ЯЧЕЙКА ДЛЯ ИССЛЕДОВАНИЯ ЭЛЕКТРОХИМИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ

Полезная модель относится к измерительной технике и может использоваться для исследования электрохимических процессов, протекающих на поверхности подводного оборудования в морских условиях.
Наиболее близким аналогом заявленной полезной модели является ячейка для исследования электрохимических процессов, содержащая диэлектрический корпус, заполненный исследуемой текучей средой, с закрепленными в нем рабочим электродом, вспомогательным электродом и электродом сравнения, при этом диэлектрический корпус выполнен из скрепленных между собой цилиндра, крышки и основания (см. патент на изобретение RU 2326374, G01N 27/28, 10.06.2008).
Недостатками известного устройства являются:
- отличие электрохимических характеристик рабочего электрода при измерениях в известном устройстве от электрохимических характеристик материала подводного сооружения в движущейся текучей среде (морской воде), поскольку исследования в известном устройстве проводятся в условиях отличных от тех, в которых находится подводное сооружение (аэрация, влажность, температура);
- недостаточно высокая точность определения вольтамперных характеристик рабочего электрода в исследуемых текучих средах;
- трудоемкость и затраты времени на операции по сборке-разборке и подготовке ячейки к повторным измерениям.
Задачей заявленной полезной модели является создание универсальной ячейки для исследования электрохимических процессов без упомянутых выше недостатков.
Заявленная полезная модель обеспечивает достижение следующих технических результатов:
- повышение точности исследований электрохимических процессов, за счет приближения лабораторных условий проведения исследований электрохимических процессов к реальным условиям, в которых находится подводное сооружение;
- снижение трудоемкости и затрат времени при подготовке ячейки к измерениям, за счет отсутствия необходимости в сборке - разборке ячейки при повторных измерениях;
- повышение точности определения вольтамперных характеристик рабочего электрода в исследуемых текучих средах;
- увеличение срока службы электрода сравнения.
Технический результат заявленного изобретения достигается за счет того, что ячейка для исследования электрохимических процессов содержит диэлектрический корпус, заполненный исследуемой текучей средой, с закрепленными в нем рабочим электродом, вспомогательным электродом и электродом сравнения, при этом диэлектрический корпус выполнен из скрепленных между собой цилиндра, крышки и основания, а также за счет того, что ячейка сообщена с трубопроводом, в котором протекает исследуемая текучая среда, посредством выполненных в основании входного отверстия для текучей среды и выходного отверстия для текучей среды, электрод сравнения является хлорсеребряным и содержит корпус, в котором размещена трубка с внутренним серебряным стержнем, причем на стержень нанесен слой хлорида серебра, поверх которого закреплен слой волокнистого материала, а корпус электрода сравнения заполнен раствором электролита, имеющим то же солесодержание, что и исследуемая текучая среда, кроме того рабочий и вспомогательный электроды электрически изолированы друг от друга и расположены в одной вертикальной плоскости с электродом сравнения.
В качестве волокнистого материала может быть использована стекловата.
Вспомогательный электрод может быть изготовлен из электрохимически инертного к исследуемой текучей среде металла, например, из платины.
Сообщение ячейки с трубопроводом, в котором протекает исследуемая текучая среда, посредством входного отверстия для текучей среды и выходного отверстия для текучей среды, обеспечивает возможность проведения исследований в движущейся текучей среде, т.е. в условиях приближенных к условиям, в которых находится подводное сооружение, а также исключает операции по сборке - разборке ячейки при проведении повторных измерений за счет того, что исследуемая текучая среда проходит по ячейке проточно, и, следовательно, нет необходимости разбирать ячейку для заполнения ее исследуемой текучей средой перед проведением повторных исследований.
Электрическая изоляция друг от друга рабочего и вспомогательного электродов и расположение их в одной вертикальной плоскости с электродом сравнения обеспечивает повышение точности определения вольтамперных характеристик рабочего электрода в исследуемых текучих средах за счет создания в электролите максимально равномерного электрического поля и минимизации влияния электрических помех, возникающих в исследуемой текучей среде, на результаты измерения вольтамперных характеристик рабочего электрода.
