CN109883939B - 一种水处理管道管垢发育与破裂的电化学模拟测试平台 - Google Patents

Abstract

一种研究水处理管道管垢发育与破裂的电化学模拟测试平台，属于金属管道的电化学研究领域。该平台包括(1)一个外壁有多个插孔的圆筒状玻璃电解池；(2)电解池上侧的孔装有铂片辅助电极；(3)电解池一侧装有多个Ag/AgCl参比电极；(4)电解池另一侧装有多个与待测管材材质相同的工作电极；(5)原水箱；(6)进水泵；(7)用作电化学测试的电化学工作站；(8)电化学测试装置的通道扩展器；(9)用作电化学信号收集装置的电脑。该平台可以动态模拟、实时监测水处理管道内壁的管垢发育状况，并可观察水质切换对管垢破裂状况的影响，避免之前管垢研究中的边破坏、边采样、边测试的问题，有助于揭示管垢的发育、破裂过程和机理。

Description

一种水处理管道管垢发育与破裂的电化学模拟测试平台

技术领域

本发明涉及一种水处理管道内壁管垢发育与破裂的电化学模拟测试平台，该发明属于金属管道的腐蚀与电化学测试领域。

背景技术

水处理金属管道在使用过程中，由于水中氧化性物质的存在，导致腐蚀时有发生。腐蚀过程通常是一个电化学过程，主要表现在阳极金属失电子发生氧化反应，阴极得电子发生还原反应，然后在阴阳极反应共同作用下生成腐蚀产物，并形成管垢。

腐蚀结垢即管垢发育过程是个动态过程。长期使用的管道内壁由于电化学、化学、生物等作用形成结构各异、成分复杂的腐蚀垢层。当输送单一，稳定水源时，垢层与输送水相形成相对稳定、平衡的状态，成为阻隔主体水与金属基底的屏障，这对于管网水质稳定和安全运行有着不可忽视的作用。然而，当水质变化时，水质特征的差异使得管内壁腐蚀垢层与水相之间的平衡状态发生破坏，导致管垢破裂，内容物释放到管网水中，引发水质恶化现象。因此，对管垢发育与破裂过程进行动态、实时的模拟监测，对系统掌握管垢的形成、破裂机理具有重要的研究意义。

目前，研究水处理金属管道腐蚀结垢的研究方法多侧重测试水质变化情况来间接表征，大多基于管段模拟反应器、插有管材挂片的环状反应器；鲜有模拟管道腐蚀结垢的生长与破裂的电化学测试装置的报道。

相关的专利申请包括：

1.一种用于研究给水管网内壁管垢铁稳定性的方法(申请号：20111025 8380.5)，该发明公开了一种给水管网水质化学稳定性研究用的管段模拟反应器和方法，其特征在于截取具有一定使用年限的腐蚀管段，与有机玻璃盖板连接成“管段模拟反应器”，以搅拌产生的横向环流来模拟实际管道中的纵向水流条件，研究水与管段内壁管垢长时间接触产生的水质变化。反应器上设备有探头插口，可外接pH、溶解氧等在线监测系统和药剂自动投加设备，将试验水质参数稳定运行在一定范围。运行期间试验水体与腐蚀管垢经过一段时间接触后，水中的化学离子组分与管垢发生反应，从而模拟研究管垢金属离子释放。

该申请对给水管网内壁管垢铁稳定性的研究方法，侧重在用管垢金属离子释放来间接表征管垢破裂过程，与本申请“一种水处理管道内壁管垢发育与破裂的电化学模拟测试平台”在研究对象、测试技术手段、表征方法等方面均不相同。

2.一种管道内垢层厚度的超声波检测方法(申请号：CN201110045799.2)，一种管道内垢层厚度的超声波检测方法，本发明方法是利用两次不同角度的超声波分别入射,通过测量出两次入射时超声波在充满液体的管道内的穿透时间,在已知超声波在管壁和填充液体中的传播速度、超声波入射角和折射角关系的基础上联立方程组,进而计算出管道内垢层的速度和厚度。该方法可以在未知垢层性质的情况下测量出垢层厚度，可以实现管道的在役检测，无破坏性，精度可靠。

