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建立在模型化解析基础上的介电谱方法是可以在线考察非均匀体系内各组成相电性质的一种谱学方法,本文采用该方法研究了两种分离推动力和电性质完全不同的分离膜-纳滤膜(压力推动力,弱荷电膜)和阴离子交换膜(电场推动力,强荷电膜),期望获得有关纳滤膜透过性和阴离子交换膜/溶液界面浓度极化层的信息。
第一个研究工作,利用三种膜的传递模型,即 TMS、DSPM、TMS-DE模型,对不同模型的离子分布系数进行了公式推导,得到在不同类型电解质中膜体积电荷密度与离子分布系数之间的关系,并通过三种模型和非平衡热力学模型的溶质体积流率和膜孔内的电流的公式相比较,得到了用离子分布系数表示的四个传递参数即反射系数(σ)、溶质透过系数(ω)、电导率(κ)、离子的迁移数的表达式,从而建立了膜体积电荷密度和传递参数之间的关系。
用介电谱方法对在八种不同电解质中的NTR7450膜进行了介电测量,发现在40Hz～10MHz频率范围内有两个介电弛豫,根据界面极化理论,高、低频介电弛豫分别由膜/液界面极化和膜内不同层之间的界面极化引起。对低频介电弛豫进行解析,得到膜由a、b两层构成,a层的荷电量大于b层,截留效率比b层好,确定a为分离层,b为支撑层。对高频介电弛豫进行解析,得到了整体膜和溶液相的介电常数和电导率,并讨论了所有相参数随着浓度的变化规律。通过湿态膜和溶液的介电常数计算了八种电解质中的离子的溶剂化能垒,其中2-2价电解质的离子溶剂化能垒最大。进一步,用杜南平衡原理对膜和溶液的电导率之比随溶液浓度的变化进行了解释,将其与考虑了杜南排斥的。TMS模型相结合计算了膜的体积电荷密度；另外,利用介电解析得到的膜体积电荷密度,与TMS、TMS-DE、DSPM模型相结合,计算得到了膜的四个传递参数,通过对这四个传递参数的讨论,得出了在低浓度区,杜南排斥对于离子的透过起主要作用,位阻效应起次要作用,在高浓度区介电排斥起主要作用的结论。
研究第二个工作,用介电谱方法研究了几种不同的离子交换膜的浓差极化层,发现在不加直流偏压下,阴离子交换膜没有弛豫现象,而当加上直流偏压后,阴离子交换膜出现弛豫现象,并随着所加偏压的增加,弛豫达到平衡多用时间越短,这是由于在加直流偏压后,在阴离子交换膜一侧出现了一个浓度极化层,从而引起弛豫现象,偏压越大,浓度极化层形成的时间越快,越易达到稳定。并通过介电谱方法获得了几种离子交换膜浓差极化层的厚度及溶液的电导,并对这几种离子交换膜进行了比较,得到膜材料、所带电量及溶胀度会影响到浓度极化层厚度。因膜 A和膜 C离子基团中所含的乙基位阻大于膜1和膜3所含的甲基,所以膜1和膜3的Gz都稍大于膜A和膜C,而膜C和膜3中无机组分SiO2的引入对于离子交换膜的电性能没有产生太大的影响,这对于更好的研究离子交换膜的性能及开发离子交换膜提供了很有用的信息。