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.

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 CuSO₄ ·5H₂O 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.

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 CuSO₄ , 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.%:

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.

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 CuSO₄·5Н ₂O - 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.

Приготовление электролита включает операции: на 1 дм³ при температуре 25÷30°С растворяют в 600 см³ 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 дм³. После фильтрации электролит загущают аэросилом. Его вводят осторожно, небольшими порциями, чтобы мелкодисперсный порошок не распылялся. При комнатной температуре после введения 75÷80 г/дм³ 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.	Темп. коэф., Е/Т, мВ/К	Темп. замерз. электролита, °С	Состояние диафрагмы
1.	Прототип		0,3±0,02	1,5-2	-2	разрушается в зимний период
2	Заявляемый		0,31±0,02	1	-15	без изменений
3.		0,31±0,02	1	-20	-^-
4.		0,3±0,01	1	-15	-^-
5.		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.

Заявляемый медно-сульфатный электрод сравнения имеет стабильный потенциал медного электрода величиной E _Cu²⁺/_Cu0,3±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

1. Медно-сульфатный электрод сравнения неполяризующийся, содержащий токонепроводящий корпус с вмонтированным медным стержнем с сигнальным проводником и датчиком потенциала, установленным на корпусе, при этом корпус состоит из электролитической камеры, заполненной электролитом, содержащим сульфат меди и этиленгликоль, отличающаяся тем, что электролит дополнительно содержит загуститель - мелкодисперсный кремнезем (аэросил) с соотношением компонентов в электролите, вес.%:

причем диафрагма электрода выполнена из пористого оксидированного титана и установлена в месте герметизации камеры.

2. Медно-сульфатный электрод сравнения неполяризующийся по п.1, отличающийся тем, что размеры частиц загустителя кремнезема (аэросила) составляют 250÷300 мкм.

3. Медно-сульфатный электрод сравнения неполяризующийся по п.1, отличающийся тем, что диафрагма выполнена из пластины пористого оксидированного титана толщиной 3,5÷4 мм и средним диаметром пор 0,04÷0,08 мкм.