羧甲基纤维素钠凝胶的制备及电解效率的研究

吴凯霖，凌 新，边朝阳，陆春海

（成都理工大学，地学核技术四川省重点实验室，四川 成都 610059）

CMC-Na的形态可为粉末状、纤维状、颗粒状的固体，白色或者淡黄色，不具有特殊气味，吸湿能力强，具有较大的溶解度，水溶液具有一定的黏度[1-3]。在传统的电化学实验中，电解质往往是液体，因而受制于电解槽的几何形状和尺寸。本文以羧甲基纤维素钠为原料合成胶体[4-5]，再将胶体作为电解质进行电解实验。由于凝胶自身具有支持力和黏度，可以轻松粘连在两极板之间[6-7]，因而此过程不需要电解槽。在此条件下，研究了不同因素对电解效率的影响。

1 实验材料和方法

1.1 试剂与仪器

材料：将201不锈钢加工成27mm×50mm×1mm的工件。

试剂：羧甲基纤维素钠、氯化钠、硝酸钠、硫酸钠(均为分析纯)。

仪器：FA1004N电子天平，ZD-ss直流电源，KSS-1600℃高温节电炉，DHG电热鼓风干燥箱，SX-620笔式pH计。

1.2 羧甲基纤维素钠凝胶的制备

先向烧杯中加入一定量的200g·L-1NaCl电解质溶液，将CMC-Na缓慢均匀地撒入烧杯中，同时用玻璃棒不断搅拌，使CMC-Na与水完全融合。搅拌可提高CMC-Na的溶解速度，并能防止CMC-Na与水相遇时发生结块而降低CMC-Na的溶解量。当CMC-Na在水中均匀分散、没有明显的团块状物体存在时，停止搅拌，让CMC-Na与水相互渗透、融合。从CMC-Na加入烧杯中与水混合开始，直到CMC-Na完全溶解，所需的时间在10～20h之间。为了减少CMC-Na完全溶化所需的时间，以及减少团块状物体的形成，可以将混合物置于60℃烘箱中保温4h，即可制得CMC-Na凝胶。保温时要在烧杯上封上一层保鲜膜，以免表面干裂成固体，不能形成胶体。值得注意的是，保温温度不宜过高，较高温度(＞80℃)下长时间加热，会使胶体变性导致黏度和性能明显下降，但温度较低时，保温形成胶体的时间较长。

电解过程中，影响电解效率的因素很多，包括电流密度、电解间距、电解质的电导率等，因此实验过程中，必须准确控制电极间距，设计的实验装置如图1所示。将需要电解的不锈钢试样插入可以调控间距的电解槽中，然后向两个极板中注入凝胶，接通直流电源。电解结束后，称取阳极极板在电解前后的质量，以极板试样的失重量来反映电解效率。

图1 电解反应装置示意图

2 结果与分析

2.1 凝胶浓度对电解效率的影响

配置CMC-Na凝胶时要确定合适的浓度。浓度太低，凝胶自身的支持力不够，无法维持自身的形状；浓度太高又会降低电解效率。使用不同浓度的凝胶进行电解实验，电解时间为40min，结果如图2所示。可以看到，随着凝胶浓度升高，失重先升高后降低，浓度为10%时的效果最佳。低浓度时，反应过程中产生气泡的情况严重，凝胶容易从样品表面流失。凝胶浓度越高，溶解越困难，形成的凝胶表面的孔隙更多，导致与样品的接触更不充分。本实验中最佳凝胶浓度确定为10%。

图2 凝胶浓度和失重的关系曲线

2.2 电解质种类对电解效率的影响

分别以NaCl、Na2SO4、NaNO3为电解质进行实验，结果如图3所示。从图中可以看出，3种电解质的电解效果为：NaCl＞Na2SO4＞NaNO3，NaCl作为电解质时拥有最好的电解效率。

