Akademia Górniczo - Hutnicza.

Wydział Wiertnictwa Nafty i Gazu.

Specjalność: Ochrona Środowiska.

Laboratorium z Geofizyki Poszukiwawczej

i Wiertniczej.

Ćw.nr.3: Badanie potencjałów dyfuzyjno-adsorpcyjnych

skał zbiornikowych.

Dariusz Sobala

Paweł Sołtys

Rok III

1. Wstęp teoretyczny.

Potencjał dyfuzyjny jest to siła elektromotoryczna, powstająca pomiędzy roztworami o różnej mineralizacji na skutek dyfuzji soli z roztworu o większym stężeniu do roztworu o mniejszym stężeniu soli.

Potencjały dyfuzyjne, obserwowane przy bezpośrednim kontakcie dwóch roztworów o różnym stężenia do roztworu o różnym stężeniu i składzie chemicznym są wywołane różnicami w ruchliwości ich jonów. Przy bezpośrednim kontakcie dwóch roztworów, różniącym się tylko stężeniem soli, powstający potencjał dyfuzyjny E_d określa równanie Nernsta:

gdzie:

R - uniwersalna stała gazowa,

F - stała Faraday′a,

n_a, n_k - ilość kationów i anionów, na które dysocjuje cząsteczka,

z_k, z_a - wartościowość kationu i anionu,

u, v - ruchliwość kationu i anionu,

C₁, C₂ - stężenie soli w roztworach.

Z równania wynika, że SEM dyfuzji może powstać wówczas, jeżeli:

1. roztwory kontaktujące się poprzez błonę półprzepuszczalną posiadają różne stężenia,

2. ruchliwość anionów i kationów w roztworze jest różna.

Jeżeli dyfuzja zachodzi poprzez przegrodę skalną, to jej charakter ulega zazwyczaj zmianie. Na dyfundujące jony oddziałuje bowiem wówczas ładunek elektryczny fazy twardej skały oraz dwuwarstwowy potencjał elektryczny. Część dyfundujących jonów jest hamowana poprzez ich adsorpcję na powierzchni szkieletu skały i dlatego pomiędzy roztworami kontaktującymi poprzez przegrodę skalną występuje inny rozkład potencjałów, które noszą nazwę dyfuzyjno-adsorpcyjna lub membranowych.

Warunkiem powstania potencjału dyfuzyjno-adsorpcyjnego są różne stężenia soli znajdujących się po obu stronach przegrody. Roztwór soli o wyższym stężeniu będzie posiadał nadmiar anionów i będzie ładował się ujemnie, a roztwór soli o mniejszym stężeniu będzie charakteryzował się przewagą kationów, które przeszły przez przegrodę z roztworu o większym stężeniu i będzie się ładował dodatnio. Wielkość potencjału dyfuzyjno-adsorpcyjnego (membranowego) zależy od różnicy koncentracji roztworów po

obu stronach przegrody, rodzaju soli oraz rodzaju przegrody, którą się wykorzystuje przy pomiarach w charakterze przegrody.

2. Przebieg doświadczenia.

Przygotowujemy dwa roztwory o różnych stężeniach soli:

C₁ = 4 g/l

C₂ = 10 g/l

Następnie równocześnie wlewamy roztwory do komór wanienki. Po wstawieniu elektrod do roztworów, przystępuje się do rejestrowania wartości potencjału mierzonego przez woltomierz cyfrowy. Początkowo rejestracje prowadzi się co 30 sekund, a po upływie 15 minut co 1 minutę.

3. Otrzymane wyniki i ich interpretacja.

Przyjmujemy potencjał międzyelektrodowy równy pierwszemu odczytowi otrzymanemu zaraz po włożeniu elektrod do roztworów:

U_me = 16,12 mV

Wyliczamy eksperymentalną wartość potencjału dyfuzyjno-adsorpcyjnego dla ostatniego odczytu po uwzględnieniu potencjałów międzyelektrodowych:

E_{da(zmierzone)} = U_{da(ostatni odczyt)} - U_me

E_da = -23,10 - 16,12 = -39,22 mV

Obliczamy potencjał teoretyczny przyjmując:

K_da = -58 mV.

E_da = K_da * lg(C₁/C₂)

E_da = 23,08 mV

Lp.	Uda[mV]	Lp.	Uda[mV]	Lp.	Uda[mV]	Lp.	Uda[mV]
1	99,98	26	27,72	51	21,64	76	0,48
2	16,12	27	27,68	52	21,20	77	-0,66
3	18,48	28	27,60	53	20,75	78	-1,72
4	20,10	29	27,52	54	20,28	79	-2,80
5	21,20	30	27,42	55	19,82	80	-3,82
6	22,28	31	27,34	56	19,35	81	-4,81
7	23,18	32	27,20	57	18,86	82	-6,02
8	23,94	33	27,08	58	18,40	83	-6,94
9	24,64	34	26,94	59	17,90	84	-8,00
10	25,17	35	26,82	60	17,40	85	-8,98
11	25,68	36	26,68	61	16,44	86	-9,94
12	26,12	37	26,52	62	15,40	87	-10,92
13	26,50	38	26,31	63	14,38	88	-11,86
14	26,78	39	26,20	64	13,40	89	-12,74
15	27,04	40	26,06	65	12,12	90	-13,66
16	27,26	41	25,72	66	11,22	91	-14,58
17	27,42	42	25,35	67	10,20	92	-15,36
18	27,58	43	25,01	68	9,06	93	-16,32
19	27,64	44	24,62	69	8,06	94	-17,30
20	27,74	45	24,20	70	7,00	95	-18,28
21	27,78	46	23,80	71	5,90	96	-19,25
22	27,82	47	23,40	72	4,80	97	-20,20
23	27,82	48	22,96	73	3,72	98	-21,16
24	27,80	49	22,55	74	2,64	99	-22,14
25	27,77	50	22,10	75	1,55	100	-23,10

4. Wnioski.

W naszym ćwiczeniu odrzucamy pierwszy pomiar, ponieważ znaczni odbiega on od pozostałych. Spowodowane to jest błędnym odczytaniem wskazań miernika.

Wartość potencjału dyfuzyjno-adsorpcyjnego obliczonego teoretycznie odbiega od wartości obliczonej doświadczalnie. Przyczyną takich wyników jest prawdopodobnie: brak stabilizacji potencjału U_da, nieodpowiednia wielkość przyjętego współczynnika K_da, niedokładność i zanieczyszczenie urządzeń pomiarowych.

Przedstawiając przebieg doświadczenia graficznie, można zauważyć, iż cały proces zachodzi w trzech zasadniczych fazach:

I - obserwujemy gwałtowny wzrost potencjału, co wywołane było

największą różnicą stężeń roztworów,

II - poziom potencjału ulega ustaleniu, występują niewielkie

wahania,

III - spadek wartości potencjału (wyrównywanie się stężeń).

---