羧甲基纖維素鈉凝膠的制備及電解效率的研究

吳凱霖，凌 新，邊朝陽，陸春海

（成都理工大學，地學核技術四川省重點實驗室，四川 成都 610059）

CMC-Na的形態(tài)可為粉末狀、纖維狀、顆粒狀的固體，白色或者淡黃色，不具有特殊氣味，吸濕能力強，具有較大的溶解度，水溶液具有一定的黏度[1-3]。在傳統(tǒng)的電化學實驗中，電解質往往是液體，因而受制于電解槽的幾何形狀和尺寸。本文以羧甲基纖維素鈉為原料合成膠體[4-5]，再將膠體作為電解質進行電解實驗。由于凝膠自身具有支持力和黏度，可以輕松粘連在兩極板之間[6-7]，因而此過程不需要電解槽。在此條件下，研究了不同因素對電解效率的影響。

1 實驗材料和方法

1.1 試劑與儀器

材料：將201不銹鋼加工成27mm×50mm×1mm的工件。

試劑：羧甲基纖維素鈉、氯化鈉、硝酸鈉、硫酸鈉(均為分析純)。

儀器：FA1004N電子天平，ZD-ss直流電源，KSS-1600℃高溫節(jié)電爐，DHG電熱鼓風干燥箱，SX-620筆式pH計。

1.2 羧甲基纖維素鈉凝膠的制備

先向燒杯中加入一定量的200g·L-1NaCl電解質溶液，將CMC-Na緩慢均勻地撒入燒杯中，同時用玻璃棒不斷攪拌，使CMC-Na與水完全融合。攪拌可提高CMC-Na的溶解速度，并能防止CMC-Na與水相遇時發(fā)生結塊而降低CMC-Na的溶解量。當CMC-Na在水中均勻分散、沒有明顯的團塊狀物體存在時，停止攪拌，讓CMC-Na與水相互滲透、融合。從CMC-Na加入燒杯中與水混合開始，直到CMC-Na完全溶解，所需的時間在10～20h之間。為了減少CMC-Na完全溶化所需的時間，以及減少團塊狀物體的形成，可以將混合物置于60℃烘箱中保溫4h，即可制得CMC-Na凝膠。保溫時要在燒杯上封上一層保鮮膜，以免表面干裂成固體，不能形成膠體。值得注意的是，保溫溫度不宜過高，較高溫度(＞80℃)下長時間加熱，會使膠體變性導致黏度和性能明顯下降，但溫度較低時，保溫形成膠體的時間較長。

電解過程中，影響電解效率的因素很多，包括電流密度、電解間距、電解質的電導率等，因此實驗過程中，必須準確控制電極間距，設計的實驗裝置如圖1所示。將需要電解的不銹鋼試樣插入可以調控間距的電解槽中，然后向兩個極板中注入凝膠，接通直流電源。電解結束后，稱取陽極極板在電解前后的質量，以極板試樣的失重量來反映電解效率。

圖1 電解反應裝置示意圖

2 結果與分析

2.1 凝膠濃度對電解效率的影響

配置CMC-Na凝膠時要確定合適的濃度。濃度太低，凝膠自身的支持力不夠，無法維持自身的形狀；濃度太高又會降低電解效率。使用不同濃度的凝膠進行電解實驗，電解時間為40min，結果如圖2所示?？梢钥吹剑S著凝膠濃度升高，失重先升高后降低，濃度為10%時的效果最佳。低濃度時，反應過程中產生氣泡的情況嚴重，凝膠容易從樣品表面流失。凝膠濃度越高，溶解越困難，形成的凝膠表面的孔隙更多，導致與樣品的接觸更不充分。本實驗中最佳凝膠濃度確定為10%。

圖2 凝膠濃度和失重的關系曲線

2.2 電解質種類對電解效率的影響

分別以NaCl、Na2SO4、NaNO3為電解質進行實驗，結果如圖3所示。從圖中可以看出，3種電解質的電解效果為：NaCl＞Na2SO4＞NaNO3，NaCl作為電解質時擁有最好的電解效率。

