ОКСИДНЫЙ ЭЛЕКТРОД С КОМПОЗИЦИОННЫМ ТОКОПОДВОДОМ

Изобретение относится к электрохимии, в частности к техническим средствам электрохимических производств и систем электрохимической защиты, конкретнее к технологии изготовления магнетитовых электродов для электролиза водных сред с рН 2÷14 и катодной электрохимической защиты от коррозии нефтегазопроводов, резервуаров и других металлоконструкций.
Известен электрод, состоящий из магнетитовой трубы, снабженной торцевыми крышками [1] (DE №1068675 от 28.06.60). Внутренняя часть трубы заполнена жидкой ртутью, которая служит ток подводящим и ток распределяющим элементом конструкции. Ртуть обеспечивает низкоомный электрический контакт с магнетитом по всей внутренней поверхности конструкции. Внешний токоподвод к ртути осуществляется через верхнюю металлическую крышку. Основным недостатком такого электрода является применение токсичной и дорогой ртути.
Известен оксидный анод, применяемый при катодной защите от коррозии [2] (ЕР №0102380 от 14.03.1984]. Полый цилиндрический корпус анода из оксида железа (магнетита) внутри покрыт слоем металла (сплава) или диоксида свинца, который служит ток распределяющим элементом. Токоподвод выполнен в форме спирали-пружины, которая образует с ток распределяющим покрытием электрический контакт с малой площадью контактной поверхности в центральной части полости отливки. Спираль-пружина соединяется с токоподводящим кабелем сваркой или пайкой. Внутренняя часть конструкции заполнена герметиком, который дополнительно усиливает прижим пружинного контакта к ток распределяющему покрытию. К недостаткам электрода относятся: ненадежность электрического контакта с малой площадью контактной поверхности, невозможность эксплуатации поврежденных электродов (наличие сквозных трещин или расколов отливки) из-за коррозии ток распределяющего металлического покрытия и узла токоподвода.
Известен анод для катодной защиты, выполненный в виде трубы [3] (US №4515669 от 07.05.1985). Токоподвод электрода изготовлен в виде двух клиновидных металлических блоков, к одному из них приваривается (припаивается) токоподводящий кабель. При аксиальном смещении блоки плотно прилегают к внутренней поверхности анода, образуя электрический контакт с внутренней поверхностью электрода. В отличие от пружинного контакта, примененного в предыдущем варианте анода, площадь поверхности контакта в данной конструкции существенно больше. Узел контакта защищен герметиком. Недостатки конструкции электрода: отсутствие ток распределяющего покрытия в полости анода, опасность появления критических механических напряжений для магнетитовой отливки в области токоподводящего узла и коррозионное разрушение узла токоподвода при появлении повреждений корпуса анода.
Ближайшим аналогом (прототипом) предполагаемого изобретения является анод, изготовленный из магнетитового литья. [4] (RU №46011 от 10.06.2004 г.). Этот анод имеет полый литой магнетитовый корпус с медным или никелевым ток распределяющим покрытием в полости отливки. Токоподводящий контакт с ток распределяющим покрытием находится в средней части полости. Он выполнен из сплава Pb - Bi, затвердевающего с увеличением объема, чем обеспечивает плотность контакта с ток распределяющим покрытием. Такой контакт является более надежным, чем пружинный, т.к. имеет повышенную площадь контактной поверхности. В качестве недостатка конструкции следует отметить, появление механических напряжений в магнетитовой отливке в области токоподводящего контакта, способствующих разрушению корпуса анода. Кроме того, сплавы Pb - Bi обладают токсичностью.
Задачами изобретения являются: повышение равномерности распределения тока по поверхности магнетитового анода с и понижение влияния механических повреждений литого корпуса электрода на его эксплуатационные параметры.
Сущность изобретения: анод для электролиза водных сред, содержащий полый литой цилиндрический корпус и ток подводящий узел, отличается от аналогов и прототипа тем, что ток подводящий узел выполнен в композиционном варианте (металл токоввода + заполнитель). Он включает два омических контакта: «металл токоввода - заполнитель» и «заполнитель -магнетит».
Дополнительное отличие состоит в том, что токоподводящий контакт «заполнитель - магнетит» реализуется по всей площади поверхности полости корпуса анода. Для создания надежного низкоомного контакта «заполнитель - магнетит» обеспечивающего достаточно равномерное распределение тока по внешней поверхности электрода применяются коррозионно-стойкие материалы. Их удельное электрическое сопротивление должно быть ниже, чем у магнетита.
Указанным требованиям отвечают природные графиты и синтезированные из них формы, - терморасширенные графиты (ТРГ)[5]. Графиты обладают достаточно высокой коррозионной стойкостью в слабокислых, слабощелочных и нейтральных водных средах [6] и низким удельным электрическим сопротивлением (таблица).
