一種用于高壓水熱體系的電化學(xué)控氧裝置的制造方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本實(shí)用新型涉及一種用于高溫高壓水熱體系的電化學(xué)控氧裝置。
【背景技術(shù)】
[0002]高溫高壓條件下，水熱體系中的氧逸度/活度是體系極為重要的物理化學(xué)參數(shù)之一，其既約束其他氧化、還原組分的種類和含量，又制約著體系的各種過(guò)程。氧逸度/活度在諸如礦物溶解、成油成氣過(guò)程、熱液交代作用、人工晶體合成、高溫鍋爐腐蝕、火力發(fā)電/核反應(yīng)堆設(shè)備腐蝕、超臨界廢物處理等高溫高壓領(lǐng)域影響重大。對(duì)高溫高壓水熱環(huán)境下的氧逸度/活度進(jìn)行原位控制，可更加清楚地了解體系的物質(zhì)組成、性質(zhì)、狀態(tài)及過(guò)程的發(fā)生與發(fā)展。因此，原位控制高壓水熱體系的氧逸度/活度具有非常重要的科學(xué)意義。
[0003]目前國(guó)際上控制高溫高壓水熱體系氧逸度/活度的方法主要采用Eugster雙囊法、Shaw薄膜法、聚四氟乙烯薄膜滲透法等薄膜滲透法和固體電解質(zhì)薄膜電極法。上述幾種薄膜滲透法都是通過(guò)控制氫逸度/活度，再利用2H2+02 2H 20平衡反應(yīng)將氫逸度/活度換算成氧逸度/活度。在換算過(guò)程中，水流體通常被當(dāng)作純水處理。但實(shí)際上，在許多高溫高壓科學(xué)實(shí)驗(yàn)、工業(yè)過(guò)程、海底環(huán)境探測(cè)中，我們經(jīng)常遇到的是組成復(fù)雜的濃溶液體系，若仍將體系水的逸度/活度當(dāng)成純水的逸度/活度，則無(wú)疑會(huì)給結(jié)果帶來(lái)較大的誤差。而且薄膜滲透法響應(yīng)時(shí)間一般長(zhǎng)達(dá)數(shù)小時(shí)至數(shù)天，均難滿足快速響應(yīng)要求。固體電解質(zhì)薄膜電極法響應(yīng)快，且利用固體電解質(zhì)的氧敏感特性可直接對(duì)體系氧進(jìn)行控制，但已報(bào)道使用固體電解質(zhì)薄膜電極法控制氧逸度/活度文獻(xiàn)中，因結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和所用密封材料的限制難以在450 0C以上工作，特別是在溫度、壓力分別為400-700 °C、40-100 MPa的高溫高壓環(huán)境下難以使用。
[0004]鑒于控制氧逸度/活度在高溫高壓水熱科學(xué)與技術(shù)研究中的重要意義，以及目前工作中遇到的困境，要求研制一種能快速原位控制高溫高壓水熱體系中氧逸度/活度的傳感器。
【實(shí)用新型內(nèi)容】
[0005]本實(shí)用新型要解決的技術(shù)問(wèn)題是:提供一種高溫高壓水熱體系電化學(xué)控制氧的裝置，該裝置可用于高溫(250-700°C)高壓(常壓-100 MPa)水熱體系氧逸度或氧活度的原位直接控制，以解決現(xiàn)有同類直接控氧技術(shù)存在的工作溫度壓力不高(難以同時(shí)超過(guò)400°C、40 MPa)以及現(xiàn)有間接控氧技術(shù)面臨的響應(yīng)時(shí)間長(zhǎng)，所獲結(jié)果可靠性存在質(zhì)疑等各種難題。
