CN110274940B - 一种模拟管垢快速形成的电化学装置和测试方法 - Google Patents

Abstract

一种模拟管垢快速形成的电化学装置和测试方法，属于供水管道的电化学测试领域。该装置整体为圆形，包括(1)有机玻璃材质的外筒；(2)聚四氟乙烯材质的内筒；(3)转轴；(4)有机玻璃盖板；(5)电机；(6)工作电极；(7)盖板上部小孔；(8)紧贴管道内壁的铂片辅助电极；(9)铂片中间打孔安装Ag/AgCl(饱和KCl)的参比电极；(10)底板；(11)圆形支柱；(12)装置进水口；(13)装置出水口。实验过程中，通过电机带动内筒旋转，加速金属挂片与主体水之间的物质传递过程，促进管垢形成。该装置解决了实际管道形成管垢时间较长的问题，并可获得不同生长阶段的管垢，提供了一种快速、可量化生产管垢的新型装置。

Description

一种模拟管垢快速形成的电化学装置和测试方法

技术领域

本发明涉及一种模拟管垢快速形成的电化学装置和测试方法，属于金属管道的电化学测试领域。

背景技术

金属管道在运行过程中由于化学和电化学作用会在金属管壁上形成大量管垢。当主体水与管垢处于稳定状态时，其会形成隔离主体水与金属管道的屏障，一方面减少了输送水质接触管道基底进一步发生腐蚀的可能，另一方面也阻止了垢层内污染物质向主体水中的释放。然而，当输送水中的水质或者水力条件发生改变时，水/垢之间的稳定状态会被破坏，此时管垢表面的硬壳层发生破裂或者溶析，导致垢层内污染物质大量释放，使得水质遭到污染，严重影响供水安全。因此，对于供水管道管垢性质的研究具有重要意义，然而由于实际管道中管垢生长缓慢，且挖取实际管道造价高，影响大，使得后续管垢相关的研究难以开展。

因此，本发明专利提出进一步，旨在通过一种管垢快速形成装置的搭建及其相应测试方法的摸索获得大量管垢，方便进行后续管垢破裂以及管垢溶析的研究。但是目前关于管垢快速形成的电化学装置的方法的研究几乎没有，仅有的关于管道电化学测试专利申请包括：

1.一种流动腐蚀介质中90°弯头金属腐蚀电化学测试装置(申请号：CN201710750632.3)，该发明公开了一种流动腐蚀介质中90°弯头金属腐蚀电化学测试装置,包括：与待测90°弯头管道结构和尺寸相同的玻璃管道,所述玻璃管道水平设置,所述玻璃管道由90度弯曲管道段、第一直线管道段和第二直线管道段组成,所述第一直线管道段与第二直线管道段垂直且该第一直线管道段与第二直线管道段分别与所述90度弯曲管道段两端的端口连通；在所述玻璃管道上连通有多个玻璃支管。

该申请对流动腐蚀介质中90°弯头金属腐蚀进行电化学测试，侧重于90°弯头的腐蚀方面，同时由于采用水平流动***导致流速较慢，管垢生长较缓，与本申请“一种模拟管垢快速形成的电化学装置和测试方法”虽然研究方法“电化学”相同，但是在研究对象、研究机理等方面均不相同。

2.电化学设备和滤清除垢模块化装置(申请号：CN201721116289.9)，该发明提供了一种电化学设备和滤清除垢模块化装置，包括：下箱体，具有下内腔，下箱体的箱体壁上设置有入水口和出水口；多个电化学设备，间隔设置在该下内腔中；过滤网，设置在该下内腔中,过滤网位于出水口处；上箱体,设置在下箱体的顶壁上，上箱体具有上内腔；检测换热组件，设置在该上内腔中并与入水口连接。本实用新型的有益效果是水流由入水口进入到电化学设备后，不需要再经过管道导流就可以直接经过滤网完成过滤，能够实现电化学设备与滤清除垢装置(下箱体以及过滤网)在同一模块上安装。

该申请研究的电化学设备与滤清除垢模块化装置，虽与本申请研究方法和研究研究对象相同，但更侧重于除垢过程的研究，在测试目的，测试手段，测试方法上均不相同。

3.研究铁质管道电化学腐蚀和管网水质变化的试验模拟平台(申请号：CN201711133280.3)，该发明研究铁质管道电化学腐蚀和管网水质变化的试验模拟平台,属于金属管道电化学腐蚀模拟试验技术领域。其特征在于,内置有阴离子交换膜、用作阳极的铁管基材、用作阴极的管垢成分压片、用作放置研究对象和电解液的反应容器以及与反应容器串联的电压或电流采集测量数字电路。阴离子交换膜用于把阴阳两极隔开形成阴极腔和阳极腔。通过采集电极间的电压和电流数据来研究阴极管垢的电化学腐蚀过程,研究管道水质变化的动力学过程。

