Способ определения диффузионной проницаемости материалов

Способ определения диффузионной проницаемости материалов

Иллюстрации

Показать все

Реферат

 

ОПИСАНИЕ н

ИЗОБРЕТЕНИЯ

К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ

Союз Советских

Социалистических

Республик (61) Дополнительное к авт. свид-ву (22) 3aseaeHo 230278 (21) 2585116/18-25 с присоединением заявки Йо (23) Приоритет (51)м. Кл.

С 01 Н 13/00

Государственный комитет

СССР по делам изобретений х открытий

Опубликовано 15.1280. бюллетень М946

Дата опубликования описания 18.1280 (53) УДК 620. 193..29(088.8) (72) Авторы изобретения

Г. A. Иванов и А. А. Жуховицкий (71) Заявитель

Чувашский государственный университет (54) СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ДИФФУЗИОННОЙ ПРОНИЦАЕМОСТИ

МАТЕРИАЛОВ

Изобретение относится к аналитическому приборостроению и служит для определения проницаемости различных материалов компонентами газовых и жидких сред, может быть использовано также для определения коэффициентов диффузии компонентов в рассматриваемых материалах.

Известны способы определения диффузионной проницаемости материалов компонентами газовых или жидких сред, при которых образец из исследуемого материала помещают между камерами с различными исходными концентрациями компонента, и различными методами 15 определяют количество компонента, прошедшего через образец-мембрану или поглощенного им. В одних случаях о количестве прошедшего компонента судят по изменению электросопротив- 20 ления специально введенного промежуточного слоя, в других изменение со временем концентрации компонента в камерах определяют полярографически, используют для этого также изме- 25 нение формы образца и т.д. (1 j.

В известных устройствах измеряемая величина изменяется со временем и для нахождения результата требуется ,определенная обработка получаемых 3Q зависимостей. В процессе измерения изменяются концентрации компонента в образце и их градиенты. Следовательно, результат является некоторым усреднением в диапазоне условий.

Если имеется концентрационная зависимость коэффициента диффузии компонента в исследуемом материале,то погрешность такого определения очевидна.

Кроме того, большинство известных способов требует достаточно продолжительных измерений.

Наиболее близким по технической сущности к изобретению является способ определения диффузионной проницаемости материалов, заключающийся в помещении мембраны иэ исследуемого материала между двумя камерами, заполненными жидкостью или газом с проникающим через мембрану компонентом, и определении величины диффузионного потока через мембрану прИ постоянном перепаде концентраций в камерах, по которой судят о проницаемостн (21.

Однако и этот способ не обладает достаточной скоростью и точностью.

Цель изобретения — ускорение и увеличение точности определения проницаемости.

revest

Поставленная цель достигается эа счет того, что в способе определения диффузионной проницаемости материалов, э аключающимся в помещении мембраны иэ исследуемого материала между двумя камерами„ заполненными жидкостью или газом с проникающим через мембрану компонентом, и определении величины диффузионного потока через мембрану при постоянном перепаде концентраций в камерах, по которой судят о проницаемости, измеряют температуры противоположных поверхностей мембраны и по их разнице находят величину диффузионного потока.

Разности температур противоположных поверхностей и мембраны возникают за счет выделения теглоты адсорбции и поглощения теплоты десорбции,при этом не требуется снимать временную зависимость измеряемого параметра.

На фиг. 1 изображена схема осуществления предлагаемого способа, на фиг. 2 — пример его реализации.

Мембрана 1 из исследуемого материала, разделяет камеру 2 с парциальным давлением вещества-диффуэанта Р и камеру 3 с парциальным давлением того же вещества (Р + Р). В силу различных з наче ний равновесной адсорбции вещества на правой и на левой поверхностях мембраны через последнюю протекает диффузионный поток молекул вещества справа налево. В установившемся режиме этот поток равен потоку адсорбции из правого объема на правую поверхность мембраны и десорбционному потоку с левой поверхности в левый объем. Так как адсорбция сопровождается выделением тепла, а десорбция — его поглощением, правая половина мембраны нагревается, ле- { вая — охлаждается. Установившийся перепад температуры а) пропорционален теплоте адсорбции (десорбции) и величине диффузионного потока 3 в единицу времени. Этот поток тем больше, чем больше перепад парциальных давлений и чем больше коэффициент проницаемости Р. Коэффициент проницаемости равен массе вещества-диффузанта, проходящего за единицу времени через пленку материала единичных толщин и площади при единичном перепаде парциальных давлений диффузанта.

Таким образом, величина диффузионного, потока J вещества через мембрану толщиной и площадью S опреде-. ляется выражением моль, р р юд.Времени

40 где М вЂ” молекулярный вес диффузанта., Установившийся перепад температу- ры АТ находят из того условия, что он обеспечивает равенство между адсорбционным (десорбционным) потоком тепла и потоком тепла через мембрану за счет теплопроводности.

