Коэффициент термоэлектрической ЭДС коллоидного раствора канифоли

Явление термодфиффузии, приводящее к изменению концентраций веществ в смеси под воздействием градиента температуры, известно более полутора веков. Количественно оно характеризуется коэффициентом Соре s который, например в жидкости, пропорционален градиенту концентрации растворенного вещества, возникшего при наложении единичного температурного градиента в соответствии с урав- gradm)=^ • grad(T)

нением ^m [1]. Здесь m – молярность растворенного вещества, T -абсолютная температура. Данное явление исследовалось в широком классе веществ: газах, жидкостях, растворах электролитов. Протекание данного явления в растворах электролитов сопровождается формированием в жидкости разнос и электрических потенциалов Δφ ~ grad(T), обусловленной различием в транспортных характеристиках катионов и анионов диссоциирующего вещества их подвижностей μ± и теплоты переноса Q±.

Величина коэффициентов Соре в водных растворах неорганических ионных электролитов по порядку величины равна 10-3 К-1 и в подавляющем большинстве случаев отрицательна по знаку [2]. Отри- цательный знак коэффициента Соре s означает, что неорганические ионные электролиты перемещаются в более горячие области, где их концентрация возрастает по сравнению с более холодными областями. Коэффициент их термоэлектрической силы α = Δφ/ΔT составляет десятки и сотни мкВ/К [3] и сравним с таковым для металлов и полупроводников, применяющихся в качестве материалов для термоэлектрических преобразователей [4].

Сравнительно недавно, в конце прошлого века, было обнаружено, что коэффициент Соре жидких дисперсных растворов может превышать коэффициент Соре ионных электролитов на два, три порядка [5]. В связи с этим началось бурное исследование таких систем. Данное явление для коллоидных растворов получило свое название – термофорез. Оно изучалось в широком классе систем водных и неводных растворителях [6, 7], в присутствии различных растворенных веществ [8], при различных значениях pH и концентрации коллоидных частиц и их размера [9].

Агрегативная устойчивость таких растворов обусловлена электрическими взаимодействиями между коллоидными частицами в растворе, которые должны быть обязательно заряженными, вследствие ад- сорбции на их поверхности ионов одного знака. В результате заряженное ядро коллоидной частицы окружается динамической оболочкой из ионов противоположного знака. Образованные таким образом мицеллы являются заряженными частицами, поэтому явление термодиффузии в коллоидных растворах всегда сопровождается возникновением термоэлектродвижущей разности потенциалов, как и в растворах ионных электролитов.

Термоэлектрические явления в отличие от термодиффузионных изучаются в коллоидных растворах в настоящее время сравнительно редко. Однако как было по- казано в [10] возникающие в них термоэлектрические разности потенциалов могут существенно влиять на термофорети-ческий транспорт коллоидных частиц. В данной работе исследуются термоэлектрические свойства коллоидного раствора сосновой канифоли в дистиллированной воде. Для исследования термоэлектрического эффекта использовалась установка, показанная на рисунке 1 [11]. Хлорсеребряные электроды и термодатчики подключались к иономеру ИПЛ-113, по полученным данным строились экспериментальные зависимости.

Рис. 1. Схема экспериментальной установки.

1 – U-образная трубка, 2 – нагреватель, 3 – хлорсеребряные электроды, 3,4 – термодатчики.

Для получения коллоидного раствора 2% спиртовой раствор канифоли добавлялся к дистиллированной воде, при этом получался молочно-белый, довольно устойчивый золь.

О

0,5

1,0

1,5 m,%

2,0

—■— смесь золя канифоли с водным раствором NaOH -•- водный раствор NaOH

m, %

2,0

Рис. 2. Зависимость коэффициента термоЭДС золя канифоли от массового содержания канифоли.

Рис. 3. Зависимости коэффициента термо-ЭДС водного раствора NaOH и его смеси с зо лем канифоли постоянной концентрации от массового содержания NaOH.

Исследования термоэлектрического эффекта проводились с золем канифоли при различных концентрациях 2% спиртового раствора канифоли в дистилирован-ной воде (рис. 2), с водным раствором NaOH и их смеси (рис. 3).

Как видно из графика (рис. 2) коэффициент термоЭДС водного раствора канифоли по порядку величины составляет несколько десятков мкВ/К. Зависимость имеет четко выраженный максимум при массовом содержании канифоли около 1%.

При исследовании смеси канифоли с раствором гидроксида натрия, (рис. 3) в области высоких концентраций электролита до 0.5%, коэффициент термоэлектрической силы смеси определяется ионным электролитом, анионы которого OH- имеют высокие значения подвижности. Однако при уменьшении содержания щелочи наблюдается все более и более увеличивающееся различие между коэффициентом термоЭДС чистого электролита и коэффициентом термоЭДС смеси с коллоидным раствором. Причем коэффициент термо-ЭДС смеси, при малых концентрациях щелочи, приближается к коэффициенту для чистого раствора канифоли. Таким образом, вклад коллоидных частиц, имеющих высокие значения теплоты переноса и низкие значения подвижности, в итоговую величину термоэлектродвижущей силы смеси становится заметным только при низких содержаниях электролита.

Рост интереса к термоэлектрическим свойствам коллоидных растворов со стороны исследователей обусловлен перспективами применения жидких дисперсных систем в качестве электролитов термоэлектрохимических источников тока [12], предназначенных для прямого преобразования низкопотенциальных тепловых потоков от промышленных установок в электрическую энергию. В связи с этим широкое экспериментальное и теоретическое исследование термоэлектрических явлений в коллоидных растворах является важной задачей.