本發(fā)明涉及一種流動(dòng)體系下再生水管道系統(tǒng)腐蝕的電化學(xué)測(cè)試裝置，可用于流動(dòng)體系下管道腐蝕機(jī)理的實(shí)時(shí)、無損監(jiān)測(cè)。具體講,涉及流動(dòng)體系下再生水管道系統(tǒng)腐蝕電化學(xué)測(cè)試裝置。

背景技術(shù)：

電化學(xué)方法是研究金屬腐蝕過程的一種重要的方法，旨在通過研究金屬/電解質(zhì)界面(雙電層)的電化學(xué)變化過程，揭示腐蝕機(jī)理，探索腐蝕規(guī)律。腐蝕電化學(xué)測(cè)量技術(shù)與其他的物理或者化學(xué)的研究方法相比，有很多優(yōu)點(diǎn)。首先其是一種“原位”的測(cè)量技術(shù)，不會(huì)對(duì)工作電極產(chǎn)生損傷和破壞；同時(shí)其測(cè)試速度較快，測(cè)試靈敏度較高；能夠測(cè)出腐蝕金屬電極在外界條件影響下的瞬時(shí)的腐蝕變化情況；并且能連續(xù)的觀測(cè)到金屬表面腐蝕狀況的變化。因此，利用電化學(xué)測(cè)試裝置研究金屬的腐蝕特性具有重要意義。

環(huán)狀反應(yīng)器是目前應(yīng)用較多的研究管道腐蝕的重要裝置，但是多用于均勻腐蝕速率的測(cè)量，金屬掛片表面腐蝕產(chǎn)物的sem和xrd的間斷的、不定時(shí)取樣的監(jiān)測(cè)，無法做到實(shí)時(shí)的對(duì)系統(tǒng)的腐蝕狀況進(jìn)行監(jiān)測(cè)。因此本研究在環(huán)狀反應(yīng)器的基礎(chǔ)上自行設(shè)計(jì)了可安裝在環(huán)狀反應(yīng)器外壁的電化學(xué)測(cè)試電極，可在環(huán)狀反應(yīng)器一直處于流動(dòng)狀態(tài)的基礎(chǔ)上進(jìn)行實(shí)時(shí)、無損的監(jiān)測(cè)，這對(duì)于真正的了解和解釋腐蝕機(jī)理具有重要的意義。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

為克服現(xiàn)有技術(shù)的不足，本發(fā)明旨在克服傳統(tǒng)的環(huán)狀反應(yīng)器裝置只能不定期、間斷性的取樣分析，影響具體過程腐蝕機(jī)理測(cè)定的缺陷；以及靜態(tài)電化學(xué)測(cè)試裝置中不能更好的模擬實(shí)際管道流動(dòng)狀態(tài)的缺陷，提供一種能夠長(zhǎng)期實(shí)時(shí)、無損的電化學(xué)測(cè)試裝置，進(jìn)而輔助間斷性取樣測(cè)試結(jié)果，有利于對(duì)流動(dòng)體系下再生水管道系統(tǒng)的腐蝕機(jī)理的分析。為此，本發(fā)明采用的技術(shù)方案是，流動(dòng)體系下再生水管道系統(tǒng)腐蝕電化學(xué)測(cè)試裝置，包括1個(gè)球墨鑄鐵工作電極、1個(gè)ag/agcl參比電極和1個(gè)純度99.99％的鉑片輔助電極以及1個(gè)配套的外壁開孔的環(huán)狀反應(yīng)器、電機(jī)；其中，

工作電極為球墨鑄鐵圓柱電極，其外表面設(shè)置聚四氟乙烯材料密封，一側(cè)設(shè)置設(shè)置有硬質(zhì)金屬導(dǎo)體接頭，方便與外部電化學(xué)測(cè)試裝置相連接，中間采用金屬導(dǎo)線連接硬質(zhì)金屬導(dǎo)體接頭和另一側(cè)的球墨鑄鐵電極并封裝在聚四氟乙烯材料內(nèi)部；

參比電極采用的是聚四氟乙烯圓筒桶狀外殼，圓筒縱向中間位置設(shè)置有電解質(zhì)室；電解質(zhì)室內(nèi)設(shè)有飽和的ag/agcl電解液，所述電極腔體通過螺紋與聚四氟乙烯外殼相連接，以防止電解液的流失；電極的另一側(cè)設(shè)置有硬質(zhì)金屬導(dǎo)體接頭，方便與外部電化學(xué)測(cè)試裝置相連接；中間采用金屬導(dǎo)線連接參比電極電解質(zhì)室與硬質(zhì)金屬導(dǎo)體接頭，以便導(dǎo)電；