该申请研究的铁质管道电化学腐蚀和管网水质变化的试验模拟，虽与本申请的研究对象“管道电化学”相同，但是在测试方法、测试手段、研究目的等方面均不相同。

4.一种水平电化学沉积金属的方法及其装置(申请号：CN201810658609.6)，该发明公开了一种水平电化学沉积金属的方法,将半导体器件进行水平移动,同时采用整面接触式或多点接触式使上电极与半导体器件上表面进行接触,半导体器件下方待电化学沉积金属表面与电解液溶液接触,电解质溶液中的金属离子获得电子并沉积在其表面,上电极与电解质溶液接触的半导体器件下表面之间的电位差通过光诱导,外加电压或两者结合实现。

该发明提供的一种水平电化学沉积金属的方法及其装置，研究了电位差光诱导和外加电压的方法进行电化学金属沉积，与本申请“一种模拟管垢快速形成的电化学装置和测试方法”在研究对象、研究方法、测试变量上都不相同。

综上所述，关于管道电化学研究的装置和方法方面，之前的研究有通过电化学进行金属腐蚀连续监测、电化学除垢、水平电化学沉积金属等，而尚无对管垢快速形成进行***研究。本申请提出的进一步，可通过竖向电极旋转加速电解液和金属挂片之间的物质传递过程，实现了管垢的快速形成；同时，将内部转鼓上的金属挂片直接作为工作电极进行电化学测试，实现了管垢快速形成与电化学信号采集的高度统一；本研究与前人的研究和专利申请有很大的差别，提供了一种可靠的、可量化生产的管垢的新方法。

发明内容

本发明的目的在于提供进一步，通过电机带动内部转鼓高速旋转，加速金属挂片与主体水之间的物质传递过程，促进管垢形成，同时，将内部转鼓上的金属挂片直接作为工作电极，与前人探究的小面积工作电极相比，实现了获得大量管垢的方法，解决了实际管道形成管垢时间较长，获得大量管垢较困难的问题，提供了一种可靠的、可量化生产管垢的新型装置和方法。考虑到供水管道管垢对于维持水质稳定的重要意义，该装置和方法获得的大量管垢可方便进行后续管垢状态转变的研究，具有较强的实用价值。

本发明的特征在于：

1.其装置主要由以下部件构成：(1)有机玻璃材质的外筒；(2)聚四氟乙烯材质的内筒；(3)转轴；(4)有机玻璃盖板；(5)电机；(6)工作电极；(7)盖板上部小孔；(8)紧贴管道内壁的高纯度铂片辅助电极；(9)铂片中间打孔安装Ag/AgCl(饱和KCl)的参比电极；(10)底板；(11)圆形支柱；(12)装置进水口；(13)装置出水口；

2.进一步，其特征在于：装置主体结构由内外两个圆筒组成，内筒安装有工作电极并由电极带动实现高速旋转；外筒安装有辅助电极和参比电极，与工作电极形成三电极体系，实现电化学测试；

3.进一步，其特征在于：该装置的工作电极安装在内筒的卡槽上，其中卡槽的尺寸和内筒的高度一致；其中金属挂片的高度高于内筒，并有部分直接裸露出来方便与电化学测试夹子直接连接，其中内壁转鼓上可安装多个金属挂片；

4.进一步，其特征在于：该装置的辅助电极铂片，该铂片紧贴在内筒内壁上，并通过金属导线连接穿过外筒与电化学测试导线连接；

5.进一步，其特征在于：为了更好的构成三电极体系，该装置的参比电极前段为封装Ag/AgCl(饱和KCl)溶液的圆柱形腔室，该圆柱形腔室通过铂片辅助电极中间穿过外筒，并在外筒外侧留有测试导线，方便与电化学测试导线连接；

6.进一步，其特征在于：测试时将有机玻璃盖板上方的小孔打开，使工作电极裸露与电化学测试导线连接，并同时连接辅助电极和参比电极，构成三电极测试体系进行测试；

7.进一步，其特征在于：在一组电化学测试完毕后，可以直接将金属挂片取出进行垢层形态测定，方便及时与电化学信号联系；

8.进一步，可通过竖向电机旋转增大电解液和金属挂片之间的物质传递过程，实现了管垢的快速形成；

9.进一步，其工作电极可以由各种金属材质制造而成，方便模拟不同管材下管垢的形成过程；

10.进一步，其可通过进水流速来控制整个装置的水力停留时间，方便模拟不同水力停留状态下管垢的形成过程；

11.进一步，装置的进水水质可以根据需要进行调整，例如地表水，地下水，海水淡化水，再生水等；

本发明具有如下优点：

1.本发明提供的进一步，通过电机带动内部转鼓高速旋转，加速金属挂片与主体水之间的物质传递过程，促进管垢形成，解决了实际管道形成管垢时间较长的问题；

2.本发明提供的进一步，将内部转鼓上的金属挂片直接作为工作电极，与前人探究的小面积工作电极相比，实现了获得大量管垢的方法；

3.本发明提供的进一步，可在管垢生长过程中对管垢形成状态进行实时监测，提供了一种可靠的、可量化生产管垢的新型装置和方法，实现了技术上的创新和突破；

4.本发明提供的进一步，可在管垢生长过程中随时取样，可获得不同生长阶段的管垢，方便后续开展管垢状态转变的研究；

5.本发明提供的进一步，其工作电极、参比电极和辅助电极和电解液性质跟根据研究需要进行更换，该研究方法同样适用于供水、排水、再生水等领域的研究，具有较强的应用价值；

