Способ определения диффузионной проницаемости материалов Советский патент 1980 года по МПК G01N13/00 

(S) СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ДИФФУЗИОННОЙ ПРОНИЦАЕМОСТИ Изобретение относится к аналитическому приборостроению и служит для определения проницаемости различных материалов компонентами газовых и жидких сред, может быть использовано также для определения коэ фициентов диффузии компонентов в рас сматриваемых 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 определяют количество компонента, прошедшего через образец-мембрану или поглощенного им. В одних случаях о количестве прошедшего компонента судят по изменению электросопротивления специально введенного промежу точного слоя, в других изменение со временем концентрации компонента в камерах определяют полярографичес ки, используют для этого также изме нение формы образца и т.д. 1. В известных устройствах измеряем величина изменяется со временем и для нахождения результата требуется ,определенная обработка получаемых

МАТЕРИАЛОВ 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 материаше,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 из 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 2. Однако и этот способ не обладает достаточной скоростью и точностью. Цель изобретения - ускорение и увеличение точности определения проницаемости. Поставленная цель достигается за счет того, что в способе определения диффузионной проницаемости материало заключающимся в помещении мембраны из исследуемого материала между двумя камерами, заполненными жидкостью или газом с проникающим через мембра ну компонентом, и определении величины дифхфузионного потока через мембрану при прстоянном перепаде концентраций в камерах, по которой судят о проницаемости, измеряют температуры противоположных поверхносте мембраны и по их разнице находят величину диффузионного потока. Разности температур противополож ных поверхностей и мембраны возникают за счет выделения теплоты 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 парциапьным давлением вещества-диффузанта Р и камеру 3 с парциальным давлением того же вещества (Р + ДР). В силу ра личных значений равновесной а,цсорбции вещества на правой и на левой поверхностях мембраны через последнюю протекает диффузионный поток молекул вещества справа налево. В уста новивщемся 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 выделен-ием тепла, а десорбция - его поглощением, правая половина мембраны нагревается, л вая - охлаждается. Установившийся перепад температуры пропорционален теплоте адсорбции (десорбции.) и величине диффузионного потока D в единицу времени. Этот поток тем боль ше, 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 переп де парциальных давлений диффузанта. Таким образом, величина диффузионного; потока 3 вещества через мембрану тотдциной Е. и площадью S определяется выражением 5Г МОЛР, ел. ; где М - молекулярный вес диффузанта. Установившийся перепад температуры лТоо находят из того условия, что он обеспечивает равенство между адсорбционным (десорбционным) потоком тепла и потоком тепла через мембрану за счет теплопроводности. Так как адсорбционный поток моле- кул равен диффузионному потоку О , для адсорбционного потока тепла H/di Ac-M-Pt|--Pгде А. - теплота адсорбции. Поток тепла через мембрану, за счет теплопроводности 3Q/di2-р д определяется перепадом температуры и коэффициентом теплопроводности материала мембраны } . Из равенства t /3 aAc- dQ/ai находят р IfwT PСледовательно, зная коэффициент теплопроводности материала, молекулярный вес и теплотуадсорбции веществадиффузанта , однозначно определяют коэффициент проницаемости Р по перепаду температуры на мембране,измеренног-iy при заданном перепаде парциальных давлений б.рдиффузанта.Установившийся перепад температуры не зависит от размеров мембраны,что упрощает реализацию способа. Создавая одинаковые перепады (р) парциальных давлений при различных абсолютных парциальных давлениях Р, можно изучать зависимость проницаемости, следовательно и коэффициента диффузии, 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 исследуемым материалом (показаны штриховкой). Цифрами б и 7 обозначены пленки вещества, образующих термопары на одной и на другой поверхностях мембран (контакты веществ обозначены точксьми, 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, пропорционсшьна разности температур поверхностей элемента и количеству пар термопар. Современная технология позволяет на площади 1 см разместить несколько десятков перемычек с термопарами при отношении площади окон всей площади элемента порядка 0,6-0,8, при этом освоено изготовление многослойных термопар. Элемент мембраны шющадью 1 см /с плотностью размеще ния двухслойных термопар 20 при использовании пар сурьма-висмут (ЭДС порядка 10 мкВ град) обеспечивает чувствительность к перепаду темпера туры 4 мВ/град. Кассета, набранная из рассмотренных элементов, заполненная исследуемым материалом, размещается между камерами с отличающимися парциальными давлениями ве1дества-диффузанта. Батареи термопар всех элементов (на количества элементов ограничения нет соединяются последова5ельно, резуль.тирующую термоэдс измеряют и по ней определяют перепад температуры. Поправку находят в процессе калибровоч ных измерений с материалом, проницае мость и другие характеристики которо го известны. Рассмотрим для примера последовательность определения проницаемости парами воды поли- -капролактама (капрона). Окна кассеты заполняют капроном. Мембрану, состоящую из 9 элементов (чувствительность к переп 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 мембра 5 . Используя формулу для ikTco и известные значения Л , Н , М, лР находят искомую проницаемость Р .Тоо--1,5-10 Г/СЛЧ-Ч IVvM.pT.C5. Предлагаемый способ имеет следующие преимущества по сравнению с известными способами он проще, так как не требует снятия временных зависимостей и их обработки, обеспечивает измерение проницаемости в условн -к неизменного распределения концентраций, позволяет определять концентрационную зависимость коэффициента диффузии. Формула изобретения Способ определения диффузиокной проницаемости материалов, заключаощийся в помещении мембраны из исслед;,;.:мого материала между двумя камераьш, заполненными жидкостью или газом с проникающим через мембрану компонентом и определении величины диффузионного потока через мембрану при по1СТОЯННОМ перепаде концентраций в камерах, по которой судят о прОг.;цаемости, отличающийся тям, что, с целью ускорения и увелнчег.чя точности определения проницаемости, измеряют температуры противоположных поверхностей мембраны и по их разнице находят величину диффузионного потока. Источники информации, принятые во внимание при экспертизе 1.Авторское свидетельство СССР №358653, кл. G 01 N 15/08, 1973. 2.Патент США №3438241, кл.73-23, 1969 (прототип).

J

5. k.