Заполнение корпуса электрода сравнения раствором, имеющим то же солесодержание, что и исследуемая текучая среда, обеспечивает повышение точности определения вольтамперных характеристик рабочего электрода в исследуемых растворах за счет минимизации влияния свойств окружающей среды на химический состав электролита в электроде сравнения и минимизации ошибки в определении потенциала рабочего электрода электродом сравнения, связанной с концентрационным переносом хлорид-ионов из раствора электролита в электроде сравнения в исследуемую текучую среду, находящуюся в корпусе ячейки.
Применяемый в качестве электрода сравнения хлорсеребряный электрод имеет стабильный потенциал и простоту конструкции.
Размещение в электроде сравнения поверх слоя хлорида серебра слоя волокнистого материала, например стекловаты, обеспечивает фиксацию слоя хлорида серебра на серебряном стержне и увеличение срока службы электрода сравнения за счет предотвращения осыпания хлорида серебра с серебряного стержня.
Преимуществом выполнения вспомогательного электрода из электрохимически инертного к исследуемой текучей среде металла, например из платины, является то, что платина является идеально поляризуемой, т.е. ее потенциал можно менять в широком диапазоне (обычно несколько вольт) и, кроме того, платина не окисляется в водных средах при любых значениях рН и обеспечивает высокую электронную проводимость.
Сущность полезной модели поясняется чертежами.
На фиг.1 представлен общий вид ячейки для исследования электрохимических процессов.
На фиг.2 представлен вид сверху ячейки для исследования электрохимических процессов.
На фиг.3 представлена часть электрода сравнения, закрепленного в крышке.
Ячейка для исследования электрохимических процессов содержит диэлектрический корпус, выполненный из скрепленных между собой цилиндра 1, крышки 2 и основания 3, а также содержит электрод сравнения 4 закрепленный в крышке 2, рабочий электрод 5 с изолированным проводом 6, выведенным сквозь боковое отверстие 7 цилиндра 1, вспомогательный электрод 8 с изолированным проводом 9, выведенным сквозь боковое отверстие 10 цилиндра 1, и диэлектрический цилиндрический элемент 11.
Диэлектрический цилиндрический элемент 11 установлен внутри цилиндра 1 соосно ему и имеет высоту меньше, чем высота цилиндра 1.
Диэлектрический корпус заполнен исследуемой текучей средой 12.
На поверхности основания 3, расположенной между цилиндром 1 и диэлектрическим цилиндрическим элементом 11, выполнены отверстия 13, в которых жестко закреплены рабочий электрод 5 и вспомогательный электрод 8. Рабочий электрод 5 и вспомогательный электрод 8 расположены в одной вертикальной плоскости с электродом сравнения 4. Расстояние между рабочим электродом 5 и вспомогательным электродом 8 составляет около 20 мм.
Вспомогательный электрод 8 может выступать из наружной поверхности основания 3 не более чем на 1 мм, а рабочий электрод 5 располагают заподлицо с наружной поверхностью основания 3.
Электрод сравнения 4 жестко закреплен в центре крышки 2. Внутри корпуса 20 электрода сравнения 4 размещена трубка 14 с внутренним серебряным стержнем 15. Корпус 20 электрода сравнения 4 заполнен раствором электролита 16, представляющим собой раствор хлорида натрия (NaCl), имеющим тоже солесодержание, что и исследуемая текучая среда. От электрода сравнения 4 выведен изолированный провод 17.
На серебряный стержень 15 электрохимическим способом нанесен слой хлорида серебра (AgCl) 18, для создания электрода второго рода, обратимого по аниону. Поверх слоя хлорида серебра 18 закреплен слой волокнистого материала 19, который фиксирует слой хлорида серебра 18 на серебряном стержне 15. Плотное примыкание слоя волокнистого материала 19 к слою хлорида серебра 18 предотвращает его осыпание с серебряного стержня 15. Трубка 14 может быть выполнена полимерной, а в качестве волокнистого материала 19 может быть использована стекловата, закрепленная фиксирующими элементами (на чертеже не показаны) поверх слоя хлорида серебра 18.
Зазор между цилиндром 1 и диэлектрическим цилиндрическим элементом 11 заполнен химически нейтральным диэлектрическим герметиком 21 для обеспечения электрической изоляции рабочего 5 и вспомогательного 8 электродов друг от друга.
