МЕДНО-СУЛЬФАТНЫЙ ЭЛЕКТРОД СРАВНЕНИЯ НЕПОЛЯРИЗУЮЩИЙСЯ

Полезная модель относится к защите от коррозии подземных металлических сооружений, в частности, к медно-сульфатным электродам сравнения неполяризующимся и может быть использована в составе станций катодной защиты для измерения потенциала подземных металлических сооружений и мониторинга коррозионных процессов устройств электрохимической защиты.
Известен электрод сравнения неполяризующийся, содержащий токонепроводящий корпус с муфтой, заполненный электролитом из насыщенного раствора сульфата меди в смеси воды и этиленгликоля, расположенный в корпусе медный стержень, ионообменную мембрану, смонтированный на корпусе датчик потенциала, при этом на корпусе электрода смонтированы по крайней мере две ионообменные мембраны, а дно муфты, монтируемой на корпусе имеет перфорацию (см. пат RU №2122047, кл. C23F 13/00, опубл. 20.11.1998 г.) [1]
Недостатком данного электрода является сокращенный срок службы, вызванный применением только ионообменных мембран, которые по своей структуре не исключают проникновение грунтовых вод в корпус электрода сравнения, а в грунтах с высоким содержанием ионов металлов, например кальция, в электролите происходит реакция замещения ионов меди ионами кальция, как следствие, необратимое изменение собственного потенциала электрода. Использование двух ионообменных мембран ограничивает применение электрода в сухих грунтах из-за отсутствия контакта электролита электрода с наружной мембраной, что приводит к высыханию наружной мембраны и увеличению внутреннего сопротивления электрода до полной потери проводимости.
Известен электрод сравнения длительного действия, содержащий в своей конструкции токопроводящий корпус с пористым дном, заполненный электролитом, расположенный в корпусе медный стержень и смонтированный на корпусе датчик потенциала. При этом он снабжен ионообменной мембраной, смонтированной на пористом дне корпуса, а электролит содержит насыщенный раствор сульфата меди в смеси воды и этиленгликоля в соотношении 3:2÷2:1.
В электроде используется ионообменная мембрана, полученная рациональной привитой сополимеризацией акриловой или метакриловой кислоты в количестве 100-170% на двуосноорентированную полипропиленовую пленку (см. авт. св SU №1601199, кл. С23Р 13/00, опубл. 23.10.1990 г.) [2].
Недостатком этого электрода является использование ионообменной мембраны, в недостаточной мере препятствующей проникновению грунтовых вод в электрод и электролита в грунт, что приводит к истощению электролита и его модификации, за счет замещения в электролите ионов меди ионами других металлов, содержащихся в грунте, и, как следствие, к изменению потенциала электрода и малому сроку службы.
4
2
К недостаткам МС электрода с керамической диафрагмой относится малая надежность пористой структуры из-за растрескивания при колебаниях температуры. Это обусловливает вытекание электролита, падение его концентрации и, как следствие, колебания потенциала электрода сравнения. В процессе эксплуатации МС электрод сравнения выдерживает колебания температуры от плюс 20 до минус 20°С. Снижение температуры коррозионной среды приводит к кристаллизации CuSO·5HO и последующего роста кристаллогидратов, а при повышении температуры снижается концентрация ионов меди и происходит изменение потенциала электрода сравнения.
Наиболее близким по технической сущности является медно-сульфатный электрод сравнения неполяризующийся по патенту РФ №2339740, МПК C23F 13/00, G01N 27/30, опубликовано: 2008.11.27 с увеличенным сроком службы электрода сравнения и стабильностью его собственного потенциала, с возможностью использования в зонах с различным химическим составом грунта и уровнем влажности [3].
Вышеуказанный медно-сульфатный электрод сравнения неполяризующийся содержит в своей конструкции токонепроводящий корпус, который состоит из двух камер: электролитической камеры, заполненной электролитом и бентонитовой камеры. В месте сочленения камер установлены ионообменная мембрана и керамическая пористая диафрагма. В основании электрода установлена вторая керамическая пористая диафрагма для замыкания объема бентонитовой камеры.
В корпус вмонтирован медный стержень с сигнальным проводником и датчиком потенциала, установленным на корпусе. При этом корпус электролитической камеры заполнен электролитом, состоящим из воды дистиллированной, сульфата меди и этиленгликоля, с соотношением воды и этиленгликоля 2:1.
