纳滤膜/电解质溶液体系的介电谱研究——低高频弛豫的模型化解析

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本工作中,在40Hz~11MHz频率范围对纳滤膜与不同浓度的八种电解质溶液构成的体系进行了介电测量,得到了电容和电导随频率变化的介电谱,发现两个弛豫,本文对102Hz的低频弛豫和位于105Hz左右的高频弛豫均做了详细的探讨。   首先,通过解析体系的介电谱,发现低频弛豫是由膜孔中的对离子极化引起的,由此建立了一个分散系模型来描述低频弛豫,在该模型中,圆柱状的孔被考虑为分散在膜基质中的分散相,而膜基质则被考虑为连续相。在此模型的基础上,将Takashima推导的用来描述圆柱状粒子分散系的公式改进为适用于本工作研究体系的公式,通过利用该改进了的公式拟合本工作中的实验数据,最终得到了膜的相关的电参数和结构参数,如膜孔经,膜厚度,孔壁表面的电荷密度以及zeta电势。   其次,通过模型化解析高频介电谱,得到了不同体系中膜和溶液各自的介电常数和电导率εm,εw,κm,κw。利用介电解析获得的相参数,计算了膜在湿态时的孔隙率p。另外,发现膜相和溶液相的电导率之比随着电解质溶液浓度的变化体现出离子在膜和溶液中的分布遵循Donnan平衡,因此结合考虑了Donnan排斥作用的TMS模型推导出了膜中反离子和同离子的浓度c1m和c2m的计算公式,并得到了膜固定电荷浓度ce。利用介电解析得到的膜相和溶液相的介电常数计算了离子由溶液进入膜孔的溶剂化能量ΔW等参数。结合对以上获得的膜相和膜孔中电参数的讨论和分析,可以更进一步揭示离子在纳滤膜中的透过时受到的作用力的主要影响因素。
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