Ячейка сообщена с трубопроводом (на чертеже не показан), в котором протекает исследуемая текучая среда, посредством выполненных в центральной части основания 3 входного отверстия 22 для текучей среды и выходного отверстия 23 для текучей среды. Основание 3 может иметь торцы изогнутой формы для удобства его закрепления на трубопроводе. В трубопроводе выполнены ответные отверстия для прохождения исследуемой текучей среды из трубопровода в ячейку (на чертеже не показаны). Кроме того, в упомянутом выше трубопроводе выполнены сквозные проемы (на чертеже не показаны), сопряженные с отверстиями 13, в которых закреплены рабочий электрод 5 и вспомогательный электрод 8. Сквозные проемы имеют диаметр равный или больший, чем диаметр отверстий 13.
Рабочий электрод 5 может быть изготовлен из того же металла, из которого изготовлен трубопровод. Вспомогательный электрод 8 может быть изготовлен из электрохимически инертного к исследуемой текучей среде металла, например из платины.
Исследование электрохимических процессов посредством заявленной ячейки осуществляют следующим образом.
Свойства рабочего электрода исследуют путем размещения ячейки на трубопроводе с движущейся исследуемой текучей средой, моделируя таким образом условия, в которых находится подземное оборудование в морской среде.
Основание 3 закрепляют на стенке трубопровода, в котором движется исследуемая текучая среда. Для этого изогнутые торцы основания 3 с резиновой прокладкой плотно прижимают к трубе хомутами так, чтобы основание 3 плотно прилегало к трубопроводу.
Основание 3 устанавливают на трубопроводе таким образом, чтобы входное отверстие 22 и выходное отверстие 23 были сопряжены с ответными отверстиями выполненными в трубопроводе (на чертеже не показаны).
В трубопроводе создают давление и пропускают через него исследуемую текучую среду 12. Через входное отверстие 22 в корпус ячейки поступает исследуемая текучая среда 12 и заполняет его. Через выходное отверстие 23 текучая среда отводится из ячейки.
Исследование электрохимических процессов проводят путем измерения вольтамперных характеристик рабочего электрода 5.
Перед началом измерений измеряют солесодержание в исследуемой текучей среде 12, после чего заполняют электрод сравнения 4 электролитом 16 с тем же солесодержанием, что и исследуемая текучая среда 12. Для заливки электролита 16 в корпусе электрода сравнения 4 имеется отверстие (на чертеже не показано), в которое при помощи шприца заливается раствор электролита 16, после чего отверстие герметизируется. Электрод сравнения 4, потенциал которого не изменяется, служит для съема контрольного сигнала.
Изолированный провод 6 рабочего электрода 5, изолированный провод 9 вспомогательного электрода 8 и изолированный провод 17 электрода сравнения 4 подключают к соответствующим трем гнездам потенциостата (на чертеже не показан).
Контактирование рабочего электрода 5 и вспомогательного электрода 8 с исследуемой текучей средой 12, протекающей в трубопроводе, обеспечивается за счет наличия в трубопроводе сквозных проемов сопряженных с отверстиями 13.
С помощью потенциостата измеряют вольтамперные характеристики рабочего электрода 5. Потенциал рабочего электрода 5 регулируется по отношению к электроду сравнения 4 с помощью вспомогательного электрода 8. Омическая составляющая измеряемого потенциала рабочего электрода 5 нивелируется в современных потенциостатах IR-компенсацией омического скачка потенциала.
По величинам и характеру изменения поляризационных (вольтамперных) характеристик рабочего электрода 5 делают заключения о механизме электрохимических процессов, протекающих на границе раздела сред: рабочий электрод/движущаяся текучая среда (электролит).
Заявленная ячейка для исследования электрохимических процессов позволяет проводить исследования электрохимических процессов в движущихся текучих средах в лабораторных условиях, приближенных к условиям, в которых находится поверхность подводного сооружения в морских условиях и обеспечивает точность определения вольтамперных характеристик рабочего электрода в исследуемой текучей среде.
Полезная модель может быть использована на испытательных стендах при исследовании электрохимических процессов, протекающих на поверхности подводного оборудования в морских условиях.