该申请研究研究了一种管道内壁垢层厚度的超声波检测方法，虽与本申请的研究对象“管垢”相同，但是测试方法，测试手段等方面均不相同。

3.一种油田污水腐蚀结垢特性的测试方法(申请号：CN201610753456.4)，该发明公开了一种油田污水腐蚀结垢特性的测试方法,包括以下步骤：1)测试管线材料在现场油田污水下的电化学阻抗图谱；2)设计模拟管线，用CFD软件模拟出在不同进管口流速下该管线模型内的流态信息，并确定实验测试片的安放位置；3)将实验测试片安放在动态管线上，进行水循环开始动态模拟实验,并在不同的实验时长下测量不同安放位置处的测试片的垢层厚度；4)数据整合分析步骤：得出垢层厚度与各变量之间的关系，从而得出该油田污水的腐蚀结垢特性。

该申请通过将实验测试片安装在动态管线上，进行水循环模拟动态实验，而且只分析了垢层生长厚度与电化学变量之间的关系，与本申请“一种水处理管道内壁管垢发育与破裂的电化学模拟测试平台”在研究对象、研究方法、测试变量上都不相同。

综上所述，关于管道内部管垢特性的测试方法，前人的研究多通过试验试片研究，或者通过管垢释放的铁离子进行表征，以及通过超声波方法进行检测。本申请中对于管垢的生长和破裂的电化学过程，开发了一种动态模拟的试验测试平台，可为揭示管垢发育模型和破裂机理的分析提供电化学测试方法和手段，与前人的研究和专利申请存在很大差别，具有很好的创新性。

发明内容

本发明的目的在于提供一种水处理管道管垢发育与破裂过程的电化学测试平台，通过极化曲线和交流阻抗谱的测试结果，尝试提出管垢发育过程的概念模型，并提出管垢破裂的临界电化学状态，解决目前只能对管垢进行破坏采样的分析测试方法。该测试平台中的工作电极可以更换为不同需要的材质，同时电解液可以根据试验需要随时调整，具有广泛的适用范围。

本发明的特征在于：

1.一种水处理管道管垢发育与破裂的电化学模拟测试平台，其特征包括(1)一个圆筒状外壁有多个插孔的玻璃电解池；(2)电解池上侧的孔装有铂片辅助电极；(3)电解池左侧装有多个Ag/AgCl参比电极；(4)电解池右侧装有多个与待测管材材质相同的工作电极；(5)原水箱；(6)进水蠕动泵；(7)用作电化学测试的电化学工作站；(8)电化学测试装置的通道扩展器；(9)用作电化学信号收集装置的电脑。

2.一种水处理管道管垢发育与破裂的电化学模拟测试平台，其特征在于：该平台的辅助电极整体是圆柱形电极，前端一侧装有铂片，后端一侧也装有铜质金属接头，方便与电化学测试装置连接；分别处于两端的铂片和铜质金属接头中间通过铜质金属导线连接，并用聚四氟乙烯材料封装；

3.一种水处理管道管垢发育与破裂的电化学模拟测试平台，其特征在于：该平台采用封装在密闭的电解质室内的Ag/AgCl作为参比电极，此参比电极通过聚四氟乙烯螺纹外壳与与密闭电解质室横向连接，此参比电极通过铜质金属导线与另一侧的铜质金属接头连接，方便与电化学测试装置连接；

4.一种水处理管道管垢发育与破裂的电化学模拟测试平台，其特征在于：工作电极整体为圆柱形，前端是用聚四氟乙烯材料封装的与待测管材材质相同的工作电极，后端一侧设置有铜质金属接头，方便与电化学测试装置连接；分别处于两端的工作电极和金属接头中间通过铜质金属导线连接，并一并封装在了聚四氟乙烯材料内部；其中工作电极的前端一侧设置有螺纹，方便与圆筒状的玻璃测试容器紧密连接；

