CN114486712A - 一种用于模拟深地质处置环境金属动态腐蚀的装置及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种用于模拟深地质处置环境金属动态腐蚀的装置及方法，装置包括储水箱、缓冲箱、出水管、水泵、回水管、测试机构及电化学工作站；测试机构包括工作电极、对电极及参比电极，工作电极、对电极及参比电极均与出水管内的流体接触，所述工作电极由待测试的金属或铀块制作而成。本发明的有益效果是：在水溶液循环过程中，通过电化学工作站、工作电极、对电极及参比电极进行动电位极化曲线、交流阻抗谱电化学测试，以便于分析金属的腐蚀机理；之后，将储水箱内的水溶液更换为含有核素离子的水溶液，以便于分析金属样品的腐蚀对核素的作用机理。从而通过本装置可模拟在动态水环境中的金属腐蚀机理，及其对高放废物的作用。
Description
技术领域
本发明涉及金属腐蚀机理技术领域，尤其是涉及一种用于模拟深地质处置环境金属动态腐蚀的装置及方法。
背景技术
二十世纪以来，核科学技术的不断发展和核能的和平利用，极大地满足了人类对能源的需求。但是核能在带来经济利益的同时产生了大量的放射性废料。其中高放射性废物是核能利用过程中不可避免的一种放射性强、发热量大、毒性大、半衰期长的废料。如何安全处置高放废物，已成为一个重大的安全和环保问题。目前对于这些高放废物国际上普遍接受的处置方法是深地质处置，即将高放废物埋藏在距地表深约500～1000m的地下深处,使之永久地与人类生存环境隔离。
金属处置罐是隔离高放废物与处置环境的第一道人工屏障，可防止高放废物向周围环境泄露。在导致金属处置罐发生破坏的诸多因素中，以金属腐蚀破坏的影响最大。目前国际上对于金属处置罐的选材主要包括准耐蚀性金属和高耐蚀性金属两类。即使选用这两类金属材料，在高放废物长时间储存尺度上，金属储罐也可能会发生腐蚀，此时地下水便会浸入金属容器内与高放废物接触。所以清楚了解这些金属材料在深地质处置环境中的长期腐蚀机制以及对高放废物的作用对于预测其服役寿命及安全性能具有重要意义。
对此，前人普遍都是在模拟静态地下水环境中研究金属选材的腐蚀情况以及其对高放废物的作用，而真实的地下水环境是流动态的，因此现有的模拟静态地下水环境中研究金属选材的腐蚀的试验不能模拟金属材料在动态环境中的腐蚀，从而难以研究金属材料在深地质处置环境中的长期腐蚀机制以及对高放废物的作用。
发明内容
有鉴于此，有必要提供一种用于模拟深地质处置环境金属动态腐蚀的装置及方法，用以解决现有的模拟静态地下水环境中研究金属选材的腐蚀的试验不能模拟金属材料在动态环境中的腐蚀，从而难以研究金属材料在深地质处置环境中的长期腐蚀机制以及对高放废物的作用的技术问题。
为了实现上述目的，本发明提供了一种用于模拟深地质处置环境金属动态腐蚀的装置，包括储水箱、缓冲箱、出水管、水泵、回水管、测试机构及电化学工作站；
所述出水管的一端与所述储水箱连通，所述出水管的另一端与所述缓冲箱连通；
所述水泵设置于所述出水管上；
所述回水管的一端与所述缓冲箱连通，所述回水管的另一端与所述储水箱连通；
所述测试机构包括工作电极、对电极及参比电极，所述工作电极、所述对电极及所述参比电极均与所述出水管内的流体接触，所述工作电极由待测试的金属或铀块制作而成；
所述电化学工作站与所述工作电极、所述对电极及所述参比电极均电连接。
在一些实施例中，所述出水管上开设有第一采样口，所述第一采样口位于所述测试机构与所述储水箱之间，所述第一采样口上连接有第一采样阀门。
