薄膜製備

製備步驟：

1. PVC 非均相陰陽離子交換膜

(1) 將樹脂顆粒磨至帄均粒徑小於 5μm(全部小於 20μm)。

(2) 將各重量比例之磨好的樹脂粉與 PVC 加入適量(約 8 毫升)THF 內攪拌均勻直 到 PVC 完全溶解，且樹脂粉均勻分散於溶液中。

(3) 將 DOP 依 1ml:1g PVC 的比例加入上述溶液內並攪拌至均勻。

(4) 將準備完成均勻狀態的鑄膜液立即倒於玻璃板上，以 300μm 的刮刀刮製成薄

膜。

(5) 薄膜置於室溫下空氣中待溶劑揮發 15 分鐘，再浸泡於去離子水中 24 小時。

(6) 將薄膜取出並浸泡於甲醇溶液中 24 小時。

(7) 將薄膜取出並浸泡於 0.5M NaCl 溶液中保存。

註：此處溶劑體積乃為適當溶液黏度而選擇，可依製程不同或需要黏度不同而改 變其體積。

Fig.3-2 Procedures of preparing heterogeneous membranes.

2. 自製非均相陰離子交換膜添加 CTAC

與 PVC 膜製程大致上相同，僅將不同重量比例之 CTAC 加入上述步驟 4 完成 之鑄膜液中再行攪拌均勻。

3. 改變樹脂粒徑大小、樹脂比例、揮發時間

分別改變第一部分的製程中 PVC 與樹脂混合的比例，或改變攪拌的時間，或

3.3.2 薄膜性能測定

在進行離子交換膜的性能指標測定之前，通常會優先檢測膜本身是否有明顯 的缺陷(如：針孔(Pinhole))存在，若有缺陷則會使得接下來的性能測定結果失去可 信度，應用方面也會產生與預期落差甚大的結果【4】。常見的缺陷簡易檢測方式 是將潤濕的薄膜墊於易於潤濕的白紙上，再將有色染劑約 0.2%的 ErythrosinB 溶液 (用於陽離子交換膜)或約 0.2%的 Methylene blue 溶液(用於陰離子交換膜)灑在膜面 上，若最後無染料透過顯現於背後之白紙上，即表示沒有明顯的缺陷【4】【5】【9】，

Water content ×100%

W

2. 離子交換容量

陰離子交換膜(沉澱滴定法)【4】【5】【6】【9】【32】【33】：

近年來發展了更加穩定可靠的交流電阻抗譜法(Alternative current impedance)，

與 AC 測量法不同之處在於 AC 測量法的電流頻率是固定不變的，而交流電阻抗譜

可以改變其電流頻率並偵測不同電流頻率下所反映之阻抗值。其裝置是利用兩個 鈍性電極夾住待測膜兩端，再外接至恆電位儀(Potentiostat)與交流阻抗分析儀(AC impedance analyzer)，經由分析儀所得之圖譜即可得知薄膜之電化學性質。

Fig.3-3 Schematic drawing of the test cell cross-section used for the impedance measurements.【9】

不同的物理意義：當φ=0，電阻本身即為阻抗值(Z=V0/I0=R)，且與頻率無關，故 於交流阻抗圖譜(Nyquist diagram)中為一實數軸上的點，如 Fig.3-4 (a)【34】。當φ=π/2，

此時阻抗為頻率與電容值的函數(Z=1/iωC)，於阻抗圖譜上為虛數軸上的一條直線，

Fig.3-4 The Nyquist diagram of resistance and capacity units and their combination:(a)simple resistance; (b)simple capacity; (c)series connection;

(d)parallel connection.【34】

實際上測量時，薄膜對於離子移動的阻抗與電容效應，可用總體阻抗(Bulk resistance, Rb)與總體電容(Bulk capacity, Cb)來代表；而電荷轉移阻抗(Charge transfer resistance, R_ct)則為電化學反應中電荷轉移所需的反應活化能；至於電極介面上的電 雙層性質，可用電雙層電容(Double layer capacitance, Cd)來模擬之。以下 Fig.3-5 二 圖為實際測量離子交換膜時常見的阻抗圖譜與其對應之等效電路【34】。

Fig.3-5 The Nyquist diagram of two equivalent circuits.【34】

(2) 測量步驟：

本實驗使用之恆電位儀的型號為 Solartron SI 1287，交流阻抗分析儀為 Solartron 1255B。兩端電極為不銹鋼材質，直徑=1cm，截面積(A)=0.7854cm²。 (i) 將恆電位儀與交流阻抗分析儀開機 10 分鐘後暖機完成。

(ii) 開啟 ZPlot 與 ZView 軟體後，先將恆電位儀的四條電線依代碼依序連接至測詴 器測詴，如有誤差則應檢查金屬接頭與電線是否有接觸問題，確認無明顯誤 差後開始測詴薄膜電阻。

(iii) 待測膜應先浸泡於 0.5M NaCl 溶液內 24 小時以上直至帄衡【4】【5】【6】【31】。 Donnan exclusioin 所造成的 Donnan potential 與離子的傳輸速度所造成的 Diffusion potential 總和。藉由測量此電位，代入 Nerst 方程式【35】中，即可求得視離子傳 輸數目(Apparent transport number)：

γ )

measure (3-9)

對於理論上理想的離子交換膜而言，其離子傳輸數目應等於 1，即可以完美的

theory (3-10)

其中，γ1與γ2的值以 Debye-Huckel 方程式【36】求得後，將上述二式相除整理後

再將上式代入選擇透過性的定義式中，即可得離子交換膜的視透過選擇性 (Apparent permselectivity)：

co