輔助電極采用的是純度99.99％的鉑片，也用聚四氟乙烯外殼封裝，另一側(cè)設(shè)置設(shè)置有硬質(zhì)金屬導(dǎo)體接頭，方便與外部電化學(xué)測(cè)試裝置相連接，中間采用金屬導(dǎo)線連接輔助電極的鉑片和金屬導(dǎo)體接頭并封裝在聚四氟乙烯材料內(nèi)部，以便導(dǎo)電；同時(shí)考慮到安裝有球墨鑄鐵掛片的內(nèi)鼓與管壁之間的距離較小，將輔助電極壓扁緊貼在內(nèi)管壁上并與參比電極相對(duì)以構(gòu)成完整的電化學(xué)測(cè)試系統(tǒng)；

其中工作電極、參比電極、輔助電極的工作面都緊貼管道內(nèi)壁；并通過封裝的聚四氟乙烯外殼的螺紋與環(huán)狀反應(yīng)器外壁相連接；3只電極與內(nèi)部裝滿再生水的環(huán)狀反應(yīng)器構(gòu)成一個(gè)完整的電解池，整個(gè)系統(tǒng)中只有3只硬質(zhì)金屬導(dǎo)體接頭裸露在外與電化學(xué)測(cè)試裝置相連接測(cè)試腐蝕過程中的電流情況；三電極體系含有兩個(gè)回路：一個(gè)回路由工作電極和參比電極組成，用來測(cè)試工作電極的電位，因?yàn)閰⒈入姌O的電位是已知的；另一個(gè)回路由工作電極和輔助電極組成，起傳輸電子形成回路的作用，使工作電極上電流暢通，用來測(cè)試電流；

環(huán)狀反應(yīng)器內(nèi)設(shè)轉(zhuǎn)鼓，轉(zhuǎn)鼓內(nèi)設(shè)掛片，轉(zhuǎn)鼓外連電機(jī)。

本發(fā)明的特點(diǎn)及有益效果是：

1.本發(fā)明是一種流動(dòng)體系下再生水管道系統(tǒng)腐蝕電化學(xué)測(cè)試裝置，其可對(duì)環(huán)狀反應(yīng)器中球墨鑄鐵電極的腐蝕狀況進(jìn)行實(shí)時(shí)、無損的電化學(xué)監(jiān)測(cè)，以更加準(zhǔn)確的探究再生水管道的腐蝕過程和機(jī)理；

2.本發(fā)明工作電極可對(duì)不斷生長(zhǎng)的腐蝕垢層進(jìn)行無損監(jiān)測(cè)，從而輔助定期取出金屬掛片上的腐蝕垢層的微觀形貌和晶體結(jié)垢進(jìn)行綜合分析，大大提高腐蝕過程分析的準(zhǔn)確性；

3.本發(fā)明裝置可用于多種工況下電化學(xué)體系的測(cè)量，如不投加消毒劑的控制實(shí)驗(yàn)，投加消毒劑實(shí)驗(yàn)，消毒劑和微生物耦合作用下實(shí)驗(yàn)等測(cè)量，可準(zhǔn)確的獲得多種電化學(xué)數(shù)據(jù)，如極化曲線、交流阻抗、線性伏安分析等以便更好的分析在多種介質(zhì)共存時(shí)球墨鑄鐵管道的腐蝕機(jī)理；

4.本發(fā)明工作電極制作方法規(guī)范可行，反應(yīng)面積方便計(jì)算，整個(gè)系統(tǒng)穩(wěn)定，易與控制，可以大大提高腐蝕電化學(xué)測(cè)量的準(zhǔn)確性和規(guī)范性；

5.本發(fā)明工作電極截面積小、厚度薄、主體體積較小，避免了使用其他截面積較大或厚度較大的工作電極需要切割的操作，使得后續(xù)利用大型儀器檢測(cè)涂層微觀形貌的實(shí)驗(yàn)操作更為方便、快捷，便于綜合應(yīng)用多種檢測(cè)方法，更好地分析再生水管道的微觀形貌特征和局部腐蝕特征。

附圖說明：

圖1是本發(fā)明流動(dòng)體系下再生水管道腐蝕電化學(xué)測(cè)試裝置的工作電極、參比電極和輔助電極實(shí)物圖；其中，a為工作電極，b為參比電極，c為輔助電極。

