potenciál (mV) anyagátvitel (mg Na+ / (m2 ciklus))
nikkelezett nikkel elektród nikkel pasztilla elektród
37. ábra
A polarizációs potenciál hatása az anyagtranszportra
A görbék maximuma 1000 és 1200 mV polarizációs feszültségnél van, ekkor érhető el a legnagyobb ionátvitel mindkét elektródtípus esetén. A nikkelezett nikkel elektród görbéjének 1800 mV-nál minimuma van, míg a nikkel pasztilla elektród görbéjén a minimum hely balra tolódik (1400-1600 mV). A jelenség oka, hogy ezeken a potenciálokon indul meg a vízbontás. Ekkor a fellépő gázfejlődés gátolja az elektroszorpciós folyamatokat. Nagyobb feszültségeknél ezt a gátlást ellensúlyozza a nagyobb elektrosztatikus tér, ezért javul mindkét esetben az anyagátvitel. Ekkor azonban a nagyobb energia befektetés miatt romlik az elektromos hatásfok.
3.3.3.4. Műveleti idők
Az elektródok vizsgálata során megállapítottam, hogy az adszorpciós és deszorpciós folyamatok különböző sebességgel mennek végbe. Az adszorpciós folyamatok sebességét a polarizációs feszültség függvényében vizsgáltam (ca=1 M, ck=1 M, tk= 25 s, xe= 2,5 mm, n=80). A 38. ábra a nikkel pasztilla elektródok eredményeit mutatja. Megállapítható, hogy minél kisebb a polarizációs potenciál annál hosszabb idő szükséges az ionokban gazdag határréteg kialakulásához. 1000 mV-nál legalább 25 s adszorpciós idő szükséges. Ennél nagyobb polarizációs potenciált használva néhány másodperc alatt telítődik az elektródok felülete.
0 50 100 150 200 250 300 350 400 450 500
5 10 15 20 25 30 35 40 45 50
adszorpciós idő (s) anyagátvitel (mg Na+ / (m2 ciklus))
1000 mV 1600 mV 2400 mV
38. ábra
Az adszorpciós idő hatása az anyagtranszportra
A nikkelezett nikkel elektródok felületén az elektrokémiai kettős réteg, olyan gyorsan kialakul, hogy nem tudtam elég rövid adszorpciós időt alkalmazni ahhoz, hogy különbséget találjak az anyagtranszportban.
A deszorpciós folyamatok időtartamának megállapításához a kísérletek során 25 és 600 s között változtattam a deszorpciós időt (Ua=1000 mV, Uk=1000 mV, ta=25 s, ca=1 M, ck=1 M, xe= 2,5 mm, n=80).
A nikkelezett nikkel elektróddal végzet kísérleteknél nem tapasztaltam lényeges változást. Ezzel szemben a pasztilla elektródok esetén a deszorpciós idő növelésével akár a háromszorosára is növelhető az anyagátvitel (39. ábra).
0 200 400 600 800 1000 1200 1400
25 100 175 250 325 400 475 550
deszorpciós idő (s) anyagátvitel (mg Na+ / (m2 ciklus))
nikkel pasztilla elektród nikkelezett nikkel elektród
39. ábra
A deszorpciós idő hatása az anyagtranszportra nikkel pasztilla és nikkelezett nikkel elektródokkal
Hasonló görbéket kaptam más polarizációs potenciálok mellett is (40. ábra).
Megállapítottam, hogy minél nagyobb a polarizációs potenciál annál kisebb deszorpciós időre van szükség a maximális anyagtranszport eléréséhez az általam használt rendszerben. Az adszorpciós és deszorpciós folyamatok idejét összehasonlítva megállapítható, hogy nikkel pasztilla elektródokat alkalmazva az elektroszorpciós lépést követően az ionok deszorpciója lassú folyamat. Ennek oka feltehetően a pórusdiffúziós gátlás, mivel nem porózus elektródok alkalmazásakor ez a jelenség nem áll fenn.
A műveleti idők megválasztását az eljárás során a ciklus számhoz hasonlóan a megkívánt koncentráció különbség valamint a gazdasági mutatók határozzák meg.
0 200 400 600 800 1000 1200 1400
25 100 175 250 325 400 475 550
deszorpciós idő (s) anyagátvitel (mg Na+ / (m2 ciklus))
1000 mV 1800 mV 2400 mV
40. ábra
A deszorpciós idő és a polarizációs potenciál kapcsolata nikkel pasztilla elektródok esetén
3.3.3.5. Elektródok távolsága
Az elektród-oldat határfelületen kialakult elektrolitikus kettősréteget kondenzátornak tekintettem. Ekkor a kondenzátor kapacitása a kettősréteg kapacitását jelenti. A kondenzátor kapacitása egyenesen arányos az elektródok felületével és fordítottan arányos az elektródok távolságával.
Az elektródtávolság hatását vizsgálva a kísérleti eredmények a nikkel pasztilla elektródra a 41. ábra mutatja (Ua=1200 mV, Uk=1200 mV, ta=25 s, tk=25 s, ca=1 M, ck=1 M, n=80).
A munka és az ellenelektródok távolságát a készülék konstrukciója határozza meg, 2,5 mm, 10 mm és 40 mm értékekre állítható be. A kondenzátor kapacitása és az elektródtávolság közötti összefüggés jól látható a 10 mm és 2,5 mm elektród távolsággal végzet kísérletek esetén. 40 mm elektródtávolságnál kapott kísérleti eredmények azonban eltértek a várt értékektől. Ennek oka, hogy az elektroszorpcióra szuperponálódik a fizikai adszorpció hatása és maga a hidrodinamikai tapadó réteg is részt vesz az iontranszportban. Nagy elektródtávolság esetén azonos körülmények között kisebb lesz a térerő, ebben az esetben ez oly mértékben csökkenti az
elektroszorpcióval megkötött ionok mennyiségét, hogy elhanyagolható lesz a fizikai adszorpció, valamint a hidrodinamikai tapadóréteg hatása mellett.
150 anyagátvitel (mg Na+ / (m2 ciklus))
nikkelezett nikkel elektród nikkel pasztilla elektród
41. ábra
Az elektród távolság hatása az anyagtranszportra nikkel pasztilla és nikkelezett nikkel elektródokkal
Ha különböző polarizációs potenciálokon vizsgáljuk az elektródtávolság szerepét a 42. ábra szerinti görbéket kapjuk. A 42. a.) ábra a nikkel pasztilla elektródokkal, a 42. b.) ábra a nikkelezett nikkel elektródokkal végzet mérések eredményeit mutatja. A görbéknek minimuma van a polarizációs potenciál vizsgálatoknál már tárgyalt vízbontási folyamat miatt. A 40 mm elektródtávolságnál magasabb polarizációs potenciálok esetén sem mérhető anyagátvitel növekedés.
0
1000 1200 1400 1600 1800 2000 2200 2400 polarizációs potenciál (mV)
anyagátvitel (mg Na+ / (m2 ciklus)) 2,5 mm 10 mm
1000 1200 1400 1600 1800 2000 2200 2400 polarizációs potenciál (mV)
anyagátvitel (mg Na+ / (m2 ciklus)) 2,5 mm 10 mm 40 mm Nikkelezett nikkel elektród
a.) b.)
42. ábra
Az elektród távolság és a polarizációs potenciál viszonya