Медно-сульфатный электрод сравнения, выбранный в качестве прототипа, обладает недостаточной надежностью из-за возможности вытекания жидкого электролита, падения его концентрации и, как следствие, изменения потенциала электрода сравнения.
4
Основные требования к МС электродам - длительный период их эксплуатации: 8-10 лет. На протяжении всего периода эксплуатации важным является сохранение в электролитической камере насыщенного раствора CuSO, который находится в контакте с медью и обеспечивает стабильность потенциала.
Техническим результатом заявляемого медно-сульфатного электрода сравнения является повышение надежности и увеличение срока его службы.
Указанный технический результат достигается за счет того, что в медно-сульфатном электроде сравнения неполяризующемся, содержащем токонепроводящий корпус с вмонтированным медным стержнем с сигнальным проводником и датчиком потенциала, установленным на корпусе, при этом корпус состоит из электролитической камеры, заполненной электролитом, содержащем сульфат меди и этиленгликоль, согласно полезной модели электролит дополнительно содержит загуститель - мелкодисперсный кремнезем (аэросил), с соотношением компонентов в электролите, вес.%:
Сернокислая медь CuSO<sub>4</sub>
35÷36
Этиленгликоль
25÷30
Кремнезем (аэросил)
5÷8,
причем диафрагма электрода выполнена из пористого оксидированного титана и установлена в месте герметизации камеры.
При этом в заявляемом медно-сульфатном электроде сравнения неполяризующемся размеры частиц кремнезема (аэросила) составляют 250÷300 мкм;
При этом в заявляемом медно-сульфатном электроде сравнения неполяризующемся диафрагма выполнена из пластины пористого оксидированного титана толщиной 3,5÷4 мм и средним диаметром пор 0,04÷0,08 мкм.
Заявляемый медно-сульфатный электрод сравнения поясняется схематическим чертежом, приведенным на фиг.1, где:
1 - корпус электрода;
2 - токоотвод;
3 - медный электрод;
4 - электролит;
5 - датчик потенциала;
6 - сепаратор из мипора;
7 - диафрагма из пористого титана;
8 - крышка электрода;
9 - уплотнительная шайба.
4
2
Заявляемый медно-сульфатный электрод сравнения неполяризующийся содержит токонепроводящий корпус 1, состоящий из электролитической камеры заполненной электролитом 4, в состав которого входят сульфат меди, этиленгликоль и кремнезем с соотношением компонентов, вес.%: сернокислая медь CuSO·5НO - 35÷36; этиленгликоль - 25÷30; кремнезем - 5÷8.
Содержание сульфата меди в указанных количествах обеспечивает насыщенность раствора с выделением свободных кристаллов. Этиленгликоль в указанных количествах предохраняет электролит от замерзания. Электролит дополнительно содержит загуститель, в качестве которого использован мелкодисперсный кремнезем аэросил (А 380). Размеры частиц кремнезема (аэросила) составляют 250-300 мкм. Загуститель повышает вязкость электролита и предохраняет его от вытекания. Применение электролита с содержанием указанных компонентов в заявленном количественном диапазоне позволяет повысить надежность и увеличить срок службы электрода, при сохранении стабильности его потенциала (см. табл.1).
В основании камеры с обеспечением ее герметизации установлена диафрагма 7, выполненная из пористого оксидированного титана. Использование диафрагмы из пористого титана повышает надежность электрода, т.к. в отличие от керамических диафрагм титановые обладают повышенной прочностью и не растрескиваются при низких температурах окружающей среды.
В корпус 1 вмонтирован медный стержень 3 с сигнальным проводником 2 и датчиком потенциала 5, установленном на корпусе.
3
3
3
3
Приготовление электролита включает операции: на 1 дм при температуре 25÷30°С растворяют в 600 см дистиллированной воды 350÷360 г пятиводного сульфата меди. Затем в этот раствор вводят 250 мл этиленгликоля. После растворения компонентов температуру раствора поднимают до 35°С, фильтруют и доводят количество раствора до 1 дм. После фильтрации электролит загущают аэросилом. Его вводят осторожно, небольшими порциями, чтобы мелкодисперсный порошок не распылялся. При комнатной температуре после введения 75÷80 г/дм аэросила электролит переходит в загущенное состояние (гель) необходимой консистенции.