圖2是本發(fā)明是安裝三電極體系的環(huán)狀反應(yīng)器實(shí)物圖。

圖3是安裝三電極體系的環(huán)狀反應(yīng)器與外部電化學(xué)測(cè)試裝置連接圖；

圖4是本發(fā)明具體實(shí)施例測(cè)量所得的極化曲線；

圖5是本發(fā)明具體實(shí)施測(cè)量得到的交流阻抗譜圖。

具體實(shí)施方式

一種流動(dòng)體系下再生水管道系統(tǒng)腐蝕電化學(xué)測(cè)試裝置包括自制參比電極、工作電極和輔助電極以及配套的環(huán)狀反應(yīng)器。其特征在于：

1.本裝置中的工作電極的制作采用的是與環(huán)狀反應(yīng)器轉(zhuǎn)鼓內(nèi)的掛片相同的球墨鑄鐵材質(zhì)，并切割打磨成0.65cm²大?。徊⒂镁鬯姆蚁┩鈿し庋b(高約4.0cm)，所裝工作電極的聚四氟乙烯外殼通過螺紋也與環(huán)狀反應(yīng)器外壁相連接，與管壁構(gòu)成一體；電極的另一側(cè)設(shè)置有硬質(zhì)金屬導(dǎo)體接頭，方便進(jìn)行電化學(xué)測(cè)試；中間采用金屬導(dǎo)線連接球墨鑄鐵電極和硬質(zhì)金屬導(dǎo)體接頭并封裝在聚四氟乙烯材料內(nèi)部，以便導(dǎo)電；

2.本裝置的參比電極采用的是飽和ag/agcl電極，為防止ag/agcl溶液的流失，將其封裝在聚四氟乙烯圓筒桶狀外殼的內(nèi)腔，并留有部分內(nèi)芯與反應(yīng)器中的電解液相接觸；ag/agcl電極具有非常良好的電極電位重演性、穩(wěn)定性，在測(cè)量過程中提供一個(gè)穩(wěn)定的電極電位，參比電極上基本沒有電流通過，用于與工作電極組成回路，測(cè)定工作電極的電極電位；所述裝有飽和ag/agcl溶液的內(nèi)腔體通過螺紋與聚四氟乙烯外殼相連接(高約8.0cm)；電極的另一側(cè)設(shè)置有硬質(zhì)金屬導(dǎo)體接頭，方便進(jìn)行電化學(xué)測(cè)試；中間采用金屬導(dǎo)線連接參比電極電解質(zhì)室與硬質(zhì)金屬導(dǎo)體接頭，以便導(dǎo)電；所述安裝參比電極內(nèi)芯的聚四氟乙烯外殼通過螺紋與環(huán)狀反應(yīng)器外壁相連接，與管壁構(gòu)成一體，在整個(gè)測(cè)試系統(tǒng)中起到以此電位恒定的電極作為參比的作用；

3.輔助電極也采用的是1.0cm²的純度99.99％的鉑片，也用聚四氟乙烯外殼封裝(高約5.0cm)，所裝輔助電極的聚四氟乙烯外殼通過螺紋也與環(huán)狀反應(yīng)器外壁相連接，與管壁構(gòu)成一體；電極的另一側(cè)設(shè)置有硬質(zhì)金屬導(dǎo)體接頭，方便進(jìn)行電化學(xué)測(cè)試；中間采用金屬導(dǎo)線連接輔助電極的鉑片和金屬導(dǎo)體接頭并封裝在聚四氟乙烯材料內(nèi)部，以便導(dǎo)電；與工作電極相比，輔助電極具有較大的表面積使得外部所加的極化主要作用于工作電極上；輔助電極的作用是在整個(gè)測(cè)試系統(tǒng)形成一個(gè)可以讓電流通過的回路，只有一個(gè)電極外電路是不可能有穩(wěn)定的電流通過的；另外考慮到輔助電極鉑片的寬度較大，直接安裝到環(huán)狀反應(yīng)器內(nèi)中容易妨礙后期球墨鑄鐵掛片上較厚的腐蝕垢層生長(zhǎng)，因此將其壓扁緊貼在內(nèi)管壁上；電極的另一側(cè)也設(shè)置有硬質(zhì)金屬導(dǎo)體接頭，方便進(jìn)行電化學(xué)測(cè)試；

4.考慮到反應(yīng)器內(nèi)部轉(zhuǎn)鼓與外壁之間的距離狹小，將工作電極、參比電極、輔助電極的工作面都緊貼管道內(nèi)壁；并通過封裝的聚四氟乙烯外殼的螺紋與環(huán)狀反應(yīng)器外壁相連接；3只電極與內(nèi)部裝滿再生水的環(huán)狀反應(yīng)器構(gòu)成一個(gè)完整的電解池，整個(gè)系統(tǒng)中只有與3只電極通過導(dǎo)線相連的3只硬質(zhì)金屬導(dǎo)體接頭裸露在外，與電化學(xué)測(cè)試裝置相連接