在一些实施例中，所述出水管上开设有第二采样口，所述第二采样口位于所述测试机构与所述缓冲箱之间，所述第二采样口上连接有第二采样阀门。
在一些实施例中，所述用于模拟深地质处置环境金属动态腐蚀的装置还包括通气管及气源，所述通气管的一端与所述气源连通，所述通气管的另一端与所述储水箱连通。
在一些实施例中，所述回水管上设置有回水阀。
在一些实施例中，所述水泵为蠕动泵。
在一些实施例中，所述出水管由透明材料制成。
在一些实施例中，所述测试机构还包括三通接头及密封盖，所述三通接头的第一接口及第二接口均与所述出水管连通，所述密封盖可拆卸连接于所述三通接头的第三端，所述密封盖上开设有第一安装孔、第二安装孔及第三安装孔，所述工作电极、所述对电极及所述参比电极分别安装于所述第一安装孔、所述第二安装孔及所述第三安装孔内。
在一些实施例中，所述密封盖上还开设有第四安装孔。
本发明还提供了一种用于模拟深地质处置环境金属动态腐蚀的方法，适用于所述的用于模拟深地质处置环境金属动态腐蚀的装置，包括：
通过待测试的金属制作工作电极；
在储水箱内加入水溶液，通过水泵使储水箱内的水溶液经由出水管进入缓冲箱，再经由回水管返回储水箱，形成循环；
在水溶液循环过程中，通过电化学工作站、工作电极、对电极及参比电极进行动电位极化曲线、交流阻抗谱电化学测试，以便于分析金属的腐蚀机理；
将储水箱内的水溶液更换为含有核素离子的水溶液，重复上述步骤，以便于分析金属样品的腐蚀对核素的作用机理。
与现有技术相比，本发明提出的技术方案的有益效果是：在试验时，通过待测试的金属制作工作电极；在储水箱内加入水溶液，通过水泵使储水箱内的水溶液经由出水管进入缓冲箱，再经由回水管返回储水箱，形成循环；在水溶液循环过程中，通过电化学工作站、工作电极、对电极及参比电极进行动电位极化曲线、交流阻抗谱电化学测试，以便于分析金属的腐蚀机理；之后，将储水箱内的水溶液更换为含有核素离子的水溶液，重复上述步骤，以便于分析金属样品的腐蚀对核素的作用机理。从而通过本装置可模拟在动态水环境中的金属腐蚀机理，及其对高放废物的作用，可以更好的对高放废物的处置进行选材以及预测服役寿命，并对其安全性能进行评价。
附图说明
图1是本发明提供的用于模拟深地质处置环境金属动态腐蚀的装置的一实施例的结构示意图；
图2是图1中区域A的局部放大图；
图3是图1中区域B的局部放大图；
图中：1-储水箱、2-缓冲箱、3-出水管、31-第一采样口、32-第一采样阀门、33-第二采样口、34-第二采样阀门、4-水泵、5-回水管、51-回水阀、6-测试机构、61-工作电极、62-对电极、63-参比电极、64-三通接头、65-密封盖、66-铀块、7-通气管。
具体实施方式
下面结合附图来具体描述本发明的优选实施例，其中，附图构成本申请一部分，并与本发明的实施例一起用于阐释本发明的原理，并非用于限定本发明的范围。
请参照图1和图2，本发明提供了一种用于模拟深地质处置环境金属动态腐蚀的装置，包括储水箱1、缓冲箱2、出水管3、水泵4、回水管5、测试机构6及电化学工作站。
所述出水管3的一端与所述储水箱1连通，所述出水管3的另一端与所述缓冲箱2连通。所述水泵4设置于所述出水管3上。所述回水管5的一端与所述缓冲箱2连通，所述回水管5的另一端与所述储水箱1连通。
所述测试机构6包括工作电极61、对电极62及参比电极63，所述工作电极61、所述对电极62及所述参比电极63均与所述出水管3内的流体接触，所述工作电极61由待测试的金属或铀块制作而成。所述电化学工作站与所述工作电极61、所述对电极62及所述参比电极63均电连接。本实施例中，对电极62为铂网电极，参比电极63为甘汞电极。
