Ячейка для исследования электрохимических процессов

Ячейка для исследования электрохимических процессов, протекающих на границе раздела сред, относится к области исследования электрохимических процессов, протекающих на границе раздела сред: стальной электрод / влагонасыщенная среда (грунт, морская вода), которые могут проводиться в полевых и лабораторных условиях с применением потенциостата любой марки. Технический результат полезной модели заключается в создании универсальной ячейки, обладающей расширенными функциональными возможностями и предназначенной для исследования электрохимических процессов, с помощью которой можно проводить исследования электрохимических процессов, как в полевых, так и в лабораторных условиях, не только в сыпучих и пластичных средах, а также в растворах и влажных средах в непосредственной близости от рабочего электрода. Дополнительным техническим результатом, достигаемым ячейкой, является стабильность измерений вольтамперных характеристик рабочего электрода. Ячейка содержит диэлектрический корпус, заполненный на 2/3 диэлектрической заливкой и на 1/3 электролитом, в котором размещен электрод сравнения, снабженный электрическим проводом. Корпус закрывается пробками. На нижней пробке находится капиллярное отверстие и закреплены рабочий и вспомогательный электроды с изолированными проводами, выведенными наружу. Хлорсеребряный электрод сравнения покрыт смесью термоклея и кристаллов КСl и размещен в растворе КСl, загущенном агар-агаром. Рабочий электрод выполнен из трубной стали. Вспомогательный электрод выполнен из платины. На верхнюю пробку накручена удлинительная трубка.

Полезная модель относится к области исследования электрохимических процессов, протекающих на границе раздела сред: стальной электрод / влагонасыщенная среда (грунт, морская вода), с помощью электрохимических средств.

Наиболее близким к данному техническому решению является «ячейка для измерения электрохимических свойств сыпучих и пластичных влагонасыщенных сред» (см. патент РФ 2326374, МПК G01N 27/28 от 10 июня 2008 г.), которая содержит корпус и основание, выполненные из диэлектрического материала, рабочий и вспомогательный электроды и электрод сравнения. Корпус ячейки выполнен в виде полого цилиндра, а основание выполнено съемным и соединяется с корпусом при помощи резьбовых крепежных элементов через уплотнительное резиновое кольцо. Ячейка снабжена крышкой из диэлектрического материала, которая крепится к корпусу при помощи резьбовых крепежных элементов. В крышку посредством резьбы установлен электрод сравнения. Рабочий и вспомогательный электроды размещены в основании, при этом вспомогательный электрод изготовлен из металла, электрохимически инертного к размещенной в ячейке среде, а рабочий электрод - из металла, электрохимические свойства которого определяются. Образец среды размещают в ячейку из керноприемника с помощью поршневого толкателя.

Измерения проводятся на дневной поверхности. Технический результат состоит в обеспечении точности определения электрических характеристик поверхности раздела металл-раствор с сохранением естественной аэрации среды.

Недостатками известного устройства являются:

- измерения производятся в условиях отличных от тех, в которых находится подземное сооружение (аэрация, влажность, температура), вследствие этого электрохимические характеристики рабочего стального электрода будут отличаться от его характеристик в грунтовом электролите, в котором находится подземное сооружение;

определение электрохимических характеристик исследуемого рабочего электрода осуществляется только после помещения грунта внутрь ячейки и последующей ее сборки;

- трудоемкость и затраты времени на операции по сборке-разборке и подготовке ячейки к повторным измерениям.

Технической задачей, на решение которой направлена полезная модель, является создание универсальной ячейки для исследования электрохимических процессов, протекающих на границе раздела сред: стальной электрод / влагонасыщенная среда (грунт, морская вода). Дополнительным техническим результатом, достигаемым ячейкой, является стабильность измерений вольтамперных характеристик рабочего электрода.

Полезная модель обеспечивает достижение технического результата, заключающегося в расширении функциональных возможностей ячейки, которая позволяет проводить исследования электрохимических процессов, как в полевых, так и в лабораторных условиях, не только в сыпучих и пластичных средах, а также и в растворах, и влажных грунтах, находящихся в непосредственной близости от рабочего электрода. Другой технический результат заключается в повышении точности определения вольтамперных характеристик исследуемых растворов и влажных грунтов.

Поставленная задача решается следующим образом.