5.其工作电极由待测管材加工，其材质包括球墨铸铁、灰口铸铁、不锈钢、铜、铅等管材；

6.试验过程中的电解液可以根据模拟试验需要进行更换，包括自来水、再生水、污水，并可根据需要添加不同浓度的消毒剂、氧化剂、缓蚀剂、pH调节药剂；

本发明具有如下优点：

1、本发明的试验模拟平台可对水处理管道的管垢发育和破裂过程进行动态的电化学模拟和测试，有助于建立管垢的生长模型，确定管垢破裂的临界电化学状态。

2、本发明的试验模拟平台在对管垢发育过程进行研究测试时，可以不破坏管垢，更贴近于实际管垢的发育和破裂过程。

3、本发明的试验模拟平台不仅可以对管垢的发育过程进行实时监测，还可以通过调整电解质成分来诱发管垢破裂，并对这一过程进行实时监测，这对从整个生命周期理论理解管道腐蚀和管垢发育过程具有重要意义。

4、本发明的试验模拟平台可以方便、灵活的更换工作电极，适用于研究不同金属管材的腐蚀和管垢发育过程，具有广泛的实用价值。

附图说明

图1为一种水处理管道管垢发育与破裂的电化学模拟测试平台的系统构成图。其各部件如下：(1)圆筒状外壁有多个插孔的玻璃电解池；(2)电解池上侧的孔装有铂片辅助电极；(3)电解池左侧装有多个Ag/AgCl参比电极；(4)电解池右侧装有多个与待测管材材质相同的工作电极；(5)原水箱；(6)进水蠕动泵；(7)电化学测试的电化学工作站；(8)电化学测试装置的通道扩展器；(9)用作电化学信号收集装置的电脑。①电解池主体右侧的参比电极电极腔室；②电解池主体左侧的工作电极电极腔室；③电解池上部中间的聚四氟乙烯圆盖加药和密封装置；④电解池前端螺纹接口；⑤电解池前端的出水盖板；⑥电解池前端盖板上的螺纹不锈钢宝塔型出水口；⑦电解池后端的螺纹接口；⑧电解池后端的进水盖板；⑨电解池后端盖板上的螺纹不锈钢宝塔型进水口；

图2为该测试平台的工作电极，工作电极整体为圆柱形，前端是用聚四氟乙烯材料封装的与待测管材材质相同的工作电极，后端一侧设置有铜质金属接头，方便与电化学测试装置连接，其中工作电极和铜质金属接头中间通过铜导线进行连接；

图3为采用该平台获得的一组动电位扫描-极化曲线测试结果(电极材料分别为球墨铸铁和304不锈钢，电解质为自来水，未加消毒剂，运行10天)；

图4为采用该平台获得的一组动交流阻抗谱测试结果(电极材料分别为球墨铸铁和304不锈钢，电解质为自来水，未加消毒剂，运行10天)；

具体实施方式

本发明的一种水处理管道管垢发育与破裂的电化学模拟测试平台，可以同时对管道腐蚀过程、管垢发育与破裂过程的电化学信号进行模拟检测，解决了现有技术中缺乏对管垢实施无损检测的不足。

一种水处理管道管垢发育与破裂的电化学模拟测试平台，其特征在于可以对水处理管道内壁的管垢发育和破裂状况进行动态、实时监测；其特征包括((1)一个圆筒状外壁有多个插孔的玻璃电解池；(2)电解池上侧的孔装有铂片辅助电极；(3)电解池左侧装有多个Ag/AgCl参比电极；(4)电解池右侧装有多个与待测管材材质相同的工作电极；(5)原水箱；(6)进水蠕动泵；(7)用作电化学测试的电化学工作站；(8)电化学测试装置的通道扩展器；(9)用作电化学信号收集装置的电脑。

该电化学模拟测试平台，可以对多种金属的腐蚀与管垢发育和破裂过程进行对比分析；可模拟同种金属管道在不同水质下的管垢发育与破裂情况；可模拟不同水流状态下管道的垢层生长与破裂情况。本电化学试验测试平台，操作方便简便灵活，在测试过程中可以得到大量的电化学信息，可以更好地理解管垢发育过程，确定管垢的破裂机理。

