イオン交換膜の過選択性の接合電位バイアス測定

Junction Potentials Bias Measurements of Ion Exchange Membrane Permselectivity.

• Ryan S Kingsbury
• Sophie Flotron
• Shan Zhu
• Douglas F Call
• Orlando Coronell

抄録

イオン交換膜(IEM)は、水処理、廃棄物処理、エネルギー生産、産業分離プロセスなど様々な分野で使用されている汎用性の高い材料です。IEMの特徴は、正または負のイオンを選択的に透過させる能力であり、これはパーム選択性と呼ばれています。陽イオン交換膜（CEM）では、パーム選択性が1に等しい（完全に選択性のある膜に相当）か、1を超える（理論的には不可能）という測定値が報告されています。このような非物理的な結果は、この重要な膜特性を正しく測定する能力に疑問を投げかけています。これらの異常な過選択性の結果は、計量誤差、温度、測定の不確かさでは説明がつかないことが示されているため、我々は、参照電極の先端で発生する接合電位が説明の可能性があると仮説を立てた。本研究では、この仮説を検証するために、接合部のない裸のAg/AgClワイヤ電極から得られたパーマ選択性の値と、2種類の異なる電解質を含む単接合の参照電極から得られた値を比較することで検証を行いました。その結果、接合部のある参照電極を用いて得られたパーム選択性値は、CEMではユニティー以上であることが分かりました。対照的に、接合部のない電極では、常に単一性よりも低いパーマ選択性が得られました。また、接合部を有する電極は、接合部を有さない電極と比較して、人為的に低いパーマ選択性値をＡＥＭにもたらした。このように、参照電極のジャンクションは、IEM文献の結果に2つのバイアスを導入していると結論づけています。(i) CEMのためにユニティーよりも大きいパーマ選択性値、(ii) CEMのための値に比べてAEMのための低いパーマ選択性値です。これらのバイアスは、接合部のない電極を使用することで回避することができます。

Ion exchange membranes (IEMs) are versatile materials relevant to a variety of water and waste treatment, energy production, and industrial separation processes. The defining characteristic of IEMs is their ability to selectively allow positive or negative ions to permeate, which is referred to as permselectivity. Measured values of permselectivity that equal unity (corresponding to a perfectly selective membrane) or exceed unity (theoretically impossible) have been reported for cation exchange membranes (CEMs). Such nonphysical results call into question our ability to correctly measure this crucial membrane property. Because weighing errors, temperature, and measurement uncertainty have been shown to not explain these anomalous permselectivity results, we hypothesized that a possible explanation are junction potentials that occur at the tips of reference electrodes. In this work, we tested this hypothesis by comparing permselectivity values obtained from bare Ag/AgCl wire electrodes (which have no junction) to values obtained from single-junction reference electrodes containing two different electrolytes. We show that permselectivity values obtained using reference electrodes with junctions were greater than unity for CEMs. In contrast, electrodes without junctions always produced permselectivities lower than unity. Electrodes with junctions also resulted in artificially low permselectivity values for AEMs compared to electrodes without junctions. Thus, we conclude that junctions in reference electrodes introduce two biases into results in the IEM literature: (i) permselectivity values larger than unity for CEMs and (ii) lower permselectivity values for AEMs compared to those for CEMs. These biases can be avoided by using electrodes without a junction.