Так как адсороционный поток молекул равен диффузионному потоку 1 для адсорбционного потока тепла Р 1адс |=р р",, р, где Л вЂ” теплота адсорбции.

Поток тепла через мембрану, эа счет теплопроводности (Й 8/д. (рте„ определяется перепадом температуры и коэффициентом теплопроводности материала мембраныМ (I )"1ТЕпл ) Е т

Из равенства (ЙО /Й ) =(ДО (дф) находят

Следовательно, зная коэффициент теплопроводности материала,.молекулярный вес и теплоту адсорбции веществадиффузанта, однозначно определяют коэффициент проницаемости Р по перепаду температуры на мембране,измеренному при заданном перепаде парциальных давлений диффуэанта.Установившийся перепад температуры не зависит от размеров мембраны,что упрощает реализацию способа.

Создавая одинаковые перепады (ьр) парциальных давлений при различных абсолютных парциальных давлениях Р, можно изучать зависимость проницаемости, следовательно и коэффициента диффу=ни, от концентрации.

Предлагаемый способ может быть реализован, в частности, с использованием набивной кассеты для исследуемого материала, элемент которой показан на фиг. 2. Цифрой 4 обозначена основа кассеты, выполненная в виде изолирующей пластины, цифрой 5 окна кассеты, заполняемые исследуе мым материалом (показаны штриховкой).

Цифрами б и 7 обозначены пленки вещества, образующих термопары на одной и на другой поверхностях мембран (контакты веществ обозначены точками, термопары на противоположной стороне показаны штриховой линией). Термопары одной перемычки включены встречно, пары термопар всех перемычек включены последовательно. Таким образом, ЭДС, снимаемая с электродов рассматриваемого элемента, пропорциональна разности температур поверхностей элемента и количеству пар термопар. Современная технология позволяет на площади 1 см разместить несколько

787986!

1 десятков перемычек с термопарами при отношении площади окон ко всей площади элемента порядка 0,6-0,8, при этом освоено изготовление многослойных термопар. Элемент мембраны площадью 1 см,с плотностью размеще2 ния двухслойных термопар 20 см при использовании пар сурьма-висмут (ЭДС порядка 10 мкВ - град ") обеспечивает чувствительность к перепаду температуры 4 мВ/град.

tQ

Кассета, набранная из рассмотренных элементов, заполненная исследуемым материалом, размещается между камерами с отличающимися парциальными давлениями вещества-диффузанта.

Батареи термопар всех элементов (на количества элементов ограничения нет) соединяются последовательно, результирующую термоэдс измеряют и по ней определяют перепад температуры. По- . Щ правку находят в процессе калибровочных измерений с материалом, проницаемость и другие характеристики которого известны.

Рассмотрим для примера последова25 тельность определения проницаемости парами воды поли- Е -капролактама (капрона). Окна кассеты заполняют капроном. Мембрану, состоящую из 9 элементов (чувствительность к перепа- З ду температуры 36 мВ/град) помещают между камерами, парциальное давление паров воды в одной О, в другой

100 мм рт.ст. Измеряют ЭДС батареи термопар, равную 180 мкВ, по ней находят перепад температуры на мембране

5 ° 10 С. Используя формулу для ь.Т и известные значения Л, Н, "t .:.,p находят искомую проницаемость

НМ

Р = üÒ =4Ъ,5. о Ог/с.ч..рт.с

Предлагаемый способ имеет следу.ющие преимущества по сравнению с известными способами он проще, так как не требует снятия временных зависимостей и их обработки, обеспечива т измерение проницаемости в условп:-х неизменного распределения концентраций, позволяет определять ко:-и.,ентрационную зависимость коэффициента диффузии.

Формула изобретения

Способ определения диффузионной проницаемости материалов, заключа.щийся в помещении мембраны из иссл-:.ду;,— мого материала между двумя камерам, заполненными жидкостью или газам с проникающим через мембрану компонентом и определении величины диффузионного потока через мембрану при по стоянном перепаде концентраций в камерах, по которой судят о про-".;;аемости, отличающийся т:-м, что, с целью ускорения и увели::.::.:. !-ÿ точности определения проницаемост:;, измеряют температуры противоположных поверхностей мембраны и по их разнице находят величину диффузпо«ного потока.

Источники информации, принятые во внимание при экспертизе

1. Авторское свидетельство СССР

9358653, кл. G 01 и 15/08, 1973.

2. Патент США Р3438241, кл.73-23, 1969 (прототип).

787956

Составитель Л. Дикая

Техред A.Ач Корректор М. Пожо

Редактор A. Долинич

Закаэ 8341/50

Тираж 1019 Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета СССР по делам изобретений и открытий

113035, Москва, Ж-35, Раушская наб., д. 4/5

Филиал ППП "Патент", г. Ужгород, ул . Проектная, 4