图3 电解质种类和失重的关系曲线

随着电解反应的进行，试样的失重速率有所下降，原因是凝胶中的电解质被消耗，同时会产生气体，导致凝胶和试样的接触不充分。且反应会产生大量的热量，导致凝胶碳化，系统的内阻增加，从而导致电解效率下降。

2.3 电流密度对电解效率的影响

使用不同的电流密度对试样进行电化学实验，结果如图4所示，失重随着电流密度的增大而增大。随着电流密度增加，电解效率越来越好，但凝胶的升温失效糊化却变得越来越快，同时还会产生气泡及少量溶液。在电解过程中，不锈钢作为阳极电极会释放热量，热量在凝胶中传递较慢，造成局部高温，从而使CMC-Na凝胶失效糊化，表明CMC-Na凝胶在高温下的热稳定性差。电流密度越高，热量产生得越快，导致热量更不易释放，凝胶更容易糊化。电流密度为0.1 A·cm-2和0.15 A·cm-2时，会发生电流下降的现象，分别出现在电解时间为25min和18min的时候，所以选择0.05 A·cm-2为最佳电流密度。

图4 电流密度和失重的关系曲线

图5中，从左到右分别是原始试样、电流密度为0.05A·cm-2反应后试样、电流密度为0.15A·cm-2反应后试样、电流密度0.15A·cm-2反应后的凝胶。可以看出，虽然大电流可以加快试样的电解效率，但是反应过程太剧烈，放热严重，在反应中会造成凝胶的自持力下降，流出电解装置。且电流密度越高，热量产生得越快，凝胶的升温失效碳化越严重，会在试样上留下黑色碳化物，影响外观。

图5 原始试样和电解后的试样图

2.4 电极距离对电解效率的影响

控制电解质浓度为200 g·L-1，电流密度为0.05 A·cm-2，凝胶浓度为10%，改变电极距离，结果如图6所示。电极距离为1.5cm时电解效率达到最佳。过大的电极距离使得需要注入的凝胶过多，从电解效率、经济、环保角度来看，电解距离以1.5cm为最佳。

图6 电极距离和失重的关系曲线

2.5 pH对电解效率的影响

电解过程中电极间距为0.5 cm，电流密度为0.05 A·cm-2，配制由不同pH的电解质溶液制成的凝胶，研究其对电解效率的影响，结果见图7。由图7可知，随着pH增加，电解效率先增大后减小，时间越长，电解效率的差别就越大，pH=7时的电解效率最佳。考虑到CMC-Na凝胶在中性条件下的性能最佳，因此采用电解质溶液的pH为7左右的凝胶进行电解。

图7 pH和失重的关系曲线

2.6 电解质浓度对电解效率的影响

在配制的CMC-Na凝胶中电解不锈钢试样，电解过程中电流密度为0.05 A·cm-2，电极间距为1.5 cm，研究不同的电解质浓度对电解效率的影响，结果如图8所示。在相同的电解时间内，随着硝酸钠的浓度增加，电解效率越来越好。考虑到经济性与效率，确定以电解质浓度为200 g·L-1配制的凝胶为电解材料。

图8 电解质浓度和失重的关系曲线

3 结论

以合成的羧甲基纤维素钠水凝胶替代传统的电化学中的电解质，利用高分子凝胶的支持力，突破电化学实验需要依赖电解槽这个技术瓶颈。与液体电解质相比，以电解质为凝胶，更方便实验后的处理和保存。本文采用羧甲基纤维钠制备凝胶，以凝胶为电解质，研究了凝胶浓度、电解质种类、电流密度、电极距离、pH、电解质浓度等因素对电解效率的影响。结果显示，电解效率随着时间的增加呈现下降趋势。此过程中消耗了电解质，凝胶发生了碳化，内阻增大，导致电解效率下降。实验的最优参数为：凝胶浓度10%，电解质为NaCl，电极距离1.5cm，电流密度0.05A·cm-2，pH为7，电解质浓度200g·L-1。