具体实施过程中：

(1)所述的工作电极为球墨铸铁电极和不锈钢电极；

(2)所述的电解液分别为自来水；

(3)所述的进水蠕动泵转速为3r/min；

(4)所述的用作电化学测试的电化学工作站为武汉科斯特仪器有限公司的电化学工作站；

(5所述的电化学测试装置的通道扩展器为电化学工作站配套的多通道扩展器；

(6)所述的进行电化学测试过程中的动电位扫描-极化曲线，设置参数如下：扫描电位间隔0.5mV，初始电位相对开路电位-0.1V，终止电位相对开路电位0.1V，扫描速度0.5mV/s，坐标轴设置：电位-lg电流；动电位扫描完毕后进行交流阻抗谱的测量，设置参数如下：交流幅值：10mV,初始频率：100000Hz，终止频率：0.01Hz，10点10倍频；

以两种常用管材球墨铸铁和304不锈钢为例，将两种管材做成电极，放在该平台上进行连续运行测试，在自来水中运行10天后，测试其腐蚀和管垢发育情况。按照装置图连接好电化学测试装置后，对极化曲线信号和交流阻抗谱信号进行收集，测得的数据结果见图2和图3。

结果表明，在未加消毒剂的自来水中，304不锈钢的耐蚀性远远大于球墨铸铁。10天时，球墨铸铁表面的管垢开始出现分层现象，而304不锈钢表面的管垢只有一层，且此层管垢的致密性远远高于球墨铸铁表面的管垢。

因此，本发明的试验模拟平台可以实现对不同金属管道的管垢发育过程的模拟和电化学检测，有利于更好地理解管垢发育过程和机理。

Claims (1)

1.一种研究水处理管道管垢发育与破裂的电化学模拟测试平台，其特征在于，该平台包括：一个圆筒状外壁有多个插孔的电解池；电解池上侧的孔装有铂片辅助电极；工作电极和参比电极安装在电解池主体的两个相对侧，其中左侧安装多个Ag/AgCl参比电极，右侧安装多个与待测管材材质相同的工作电极，其中装置还包含电解池上部中间的聚四氟乙烯圆盖加药和密封装置、电解池前端的螺纹接口、电解池前端的出水盖板、电解池前端盖板上的螺纹不锈钢宝塔型出水口、电解池后端的螺纹接口、电解池后端的进水盖板和电解池后端盖板上的螺纹不锈钢宝塔型进水口；原水箱；进水泵；电化学工作站；电化学测试装置的通道扩展器和电脑；

原水箱通过进水泵连接到电解池，进水泵的转速为3r/min，电化学测试装置的通道扩展器连接用作电化学测试的电化学工作站，电化学工作站连接用作电化学信号收集装置的电脑；

铂片辅助电极整体是圆柱形电极，前端一侧装有铂片，后端一侧装有铜质金属接头，分别处于两端的铂片和铜质金属接头中间通过铜质金属导线连接，并用聚四氟乙烯材料封装；

Ag/AgCl作为参比电极，此参比电极通过聚四氟乙烯螺纹外壳与密闭电解质室横向连接，此参比电极通过铜质金属导线与铜质金属接头连接；

工作电极整体为圆柱形，前端是用聚四氟乙烯材料封装的与待测管材材质相同的工作电极，后端一侧设置有铜质金属接头，分别处于两端的工作电极和金属接头中间通过铜质金属导线连接，并一并封装在了聚四氟乙烯材料内部；

所述工作电极材质包括球墨铸铁、灰口铸铁、不锈钢、铜或铅；

试验过程中的电解液根据模拟试验需要进行更换，通过调节电解液成分诱发管垢破裂进行管垢实时监测，电解液包括自来水、再生水、污水、海水、海水淡化水或工业生产用水，并可以根据需要添加不同浓度的消毒剂、氧化剂、缓蚀剂、pH调节药剂和/或阻垢剂；

进行电化学测试得到动电位扫描-极化曲线，对极化曲线信号和交流阻抗谱信号进行收集，实现对管道的管垢发育过程的模拟和电化学检测。

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