圖3 電解質種類和失重的關系曲線

隨著電解反應的進行，試樣的失重速率有所下降，原因是凝膠中的電解質被消耗，同時會產生氣體，導致凝膠和試樣的接觸不充分。且反應會產生大量的熱量，導致凝膠碳化，系統(tǒng)的內阻增加，從而導致電解效率下降。

2.3 電流密度對電解效率的影響

使用不同的電流密度對試樣進行電化學實驗，結果如圖4所示，失重隨著電流密度的增大而增大。隨著電流密度增加，電解效率越來越好，但凝膠的升溫失效糊化卻變得越來越快，同時還會產生氣泡及少量溶液。在電解過程中，不銹鋼作為陽極電極會釋放熱量，熱量在凝膠中傳遞較慢，造成局部高溫，從而使CMC-Na凝膠失效糊化，表明CMC-Na凝膠在高溫下的熱穩(wěn)定性差。電流密度越高，熱量產生得越快，導致熱量更不易釋放，凝膠更容易糊化。電流密度為0.1 A·cm-2和0.15 A·cm-2時，會發(fā)生電流下降的現(xiàn)象，分別出現(xiàn)在電解時間為25min和18min的時候，所以選擇0.05 A·cm-2為最佳電流密度。

圖4 電流密度和失重的關系曲線

圖5中，從左到右分別是原始試樣、電流密度為0.05A·cm-2反應后試樣、電流密度為0.15A·cm-2反應后試樣、電流密度0.15A·cm-2反應后的凝膠?？梢钥闯觯m然大電流可以加快試樣的電解效率，但是反應過程太劇烈，放熱嚴重，在反應中會造成凝膠的自持力下降，流出電解裝置。且電流密度越高，熱量產生得越快，凝膠的升溫失效碳化越嚴重，會在試樣上留下黑色碳化物，影響外觀。

圖5 原始試樣和電解后的試樣圖

2.4 電極距離對電解效率的影響

控制電解質濃度為200 g·L-1，電流密度為0.05 A·cm-2，凝膠濃度為10%，改變電極距離，結果如圖6所示。電極距離為1.5cm時電解效率達到最佳。過大的電極距離使得需要注入的凝膠過多，從電解效率、經(jīng)濟、環(huán)保角度來看，電解距離以1.5cm為最佳。

圖6 電極距離和失重的關系曲線

2.5 pH對電解效率的影響

電解過程中電極間距為0.5 cm，電流密度為0.05 A·cm-2，配制由不同pH的電解質溶液制成的凝膠，研究其對電解效率的影響，結果見圖7。由圖7可知，隨著pH增加，電解效率先增大后減小，時間越長，電解效率的差別就越大，pH=7時的電解效率最佳?？紤]到CMC-Na凝膠在中性條件下的性能最佳，因此采用電解質溶液的pH為7左右的凝膠進行電解。

圖7 pH和失重的關系曲線

2.6 電解質濃度對電解效率的影響

在配制的CMC-Na凝膠中電解不銹鋼試樣，電解過程中電流密度為0.05 A·cm-2，電極間距為1.5 cm，研究不同的電解質濃度對電解效率的影響，結果如圖8所示。在相同的電解時間內，隨著硝酸鈉的濃度增加，電解效率越來越好?？紤]到經(jīng)濟性與效率，確定以電解質濃度為200 g·L-1配制的凝膠為電解材料。

圖8 電解質濃度和失重的關系曲線

3 結論

以合成的羧甲基纖維素鈉水凝膠替代傳統(tǒng)的電化學中的電解質，利用高分子凝膠的支持力，突破電化學實驗需要依賴電解槽這個技術瓶頸。與液體電解質相比，以電解質為凝膠，更方便實驗后的處理和保存。本文采用羧甲基纖維鈉制備凝膠，以凝膠為電解質，研究了凝膠濃度、電解質種類、電流密度、電極距離、pH、電解質濃度等因素對電解效率的影響。結果顯示，電解效率隨著時間的增加呈現(xiàn)下降趨勢。此過程中消耗了電解質，凝膠發(fā)生了碳化，內阻增大，導致電解效率下降。實驗的最優(yōu)參數(shù)為：凝膠濃度10%，電解質為NaCl，電極距離1.5cm，電流密度0.05A·cm-2，pH為7，電解質濃度200g·L-1。