Ячейка для исследования электрохимических процессов
Ячейка для исследования электрохимических процессов 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 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 сталей в исследуемых растворах и влажных грунтах. Ячейка содержит диэлектрический корпус, выполненный в виде пустотелого тройника. Корпус закрывается пробками. В нижней пробке закреплены рабочий и вспомогательный электроды с электрическими проводами, выведенными наружу, и содержатся капиллярные отверстия. В боковой пробке со стороны, обращенной внутрь корпуса, закреплен электрод сравнения. Внутренний объем корпуса заполнен на 2/3 диэлектрической заливкой и на 1/3 раствором, в котором размещен хлорсеребряный электрод сравнения, снабженный электрическим проводом. Рабочий электрод выполняют из трубной стали, вспомогательный электрод - из платины.
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 близкой к данному техническому решению является «ячейка для измерения электрохимических свойств сыпучих и пластичных влагонасыщенных сред» (см. патент на изобретение РФ 
2326374 С1, 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 соединено 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 полезной модели является создание универсальной ячейки для исследования электрохимических процессов, протекающих на границе раздела сред: стальной электрод / влагонасыщенная среда (грунт, морская вода).
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 сталей в исследуемых растворах и влажных грунтах.
Технический результат ячейки для исследования электрохимических процессов, протекающих на границе раздела сред, достигается за счет того, что ячейка содержит корпус, выполненный в виде диэлектрического пустотелого тройника, отверстия которого закрыты пробками. На торцевой поверхности нижней пробки корпуса выполнены капиллярные отверстия и закреплены рабочий электрод, выполненный 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, которая крепится 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 заполнен на 1/3 электролитом и на 2/3 диэлектрической заливкой, жестко фиксирующей вспомогательный и рабочий электроды, обеспечивая контакт между электродами только через электролит. В качестве электролита может быть использован загущенный агар-агаром раствор КСl. Сама ячейка может быть выполнена неразборной.
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 который установлены верхняя 2, нижняя 3 и боковая 4 диэлектрические пробки, которые могут быть закреплены с помощью резьбового соединения. Диэлектрический корпус 1 заполнен диэлектрической заливкой 5. В нижней диэлектрической пробке 3 закреплены вспомогательный электрод 6 и рабочий электрод 7. При этом рабочий электрод 6 может выступать из наружной поверхности нижней диэлектрической пробки 3, не более, чем на 1 мм, а рабочий электрод 7 располагают заподлицо с наружной поверхностью нижней диэлектрической пробки 3. На наружную поверхность нижней диэлектрической пробки 3 выходят капиллярные отверстия 8 количеством 8 штук и диаметром 0,7 мм на расстоянии от 3 до 5 мм от рабочего электрода 7. Расстояние между рабочим электродом 7 и вспомогательным электродом 6 составляет около 10 мм. Во внутреннюю полость диэлектрического корпуса 1 заливают загущенный агар-агаром раствор КСl 9. На боковой диэлектрической пробке 4 со стороны, обращенной внутрь диэлектрического корпуса 1, располагают хлорсеребряный электрод 10 сравнения. От вспомогательного 6 и рабочего 7 электродов сквозь внутреннюю полость диэлектрического корпуса 1 через отверстия в верхней диэлектрической пробке 2 и через внутреннюю полость диэлектрической трубки 14 выведены наружу изолированные провода 11 и 12.
Роль электролитического ключа между хлорсеребряным электродом 10 сравнения и рабочим электродом 7 выполняют: загущенный агар-агаром раствор КСl 9, залитый во внутреннюю полость диэлектрического корпуса 1, капиллярные отверстия 8, заполненные загущенным раствором КСl 9, и влагонасыщенная среда, в которую помещают ячейку. От хлорсеребряного электрода 10 через боковую диэлектрическую пробку 4 на ее наружную поверхность выведен изолированный провод 13.
Хлорсеребряный электрод 10 состоит из серебряного стержня 15, на который электрохимическим способом нанесена нерастворимая соль AgCl 16 для создания электрода второго рода, обратимого по аниону. Осыпание нерастворимой соли AgCl 16 предотвращено закрепленной на серебряном стержне пористой керамикой 17 или в виде заранее изготовленной коронки, одетой на серебряный стержень с AgCl или закрепленной термически, путем предварительного нанесения на серебряный стержень с AgCl порошка бентонита с водой.
Устройство работает следующим образом.
Для измерения вольтамперных характеристик рабочего электрода 7 электрохимическую ячейку помещают в грунт рядом с подземным сооружением так, чтобы нижняя диэлектрическая пробка 3 ячейки была максимально приближена к подземному сооружению. Рабочий электрод 7 изолированным проводом 12, выведенным через внутреннюю полость диэлектрического корпуса 1, заполненную диэлектрической заливкой 5, и через отверстие в верхней диэлектрической пробке 2 подключают к гнезду потенциостата для рабочего электрода. Вспомогательный электрод 6 изолированным проводом 11, выведенным через внутреннюю полость диэлектрического корпуса 1, заполненную диэлектрической заливкой 5, и через отверстие в верхней диэлектрической пробке 2 подключают к гнезду потенциостата для вспомогательного электрода. Хлорсеребряный электрод 10 сравнения изолированным проводом 13, выведенным через отверстие в боковой диэлектрической 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 измеряемого потенциала рабочего электрода 7 нивелируется в современных потенциостатах IR-компенсацией омического скачка потенциала. Поэтому расстояние от капиллярных отверстий 8 до рабочего электрода 7 непринципиально.
Стабильность и точность измерения вольтамперных характеристик рабочего электрода достигается особыми типами электродов ячейки и их взаимным расположением друг относительно друга. Хлорсеребряный электрод 10 сравнения может быть выполнен путем нанесения на поверхность серебряного стержня 15 электрохимическим способом нерастворимой соли AgCl 16. Увеличение срока службы электрода сравнения достигается за счет загущения раствора КСl 9 агар-агаром и заполнения им капиллярных отверстий 8, а также за счет предотвращения осыпания нерастворимой соли AgCl 16 с серебряного стержня 15 покрытием его пористой керамической коронкой 17. 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 изготовлен трубопровод. Свойства рабочего электрода исследуют путем размещения ячейки в те условия, в которых находится трубопровод. Электроды 6, 7 и 10 жестко закреплены друг относительно друга в ячейке, что исключает ошибки, связанные с изменением расстояния электродов друг от друга. Размещение электролита - раствора КСl 9, в котором находится хлорсеребряный электрод 10, внутри диэлектрического корпуса 1 приводит к отсутствию влияний свойств окружающей среды на химический состав электролита - раствора КСl 9.
По величинам и характеру изменения поляризационных (вольтамперных) характеристик рабочего электрода 7 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 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, свойства которого изучаются;
- 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;
- применения коронки, предотвращающей осыпание соли AgCl с поверхности хлорсеребряного стержня;
- 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, отверстия которого закрыты пробками, на торцевой поверхности нижней пробки корпуса выполнены капиллярные отверстия и закреплены рабочий электрод, выполненный 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, которая крепится 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 заполнен на 1/3 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 хлорсеребряный электрод состоит из серебряного стержня, на который нанесена нерастворимая соль AgCl, покрытая закрепляющим элементом.
4. Ячейка по п.3, отличающаяся тем, что в качестве закрепляющего элемента используют пористую керамику или коронку, одеваемую на стержень или закрепленную путем нанесения на стержень порошка бетонита с водой.