Электроды жестко закреплены в корпусе ячейки. Электроды располагают на торцевой поверхности корпуса. При проведении измерений в шпуре ячейки размещают непосредственно у трубопровода. При этом физико-химические свойства окружающего трубопровод грунта не нарушаются. В состав ячейки входят три электрода: рабочий электрод, вспомогательный (поляризующий) электрод из инертного металла и электрод сравнения. Рабочий электрод выполнен из трубной стали. Вспомогательный электрод выполнен из Pt, а электрод сравнения - хлорсеребряный. Раствор КСl загущают агар-агаром. Три электрода ячейки закреплены в одном диэлектрическом корпусе, изолированы друг от друга, имеют изолированные соединительные провода, выведенные наружу, причем хлорсеребряный электрод контактирует с окружающей средой через внутреннюю полость корпуса ячейки и капиллярное отверстие, заполненное смесью термоклея и кристаллов КСl. На торцевую поверхность ячейки выведены рабочий и вспомогательный электроды. При этом рабочий электрод располагают заподлицо с торцевой поверхностью корпуса, вспомогательный электрод может выступать из наружной поверхности нижней диэлектрической пробки 3 не более чем на 1 мм. Контакт между электродами осуществляется только через электролит. Капилляр может быть расположен в 3-5 мм от рабочего электрода. Нивелирование омической составляющей осуществляется потенциостатом.

На фиг.1 представлен общий вид ячейки.

На фиг.2 представлена часть ячейки, изображающая боковую пробку со стороны, обращенной внутрь диэлектрического корпуса.

Ячейка, изображенная на фиг.1-2, состоит из диэлектрического корпуса 1, выполненного в виде диэлектрического пустотелого тройника, в отверстия которого установлены верхняя 2, нижняя 3 и боковая 4 диэлектрические пробки. Последние могут быть закреплены с помощью резьбового соединения. Диэлектрический корпус заполнен диэлектрической заливкой 5. В нижней пробке 3 закреплены вспомогательный электрод 6 и рабочий электрод 7, который располагают заподлицо с наружной поверхностью диэлектрической пробки 3. Рабочий элемент электрода 6 может выступать из наружной поверхности нижней диэлектрической пробки не более, чем на 1 мм. На наружную поверхность диэлектрической пробки 3 выходит капиллярное отверстие 8, расположенное на расстоянии от 3 до 5 мм от рабочего электрода 7. Расстояние между рабочим электродом 7 и вспомогательным электродом 6 составляет около 10 мм. От вспомогательного 6 и рабочего 7 электродов через внутреннюю полость корпуса 1, заполненную диэлектрической заливкой 5, через отверстия в верхней пробке 2 и через внутреннюю полость диэлектрической трубки 14 выведены наружу изолированные провода 11 и 12. На боковой диэлектрической пробке 4, со стороны, обращенной внутрь диэлектрического корпуса 1, располагается хлорсеребряный электрод 10, состоящий из серебряного стержня 16, на который электрохимическим способом нанесена нерастворимая соль AgCl 17 для создания электрода второго рода, обратимого по аниону. Осыпание нерастворимой соли 16 предотвращено закрепленной на серебряном стержне смеси термоклея и кристаллов КСl 15. Роль электролитического ключа между хлорсеребряным электродом 10 и рабочим электродом 7 выполняют: смесь термоклея и кристаллов КСl 15, загущенный агар-агаром раствор КСl 9, залитый во внутреннюю полость корпуса 1, капиллярное отверстие 8, заполненное смесью термоклея и кристаллов КСl 15 и влагонасыщенная среда. От хлорсеребряного электрода 10 через боковую пробку 4 на ее наружную поверхность выведен изолированный провод 13.

Измерение вольтамперных характеристик рабочего электрода 7 осуществляют следующим образом. Ячейку помещают в грунт рядом с подземным сооружением так, чтобы нижняя пробка ячейки была максимально приближена к подземному сооружению. Рабочий электрод 7 проводом 12, выведенным через внутреннюю полость корпуса 1, заполненную диэлектрической заливкой 5, и через отверстие в верхней пробке 2, подключают к гнезду потенциостата для рабочего электрода. Вспомогательный электрод 6 проводом 11, выведенным через внутреннюю полость корпуса 1, заполненную диэлектрической заливкой 5 и через отверстие в верхней пробке 2, подключают к гнезду потенциостата для вспомогательного электрода. Хлорсеребряный электрод 10 проводом 13, выведенным через отверстие в боковой пробке 4, подключают к гнезду потенциостата для электрода сравнения. Вольтамперные характеристики рабочего электрода, выполненного из трубной стали измеряют с помощью потенциостата. Потенциал рабочего электрода 7 регулируется по отношению к электроду сравнения 10 с помощью вспомогательного электрода 6. Омическая составляющая, входящая в величину измеряемого потенциала рабочего электрода 7 нивелируется в современных потенциостатах IR-компенсацией омического скачка потенциала, поэтому расстояние капилляра 8 до рабочего электрода 7 непринципиально.