В корпусе герметично запрессован медный электрод 3 с приваренным к нему токоотводом 2. Диафрагма 7 с уплотнительной шайбой 9 герметизируется крышкой 8. Диафрагма 7 изготавливается из оксидированного пористого титана марки ППТЭК ПН (ТУ-14-1-18-95-76) из пластины толщиной 3,5÷4 мм. Предварительно пластины обезжиривают. В работающих электродах внешняя часть пористой диафрагмы 7, контактирующая с грунтом (коррозионной средой), имеет поверхностное увлажнение за счет капиллярного проникновения воды из электролита.
Для обоснования граничных значений характеристик заявляемого электрода (компонентов электролита и размера пор диафрагмы) испытана серия медно-сульфатных электродов. Для сравнения проведены испытания для электрода с керамической пористой диафрагмой. Результаты испытаний приведены в нижеследующей таблице.
Таблица 1
№
Электрод
Состояние электролита и диафрагмы электрода; конц-ция компонентов, % (вес)
Стационарный потенциал Сu. <img file="00000002.tif" he="8" wi="26" img-content="undefined" img-format="tif" />
Темп. коэф., ΔЕ/ΔТ, мВ/К
Темп. замерз. электролита, °С
Состояние диафрагмы
1.
Прототип
<img file="00000003.tif" he="11" wi="56" img-content="undefined" img-format="tif" />
0,3±0,02
1,5-2
-2
разрушается в зимний период
2
Заявляемый
<img file="00000004.tif" he="20" wi="57" img-content="undefined" img-format="tif" />
0,31±0,02
1
-15
без изменений
3.
<img file="00000005.tif" he="20" wi="57" img-content="undefined" img-format="tif" />
0,31±0,02
1
-20
-^-
4.
<img file="00000006.tif" he="20" wi="57" img-content="undefined" img-format="tif" />
0,3±0,01
1
-15
-^-
5.
<img file="00000007.tif" he="22" wi="57" img-content="undefined" img-format="tif" />
0,3±0,02
1.5
-20
-^-
Примечания: ЭТГ - этиленгликоль, конц. в % (вес); АЭС - аэросил;
Тi (пор) - титан пористый, диаметр пор 0,04÷0,08 мм
Использование электролита без этиленгликоля существенно снижает температурный диапазон эксплуатации электрода, т.к. при температуре ниже минус 2°С электролит замерзает.
Применение аэросила в электролите исключает его вытекание и образование крупных кристаллогидратов сульфата меди. Керамическая диафрагма при температуре ниже минус 2°С может разрушаться, а диафрагма из пористого титана выдерживает температуру до минус 20°С.
Срок службы заявляемого медно-сульфатного электрода сравнения неполяризующегося по сравнению с существующими аналогами увеличивается и составляет 15÷20 лет.
Cu
Cu
2+
Заявляемый медно-сульфатный электрод сравнения имеет стабильный потенциал медного электрода величиной E /≈0,3±0,02 В.
Это свойство используется при измерении величины потенциала трубопровода.
Электрод может быть использован в качестве переносного или стационарного электрода длительного действия в системах электрохимической защиты подземных металлических сооружений. Электрод сравнения устанавливают на стационарном контрольно-измерительном пункте так, чтобы дно корпуса 1 находилось на уровне нижней образующей трубопровода и на расстоянии 50-100 мм от его боковой поверхности, при этом плоскость датчика 5 потенциала должна быть перпендикулярна к оси трубопровода.
Предлагаемое техническое решение по сравнению с прототипом и другими известными техническими решениями имеет следующие преимущества:
- увеличение срока службы электродов сравнения;
- стабильность его собственного потенциала;
- расширение зоны использования с различным химическим составом грунта и уровнем влажности;
- надежность электрода сравнения.
ИСТОЧНИКИ ИНФОРМАЦИИ:
1. Патент РФ №2122047 Электрод сравнения неполяризующийся. МПК C23F 13/00, опубл. 20.11.1998 г.
2. Авторское свидетельство СССР №1601199 Электрод сравнения длительного действия. Кл. С23Р 13/00, опубл. 23.10.1990 г.
3. Патент РФ №2339740. Двухкамерный медно-сульфатный электрод сравнения неполяризующийся. МПК C23F 13/00; G01N 27/30. Опубл. 27.11.2008. Патентообладатель: ООО «Завод газовой аппаратуры «НС» (г.Ставрополь) - наиболее близкий аналог