[0006]本實(shí)用新型的技術(shù)方案是:一種用于高溫高壓水熱體系電化學(xué)控制氧的裝置，由基座、圓臺(tái)狀耐高溫絕緣錐墊、耐高溫絕緣錐套、圓臺(tái)狀耐高溫絕緣陶瓷、圓臺(tái)狀固體電解質(zhì)陶瓷管、海綿狀惰性金屬層、惰性金屬片以及電極引線等組成，其特征在于:所述基座上設(shè)有兩個(gè)錐孔，兩個(gè)錐孔的收斂端分別與兩個(gè)通孔連通；在其中一個(gè)錐孔內(nèi)布置有耐高溫絕緣錐套，在該耐高溫絕緣錐套內(nèi)設(shè)有圓臺(tái)狀固體電解質(zhì)陶瓷管，圓臺(tái)狀固體電解質(zhì)陶瓷管大圓面上和管內(nèi)頂端均有海綿狀惰性金屬層，位于圓臺(tái)狀固體電解質(zhì)陶瓷管管內(nèi)頂端的海綿狀惰性金屬層通過(guò)電極引線從下方通孔引出；在另一個(gè)錐孔的收斂端設(shè)有圓臺(tái)狀耐高溫絕緣墊，在圓臺(tái)狀耐高溫絕緣錐墊的大圓面之上有圓臺(tái)狀耐高溫絕緣錐套，以及從下到上依次安裝在圓臺(tái)狀耐高溫絕緣錐套內(nèi)的惰性金屬片和圓臺(tái)狀耐高溫絕緣陶瓷，圓臺(tái)狀耐高溫絕緣陶瓷大端面上有海綿狀惰性金屬層，位于該錐孔下方通孔內(nèi)的電極引線穿過(guò)圓臺(tái)狀耐高溫絕緣錐墊、借助惰性金屬片和位于圓臺(tái)狀耐高溫絕緣陶瓷中的電極引線實(shí)現(xiàn)與圓臺(tái)狀耐高溫絕緣陶瓷大端面上的海綿狀惰性金屬層的電連通；并且圓臺(tái)狀耐高溫絕緣陶瓷大端面上的海綿狀惰性金屬層通過(guò)電極引線實(shí)現(xiàn)與圓臺(tái)狀固體電解質(zhì)陶瓷管大端面上的海綿狀惰性金屬層的電連通。
[0007]所述圓臺(tái)狀耐高溫絕緣墊和耐高溫絕緣錐套的材料為葉蠟石、云母或氮化硼。
[0008]所述圓臺(tái)狀耐高溫絕緣陶瓷的材料為剛玉陶瓷，其軸心含與圓臺(tái)狀耐高溫絕緣陶瓷一同燒結(jié)成的電極引線。
[0009]所述惰性金屬片為鉑金或黃金片。
[0010]所述海綿狀惰性金屬層材料為Pt。
[0011]所述電極引線均為鉑絲。
[0012]所述基座上的錐孔，以及安裝于錐孔中的圓臺(tái)狀耐高溫絕緣墊、耐高溫絕緣錐套、圓臺(tái)狀固體電解質(zhì)陶瓷管和圓臺(tái)狀耐高溫絕緣陶瓷具有相同的錐角，為10-20°，彼此共同形成錐形自緊式密封機(jī)構(gòu)。
[0013]所述基座的制備材料為鎳基合金或鈦合金或不銹鋼。
[0014]所述圓臺(tái)狀固體電解質(zhì)陶瓷管的材料為YSZ陶瓷，由注漿法制作，經(jīng)高溫?zé)Y(jié)而成，其制備包括以下主要步驟:
[0015]步驟一:使用YSZ陶瓷粉、阿拉伯樹(shù)膠、去離子水等材料配制固含量為30-70%的漿料，并將漿料在球磨機(jī)上球磨1-5 h ;
[0016]步驟二:在模具中滴漿一定時(shí)間后倒出磨具中的流動(dòng)漿料，放置5-20 h后脫模、修坯，得到管狀YSZ陶瓷素坯；
[0017]步驟三:在硅鉬棒高溫爐中對(duì)管狀YSZ陶瓷素坯進(jìn)行燒結(jié)，燒結(jié)溫度為1300-1600°C，燒結(jié)時(shí)間為1-6 h，得到具高機(jī)械強(qiáng)度的管狀YSZ陶瓷；
[0018]步驟四:在磨床上將上述燒結(jié)成形的管狀YSZ陶瓷加工成圓臺(tái)狀并用磨片機(jī)打磨圓臺(tái)的大端面；
[0019]步驟五:將打磨好的圓臺(tái)狀YSZ陶瓷管依次在稀HC1、無(wú)水乙醇或丙酮、去離子水中超聲清洗10-20 min，然后在100_150°C烘箱中烘干即可。
[0020]本實(shí)用新型的有益效果:
[0021]本實(shí)用新型電化學(xué)控氧裝置在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)上的優(yōu)越性、控氧原理上的直接性以及外形設(shè)計(jì)上的靈活性，使得現(xiàn)有各種用于高壓水熱體系的控氧裝置所面臨的諸如同類直接控氧技術(shù)工作溫度壓力不高(難以同時(shí)超過(guò)400°C、40 MPa)以及現(xiàn)有間接控氧技術(shù)響應(yīng)時(shí)間長(zhǎng)，所獲結(jié)果可靠性存在質(zhì)疑等各種難題幾乎獲得全面解決。主要的有益效果包括:
[0022]1、本實(shí)用新型中用來(lái)制作耐高溫絕緣錐套(5)和圓臺(tái)狀耐高溫絕緣墊(8)的葉蠟石、云母或氮化硼等密封材料在高溫高壓水熱環(huán)境下硬度適中、熱化學(xué)穩(wěn)定性好、抗腐蝕，并具很好的高溫絕緣性能；使用YSZ粉末經(jīng)注漿法燒結(jié)制作的圓臺(tái)狀固體電解質(zhì)陶瓷(2)其大圓面上海綿狀惰性金屬層(I)與高溫壓力容器內(nèi)的高溫高壓水流體樣品直接接觸；使用Al2O3粉末與鉑金引線作整體燒結(jié)制作成的圓臺(tái)狀耐高溫絕緣陶瓷(4)其軸心嵌入的電極引線絕緣環(huán)境好，與陶瓷本體之間的整體性強(qiáng)，整個(gè)圓臺(tái)狀耐高溫絕緣陶瓷即使在高溫高壓水熱體系中亦具有很好的抗腐蝕性、高溫機(jī)械強(qiáng)度。不僅如此，本實(shí)用新型中用來(lái)承載和安裝電極的基座(9)系鎳基合金或鈦合金或不銹鋼等高溫合金制作而成，該類材料在高溫高壓水熱環(huán)境中亦具有較好的抗腐蝕性和高溫機(jī)械強(qiáng)度。因此，由前述耐高溫絕緣錐套
(5)、圓臺(tái)狀耐高溫絕緣墊(8)、圓臺(tái)狀固體電解質(zhì)陶瓷管(2)/圓臺(tái)狀耐高溫絕緣陶瓷(4)以及基座(9)上的錐孔所形成的錐形自緊式密封機(jī)構(gòu)使得本實(shí)用新型裝置能夠在很高的溫度(例如:700°C)與壓力(例如:100 MPa)條件下使用。
[0023]2、本實(shí)用新型中的前述圓臺(tái)狀耐高溫絕緣墊(8)、耐高溫絕緣錐套(5)、圓臺(tái)狀固體電解質(zhì)陶瓷管(2)、圓臺(tái)狀耐高溫絕緣陶瓷(4)、惰性金屬片(6)以及電極引線(3)在組裝至上述裝置基座的錐孔后，各組成部件間緊密接觸，具很好的整體性，不易散落和損壞，從而使得本實(shí)用新型裝置可多次重復(fù)使用。
[0024]3、本實(shí)用新型中圓臺(tái)狀固體電解質(zhì)陶瓷管(2)大圓面上經(jīng)涂刷-燒結(jié)工藝制成的海綿狀金屬鉑層，可大大增加水熱樣品-YSZ-海綿狀鉑三相接觸線的有效長(zhǎng)度以及海綿狀鉬電極與水熱樣品的有效接觸面積，從而大幅度提尚本裝置的響應(yīng)速率。
[0025]4、本裝置的外形設(shè)計(jì)靈活多變，因此在高溫壓力容器上可選擇對(duì)高溫壓力容器力學(xué)強(qiáng)度不造成明顯影響的部位來(lái)安裝本裝置，從而最大限度地減少了因本裝置的安裝對(duì)高溫壓力容器工作溫度和壓力帶來(lái)的負(fù)面影響。
[0026]總之，本實(shí)用新型裝置與現(xiàn)有用于高溫高壓水熱體系的各類直接或間接控氧裝置相比，響應(yīng)速度快，性能穩(wěn)定可靠，重復(fù)使用率高，可廣泛用于更寬溫壓范圍(250-700°C、常壓-100 MPa)的水熱體系。
【附圖說(shuō)明】
[0027]圖1是本實(shí)用新