Наряду с графитами, в качестве заполнителя могут быть использованы их композиты. Прежде всего, это графитопласты - антегмиты. В химической промышленности антегмиты применяются как коррозионно-стойкий материал в виде труб, футеровочных плиток и других изделий [6-8]. Удельное электрическое сопротивление промышленных антегмитов марок АТМ-1, ATM-10, АТМ-ГГ ниже, чем у магнетита (таблица). Его можно еще более понизить, добавляя к графиту медного или железного порошка и меняя размер частиц токопроводящего наполнителя [9,10].
2
Температура формования антегмита составляет (170-190)°С при давлении 20 МПа (200 кгс/см) [7,10], что не влияет на свойства магнетита, так как его структура не изменяется до 570°С[15].
Известно[16, 17], что композиты на основе ТРГ имеют низкий порог перколяций. Это позволяет применять их в жидкой консистенции и является существенным технологическим преимуществом.
Устройство предлагаемой полезной модели поясняет фигура 1.
Показанный на фиг. 1 анод, содержит корпус из магнетита (1), выполненный в виде полого цилиндра, внутрь которого вставлен токопроводящий кабель (5) с изоляцией (6). Полость корпуса с кабелем заполняется композитным материалом (антегмит) (2), что в результате образует токопроводящий узел. Торцевая полость анода заполнена герметизирующим материалом (герметиком) (3) и закрыта крышкой (4) из термореагирующей пластмассы.
Литература
1. Gieseke W. Magnetitelektrode  elektrochemische Verfahren und Verfahren zu ihrer Herstellung - DE №1068675.
2. Linder, ,  Oxide anode for use in impressed current cathodic corrosion protection - EP0102380. Publication Date: 1984.03.14.
3. James R., Diamond, Barton, and James B. Bushman Anode and connection US 4515669. Publication Date: 07.05.1985.
4. Хоришко Б.А., Марценко К.H., Давыдов А.Д., Захаров В.Ф., Иванова О.В., Земляков Ю.Д. Анод для катодной защиты патент RU 46011 от 10.06.2004 г.
5. Белова М.Ю. Графит, ИГ и ТРГ (краткий обзор). URL: http://www.sealur.ru/pdf/useful/reports/grafit.pdf.
6. Воробьева Г.Я. Коррозионная стойкость материалов в агрессивных средах химических производств. 2е изд. - М.: Химия, 1975. - 816 с.
7. Сагалаев Г.В. и др. Справочник по технологии изделий из пластмасс. - М.: Химия, 200. - 424 с.
8. Клипов И.Я., Удыма П.Г. Химическое оборудование в коррозионностойком исполнении. Справочник. - М.: Машиностроение, 1970. - 589 с.
9. Николаев А.Ф. Синтетические полимеры и пластические массы на их основе. - Л.: Химия, 1966. - 768 с.
10. Яковлев А.Д. Технология изготовления изделий из пластмасс. - Л.: Химия, 1977. - 360 с.
11. Хоришко Б.А., Давыдов А.Д., Иванова О.В. и др. Свойства и технология железо-оксидного электродного материала / Материалы VI Международной научной конференции «Современные методы в теоретической и экспериментальной электрохимии» - г. Плёс, 2014. С. 8.
12. R. Itai, М. Shibuya, Т. Matsumura, and G. Ishi, Electrical Resistivity of Magnetite Anodes, J. Electrochem. Soc: Electrochemical Technology, 1971. vol. 118, №10, p. 1709-1711.
13. Графит для изготовления фасонных изделий и заготовок. [Электронный ресурс] московский электродный завод «ГрафитЭл». URL: http://www.graphitel.ru/index.php?id=363.
14. Правила защиты от статического электричества в производствах химической, нефтехимической и нефтеперерабатывающей промышленности. М.: «Химия» 1973. URL:http://www.gosthelp.ru/text/PravilaPravilazashhityots.html
15. Третьяков Ю.Д. Термодинамика ферритов - Л.: Химия 1967. - 304 с.
16. Корсканов В.В., Мамуня Е.П., Бардаш Л.В., Файнлейб A.M. Электропроводность нанокомпозитов на основе сетчатых полимеровполимеров и карбонанотрубок // Доклады Национальной Академии Наук Украины, 2012 г. №12, с. 112 - 118
17. Тихонина К.В., Немзорова М.А., Тимофеева А.А. Исследование электрофизических свойств эпоксидных композитов на базе терморасширенного графита // Материалы XX Международной научно-практической коференции «Современные техника и технологии», Москва, 2014, с. 111-112.