ФИЗИЧЕСКАЯ МОДЕЛЬ ИЗМЕРИТЕЛЯ ВЛАЖНОСТИ ВОЗДУХА НОВОГО ПОКОЛЕНИЯ Текст научной статьи по специальности «Прочие технологии»

ФИЗИЧЕСКАЯ МОДЕЛЬ ИЗМЕРИТЕЛЯ ВЛАЖНОСТИ ВОЗДУХА

НОВОГО ПОКОЛЕНИЯ

Иванов И.В.®

Доцент, к.ф-м.н., кафедра механизации сельскохозяйственного производства, Российский государственный аграрный университет, Калужский филиал

В настоящее время успешно разрабатываются и используются в сельском хозяйстве измерители влажности воздуха (гигрометры) на принципах молекулярной электроники. В сравнении с первыми простейшими гигрометрами, основанными на изменении упругих свойств некоторых материалов в зависимости от влажности воздуха, точность новых датчиков гораздо выше, а диапазон измеряемых величин практически неограничен. Датчики данного типа применяются на сельскохозяйственных объектах с повышенными требованиями к поддержанию влажности в нужном диапазоне, например, на птицефабриках, теплицах, хранилищах, сушилках и т.д.

Чувствительный элемент такого датчика - это ионообменный полимер, помещенный между двумя электродами. Такие полимеры имеют специфическую особенность к поглощению молекул воды с последующей диссоциацией поверхностных ионных групп [14]. При сорбции воды возникают свободные носители заряда, и проводимость системы растет. С точки зрения технических приложений необходимо иметь однозначную зависимость сопротивления образца от влажности среды и температуры.

В настоящей работе в рамках термодинамического подхода, последовательно развитого в работах [5-7], получены теоретические зависимости сопротивления ионообменного полимера от относительной влажности воздуха при физически допустимых значениях параметров системы.

Задача решена с помощью минимизации полного термодинамического потенциала системы, который складывается из термодинамического потенциала стандартного состояния, в качестве которого взят полимер, содержащий молекулы воды, непосредственно взаимодействующие с его гидрофильными центрами; изменения потенциала при последующей конденсации воды; потенциала ионной подсистемы, связанного с диссоциацией ионогенных групп и формированием их гидратных оболочек, образованием раствора, состоящего из гидратированных ионов и свободной воды, а также энтропийным вкладом, обусловленным различными конфигурациями в размещении диссоциированных и недис-социированных ионогенных групп на полимерной матрице и ионов в растворе; и, наконец, потенциала, связанного с упругой деформацией полимерных цепочек при влагопоглоще-нии.

Результат сравнения теоретической зависимости, полученной в работе [7], (сплошная кривая) сопротивления Я образцов ионообменного полимера от влажности Р/Рз с экспериментальными данными (экспериментальные точки обозначены кружками) приведен на рис. 1. Экспериментальные исследования проводились на перфторированных полимерных катионообменных мембранах МФ-4СК в виде литиевой соли сульфокислоты обменной емкостью 0,78 мг-экв/г.

Полученные в рамках предложенной модели теоретические зависимости сопротивления ионообменного полимера от относительной влажности воздуха вполне адекватно объясняют имеющиеся экспериментальные данные в диапазоне влажностей от 10 до 100% и температур от 15 до 40 оС.

® Иванов И.В., 2017

Результаты настоящей работы показали, что при теоретической интерпретации имеющихся экспериментальных данных по проводимости ионообменного полимера, находящегося в равновесии с водяным паром, в рамках предложенного подхода принципиально важно как можно точнее учитывать электростатическую энергию зарядов в сорбированной пленке воды (учитывать дебаевское экранирование, поверхностный заряд, ион-дипольное взаимодействие при сорбции полярных молекул). Вклад этих факторов наиболее существен в области малых и средних влажностей.

Рис. 1. Зависимости сопротивления образца ионообменной мембраны от относительной влажности при разных температурах: (a) t = 15 °C; (б) t = 20 °C; (e) t = 30 °C; (г) t = 40 °C.

Однако для более полного описания механизма токопереноса в пористых ионообменных материалах с целью получения точных количественных результатов и детального их сравнения с экспериментом необходимо установить аналитическую зависимость сопротивления ионита от температуры. Это позволит полностью решить проблему температурной коррекции выходных параметров в максимально широком диапазоне.

Литература:

1. Кокотов Ю.А. Иониты и ионный обмен. Л.: Химия. 1980. 172 с.

2. Гантман А.И. // Основные закономерности сорбции воды полимерными ионитами. Журнал физической химии. 1992. Т. 66. № 7. С. 1713.

3. Gregor H., Sundheim B., Held K., Waxman M. // Studies on Ion-Exchange Resins. Water Vapor Sorption. Journal of Colloid Science. 1952. V. 7. Р. 511.

4. Тимашев С.Ф., Гладких С.Н. // О механизме переноса ионов в перфторированных сульфокатионитовых мембранах. Доклады Академии Наук. 1982. Т. 262. № 3. С. 656.

5. Агафонов В.М., Иванов И.В. // Фазовый переход при сорбции паров воды на поверхности ионообменных материалов. Журнал физической химии. 1996. Т. 70. № 5. С. 888.

6. Иванов И.В. // Проводимость полимерных ионообменных материалов при сорбции паров воды. Журнал физической химии. 2005. Т. 79. № 3. C. 534.

7. Иванов И.В. // Физическая модель гигрометра с чувствительным элементом из ионообменного полимера. Естественные и технические науки. 2017. № 4. С. 12