Стабильность и точность измерения вольтамперных характеристик рабочего электрода достигается особенностями выполнения электродов ячейки и их взаимным расположением друг относительно друга. Хлорсеребряный электрод 10 может быть выполнен путем нанесения на поверхность серебряного стержня 16 электрохимическим способом нерастворимой соли AgCl 17. Осыпание нерастворимой соли 17 с поверхности серебряного стержня 16 предотвращается закреплением на серебряном стержне смеси термоклея и кристаллов КСl 15. Увеличение срока службы электрода сравнения достигается за счет загущения раствора КСl 9 агар-агаром и заполнения капиллярного отверстия 8 смесью термоклея и кристаллов КСl 15, а также за счет предотвращения осыпания нерастворимой соли AgCl 17 с серебряного стержня 16 покрытием его смесью термоклея и кристаллов KCl 15. Вспомогательный электрод 6 изготавливают из платины, которая является идеально поляризуемой, т.е. ее потенциал можно менять в широком диапазоне (обычно несколько вольт). Кроме того, платина не окисляется в водных средах при любых значениях рН и обеспечивает высокую электронную проводимость. Рабочий электрод 7 изготавливают из трубной стали той марки, из которой изготавливают трубопровод. Электроды 6, 7 и 4 жестко закреплены друг относительно друга в ячейке, что исключает ошибки, связанные с изменением расстояния электродов друг от друга. Размещение электролита 9, в котором находится электрод 10, внутри корпуса 1, приводит к отсутствию влияний свойств окружающей среды на химический состав электролита 9.

По величинам и характеру изменения поляризационных (вольтамперных) характеристик рабочего электрода делают заключения о механизме электрохимических процессов, протекающих на границе раздела сред: рабочий электрод / влагонасыщенный грунт.

Точность результатов измерений вольтамперных характеристик рабочего электрода в составе ячейки обеспечивается за счет:

- соответствия электролитов применяемого электрода сравнения и окружающей среды по хлорид-ионам;

- уменьшения осмотического переноса хлорид-ионов раствора в окружающую среду;

- применения смеси термоклея и кристаллов КСl, предотвращающей осыпание соли AgCl с поверхности хлорсеребряного стержня;

- применения вспомогательного электрода, изготовленного из платины, которая является идеально поляризуемой и имеет высокую электронную проводимость;

- инертности вспомогательного электрода в применяемых средах;

- изготовления рабочего электрода из трубной стали той марки, из которой изготовлен трубопровод;

- расположения ячейки при измерениях в тех же условиях, в которых находится трубопровод;

- жесткого закрепления всех трех электродов друг относительно друга в ячейке, позволяющего исключить ошибки, связанные с изменением расстояния электродов друг от друга;

- отсутствия влияния свойств окружающей среды на химический состав электролита, в котором размещен электрод сравнения.

Настоящая ячейка имеет простое конструктивное исполнение, неприхотлива в обращении и имеет возможность многократного применения.

1. Ячейка для исследования электрохимических процессов, протекающих на границе раздела сред, содержащая корпус, выполненный в виде диэлектрического пустотелого тройника, в отверстия которого установлены пробки, на торцевой поверхности нижней пробки корпуса выполнено капиллярное отверстие, заполненное диэлектрической заливкой, и закреплены рабочий электрод, изготовленный из трубной стали и расположенный заподлицо с наружной поверхностью нижней пробки, и вспомогательный электрод, изготовленный из платины и выступающий из наружной поверхности нижней пробки не более чем на один миллиметр, изолированные провода от рабочего и вспомогательного электродов выведены через верхнюю пробку и внутреннюю полость удлинительной диэлектрической трубки, закрепленной на наружной поверхности верхней пробки, в боковой пробке со стороны, обращенной внутрь диэлектрического корпуса, закреплен хлорсеребряный электрод сравнения, снабженный изолированным проводом, причем внутренний объем корпуса на 1/3 заполнен электролитом и на 2/3 диэлектрической заливкой, жестко фиксирующей вспомогательный и рабочий электроды, обеспечивая контакт между электродами только через электролит.

2. Ячейка по п.1, отличающаяся тем, что в качестве электролита используют загущенный агар-агаром раствор КСl.

3. Ячейка по п.1, отличающаяся тем, что в качестве диэлектрической заливки используют смесь термоклея и кристаллов КCl.

4. Ячейка по п.1, отличающаяся тем, что хлорсеребряный электрод состоит из серебряного стержня, на поверхность которого нанесена нерастворимая соль AgCl, покрытая закрепляющим элементом.

5. Ячейка по п.1, отличающаяся тем, что в качестве закрепляющего элемента используют смесь термоклея и кристаллов КСl.