5.三個(gè)電極與裝有再生水作為電解液的環(huán)狀反應(yīng)器中的構(gòu)成一個(gè)完整的原電池系統(tǒng)(在腐蝕過程中有電流通過)；所述硬質(zhì)金屬導(dǎo)體接頭的長(zhǎng)度為2cm，末端裸露，與外部電化學(xué)測(cè)量裝置的導(dǎo)線相連接；用于測(cè)量腐蝕過程中產(chǎn)生的電流，電阻情況，并通過極化曲線和交流阻抗間接反映腐蝕過程；整體連接方式和測(cè)試裝置見附圖3。

以上述安裝在環(huán)狀反應(yīng)器上的三電極體系為例，模擬消毒劑和微生物系統(tǒng)作用下再生水管道系統(tǒng)中的腐蝕機(jī)理。采用1.5l的環(huán)狀反應(yīng)器模擬再生水管道系統(tǒng)，由于考慮微生物的作用，環(huán)狀反應(yīng)器的所有部件在使用前在超凈臺(tái)上用紫外燈滅菌30min；隨后組裝所有部件，并使用無水乙醇先對(duì)反應(yīng)器進(jìn)行一次沖洗，然后再進(jìn)再生水；其中，球墨鑄鐵掛片掛在反應(yīng)器內(nèi)部的轉(zhuǎn)鼓上，由上面的無刷直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)(北京和利時(shí)電機(jī)技術(shù)有限公司-bl2203c)；反應(yīng)器通過蠕動(dòng)泵(保定雷弗調(diào)速型蠕動(dòng)泵-bt300s)從底部進(jìn)水，控制蠕動(dòng)泵的轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速約為1r/min以維持反應(yīng)器的水力停留時(shí)間為8h；無刷直流電機(jī)的轉(zhuǎn)速為0.25n/m²，模擬的管道的流速約為0.5m/s；

本實(shí)驗(yàn)研究了消毒劑和微生物耦合作用下再生水管道系統(tǒng)的腐蝕機(jī)理，分別采用1mg/l、2mg/l和4mg/l的三種濃度的naclo和clo2消毒劑實(shí)驗(yàn)各30天；測(cè)試過程中在電化學(xué)測(cè)試裝置(電化學(xué)工作站：cs350，武漢科斯特儀器有限公司)中輸入球墨鑄鐵金屬材料特性(7.8g/cm³)和實(shí)驗(yàn)條件(25℃下)等基本參數(shù)；待開路電位穩(wěn)定后，選擇測(cè)量方法為極化曲線測(cè)量，選擇參比電極為飽和ag/agcl參比電極，設(shè)置電位間隔：0.5mv，初始電位相對(duì)開路電位-0.1v，終止電位相對(duì)開路電位0.1v，掃描速度0.5mv/s，坐標(biāo)類型：電位-lg電流，測(cè)量結(jié)果見圖4；另外還進(jìn)行了交流阻抗譜的測(cè)量，測(cè)試方法-穩(wěn)態(tài)測(cè)試-阻抗-頻率掃描，進(jìn)行參數(shù)設(shè)置，交流幅值：10mv,初始頻率：100000hz，終止頻率：0.01hz，10點(diǎn)10倍頻，測(cè)試結(jié)果見圖5；

在整個(gè)實(shí)驗(yàn)過程中，工作電極即待測(cè)球墨鑄鐵電極與環(huán)狀反應(yīng)器中的再生水電解液接觸便發(fā)生腐蝕反應(yīng)，造成球墨鑄鐵工作電極的主要成分fe在陽極會(huì)失電子(1-1)，而陰極就會(huì)得電子(1-2)，此時(shí)陰陽極的反應(yīng)就構(gòu)成了一個(gè)原電池形成腐蝕產(chǎn)物(1-3)，并有電流通過；將工作電極、參比電極、輔助電極通過外面裸露的硬質(zhì)金屬導(dǎo)體接頭與電化學(xué)測(cè)量裝置相連接,其中工作電極和參比電極組成回路以監(jiān)測(cè)工作電極的腐蝕狀況，輔助電極在整個(gè)測(cè)試系統(tǒng)中電流通過形成回路，可通過電化學(xué)工作站對(duì)工作電極進(jìn)行極化曲線、交流阻抗譜等測(cè)試，以便更好的分析球墨鑄鐵的腐蝕過程；