附图说明

图1是本发明的装置示意图。

具体实施方式：

本发明的进一步，可通过竖向电极旋转加速电解液和金属挂片之间的物质传递过程，实现了管垢的快速形成；同时，将内部转鼓上的金属挂片直接作为工作电极进行电化学测试，实现了管垢快速形成与电化学信号采集的高度统一，解决了实际管道形成管垢时间很长的问题，提供了一种快速、可量化生产管垢的新型装置和方法。

具体实施过程中：

1.进一步，其装置主体结构的外筒采用透明的有机玻璃材质，方便对管垢的生长状况进行同步观测，其中，外筒外壁直径为20cm，厚度为3cm；

2.进一步，装置主体结构的内筒为聚四氟乙烯实心转鼓，聚四氟乙烯内筒具有较强的抗拉，抗压性能，可实现不同旋转速度下内筒稳定运行；

3.进一步，其中主体结构的内筒外壁直径为11cm，内筒高度为6.5cm，内筒上安装的金属挂片的尺寸为7.24*1.15*0.2cm，金属挂片的高度高于内筒，并有部分直接裸露出来方便与电化学测试夹子直接连接；

4.进一步，其中该装置的辅助电极为1.0cm²的铂片，该铂片紧贴在内筒内壁上，并通过金属导线连接穿过聚四氟乙烯材料的外筒方便与电化学测试导线连接。

Claims (8)

1.一种模拟管垢快速形成的电化学装置，其特征在于：包括以下部件构成：(1)有机玻璃材质的外筒；(2)聚四氟乙烯材质的内筒；(3)转轴；(4)有机玻璃盖板；(5)电机；(6)工作电极为金属挂片，金属挂片的高度高于内筒；(7)盖板上部小孔；(8)紧贴外筒内壁的铂片辅助电极；(9)铂片中间打孔安装Ag/AgCl(饱和KCl)的参比电极；(10)底板；(11)圆形支柱；(12)装置进水口；(13)装置出水口；实验过程中，安装在内筒外壁上的工作电极，紧贴外筒内壁的铂片辅助电极和铂片中间穿过的参比电极构成三电极电化学测试体系；

工作电极安装在内筒的卡槽上，其中卡槽的尺寸和内筒的高度一致；其中金属挂片的高度高于内筒，并有部分直接裸露出来方便与电化学测试夹子直接连接，其中内筒转鼓上能安装多个金属挂片。

2.根据权利要求1所述的一种模拟管垢快速形成的电化学装置，其特征在于：该装置的辅助电极铂片紧贴在外筒内壁上，并通过金属导线连接穿过外筒与电化学测试导线连接。

3.根据权利要求1所述的一种模拟管垢快速形成的电化学装置，其特征在于：参比电极前段为封装Ag/AgCl和饱和KCl溶液的圆柱形腔室，该圆柱形腔室通过铂片辅助电极中间穿过外筒，并在外筒外侧留有测试导线，方便与电化学测试导线连接。

4.应用如权利要求1所述一种模拟管垢快速形成的电化学装置的方法，其特征在于：测试时将有机玻璃盖板上方的小孔打开，使工作电极裸露与电化学测试导线连接，并同时连接辅助电极和参比电极，构成三电极测试体系进行测试。

5.应用如权利要求1所述一种模拟管垢快速形成的电化学装置的方法，其特征在于：在一组电化学测试完毕后，直接将金属挂片取出进行垢层形态测定，方便及时与电化学信号联系；通过竖向电机旋转增大电解液和金属挂片之间的物质传递过程，实现了管垢的快速形成。

6.应用如权利要求1所述一种模拟管垢快速形成的电化学装置的方法，其特征在于：通过进水流速来控制整个装置的水力停留时间，方便模拟不同水力停留状态下管垢的形成过程。

7.应用如权利要求1所述一种模拟管垢快速形成的电化学装置的方法，其特征在于：其工作电极由各种金属材质制造而成，方便模拟不同管材下管垢的形成过程。

8.应用如权利要求1所述一种模拟管垢快速形成的电化学装置的方法，其特征在于：进水水质根据需要进行调整，包括地表水，地下水，海水淡化水或再生水。

Images