而投加naclo和clo2消毒劑的情況下，其水解產(chǎn)生的clo^-和clo2分子直接參與陰極反應(yīng)過程，并與陽極失電子得到的fe²⁺通過不同的反應(yīng)過程形成腐蝕垢層(1-4；1-5)；結(jié)果表明與不投加消毒劑的控制實(shí)驗(yàn)相比，投加naclo和clo2消毒劑的情況下腐蝕的陰極被促進(jìn)，腐蝕速率變大，但是對(duì)于單個(gè)消毒劑種類而言，隨著腐蝕時(shí)間的增加和腐蝕垢層在金屬掛片表面的堆積，不管是控制實(shí)驗(yàn)還是投加消毒劑的實(shí)驗(yàn)陽極過程逐漸減緩，腐蝕過程逐漸變慢，這與文獻(xiàn)的結(jié)果是一致的。

fe→fe²⁺+2e^-(1-1)

6fe²⁺+3clo^-+3h2o→2fe(oh)3+4fe³⁺+3cl^-(1-4)

clo2+5fe²⁺+13h2o→5fe(oh)3+hcl+10h⁺(1-5)

本發(fā)明一方面解決了現(xiàn)有再生水管道系統(tǒng)中常用的環(huán)狀反應(yīng)器裝置無法實(shí)時(shí)、無損的進(jìn)行電化學(xué)監(jiān)測(cè)的問題，另外也解決了常用的靜態(tài)電化學(xué)體系的監(jiān)測(cè)問題，模擬流態(tài)更加接近實(shí)際的再生水管道運(yùn)行情況；另外一方面該裝置中電極系統(tǒng)的制作方法規(guī)范可行，與環(huán)狀反應(yīng)器的連接方便拆裝；同時(shí)工作電極截面積小、厚度薄、主體體積較小，避免了使用其他截面積較大或厚度較大的工作電極需要切割的操作，使得后續(xù)利用大型儀器檢測(cè)涂層微觀形貌的實(shí)驗(yàn)操作更為方便、快捷，便于綜合應(yīng)用多種檢測(cè)方法，更好地分析再生水管道的微觀形貌特征和局部腐蝕特征，可更加準(zhǔn)確的模擬流動(dòng)體系下再生水管道的腐蝕情況，更加準(zhǔn)確的探究腐蝕機(jī)理。

本發(fā)明用于在環(huán)狀反應(yīng)器的基礎(chǔ)上安裝三電極體系，并用導(dǎo)線將腐蝕過程中的電流信號(hào)通過硬質(zhì)金屬接頭連接至電化學(xué)工作站上，通過測(cè)量極化曲線和交流阻抗譜特征，用于實(shí)時(shí)、無損的分析腐蝕電化學(xué)機(jī)理；且實(shí)驗(yàn)過程可與反應(yīng)器內(nèi)部轉(zhuǎn)鼓上球墨鑄鐵掛片的取樣同時(shí)進(jìn)行，以便更好的結(jié)合腐蝕垢層的形貌特征和結(jié)晶狀態(tài)分析腐蝕機(jī)理。因此，該套裝置簡(jiǎn)單、方便，實(shí)現(xiàn)了實(shí)時(shí)，無損的對(duì)流動(dòng)系統(tǒng)中管道的腐蝕狀態(tài)進(jìn)行檢測(cè)，具有一定的應(yīng)用價(jià)值。

下面是本發(fā)明的一個(gè)實(shí)例。

實(shí)施例1

《城市污水再生利用—城市雜用水水質(zhì)》中對(duì)于進(jìn)入管網(wǎng)的清水池中的水接觸30min后的余氯量規(guī)定為≥1.0mg/l，并且要求管網(wǎng)末梢余氯量≥0.2mg/l，由于再生水中的aoc和懸浮物濃度較高，導(dǎo)致其耗氯量較大，尤其是在長(zhǎng)距離的管道運(yùn)輸中，難以保證管網(wǎng)末梢余氯量的要求，導(dǎo)致大量微生物繁殖。因此本課題分別進(jìn)行了進(jìn)水中1mg/l、2mg/l和4mg/l的三種濃度的naclo和clo2消毒劑實(shí)驗(yàn)各30天，并采用微生物高通量測(cè)序手段測(cè)定腐蝕垢層中微生物的多樣性，研究消毒劑和微生物耦合作用下流動(dòng)體系中再生水管道的腐蝕機(jī)理，結(jié)果發(fā)現(xiàn)極化曲線和交流阻抗譜能較好的分析其中的腐蝕機(jī)理和過程。