在试验时，通过待测试的金属制作工作电极61；在储水箱1内加入水溶液，通过水泵4使储水箱1内的水溶液经由出水管3进入缓冲箱2，再经由回水管5返回储水箱1，形成循环；在水溶液循环过程中，通过电化学工作站、工作电极61、对电极62及参比电极63进行动电位极化曲线、交流阻抗谱电化学测试，以便于分析金属的腐蚀机理；之后，将储水箱1内的水溶液更换为含有核素离子的水溶液，重复上述步骤，以便于分析金属样品的腐蚀对核素的作用机理。从而通过本装置可模拟在动态水环境中的金属腐蚀机理，及其对高放废物的作用，可以更好的对高放废物的处置进行选材以及预测服役寿命，并对其安全性能进行评价。
为了便于采集出水管3在测试机构6之前的水样，请参照图1，在一优选的实施例中，所述出水管3上开设有第一采样口31，所述第一采样口31位于所述测试机构6与所述储水箱1之间，所述第一采样口31上连接有第一采样阀门32。
为了便于采集出水管3在测试机构6之后的水样，请参照图1，在一优选的实施例中，所述出水管3上开设有第二采样口33，所述第二采样口33位于所述测试机构6与所述缓冲箱2之间，所述第二采样口33上连接有第二采样阀门34。在试验过程中，分别采集第一采样口31及第二采样口33处的水样，分析其氧含量及pH等参数，并进行对比，从而检测出电化学反应过程中，溶液的成分变化，以便于研究金属样品的腐蚀机理。
为了便于模拟实际地下水溶液的无氧氛围，请参照图1，在一优选的实施例中，所述用于模拟深地质处置环境金属动态腐蚀的装置还包括通气管7及气源，所述通气管7的一端与所述气源连通，所述通气管7的另一端与所述储水箱1连通，在试验时，气源为氩气源，通过通气管7将氩气持续通入储水箱1内，从而使储水箱1内的溶液保持无氧氛围，以模拟实际地下水溶液的无氧氛围。
为了便于控制水溶液是否循环，请参照图1，在一优选的实施例中，所述回水管5上设置有回水阀51。从而在实验过程中，当不需要溶液在储水箱1与缓冲箱2之间循环时(如进行不含核素离子的水溶液中金属动态腐蚀实验时)，可关闭回水阀51，当需要溶液在储水箱1与缓冲箱2之间循环时(如进行含有核素离子的水溶液中金属动态腐蚀实验时)，可开启回水阀51。
为了精确控制出水管3内的溶液的流速，请参照图1，在一优选的实施例中，所述水泵4为蠕动泵，从而可用于评价水流速度对金属的腐蚀的影响。
为了便于观察水溶液的流动情况及状态，请参照图1，在一优选的实施例中，所述出水管3由透明材料制成，具体地，出水管3由PMMA材料制成。
为了便于安装测试机构6，请参照图1，在一优选的实施例中，所述测试机构6还包括三通接头64及密封盖65，所述三通接头64的第一接口及第二接口均与所述出水管3连通，所述密封盖65可拆卸连接于所述三通接头64的第三端，所述密封盖65上开设有第一安装孔、第二安装孔及第三安装孔，所述工作电极61、所述对电极62及所述参比电极63分别安装于所述第一安装孔、所述第二安装孔及所述第三安装孔内。在一实施例中，工作电极61直接通过金属样品制备而成，将金属样品切割成10mm×10mm×2mm，金属样品一面焊上导线，再用环氧树脂将金属样品进行封样，再进行抛光，以制成工作电极，再将工作电极61装入第一安装孔。工作电极61通过导线连接电化学工作站。接着，在密封盖65的第二安装孔及第三安装孔内分别固定对电极62和参比电极63，也分别通过导线与电化学工作站进行连接。开启电化学工作站，对金属样品进行动电位极化曲线、交流阻抗谱等电化学测试，准确获取金属样品在动态环境下的腐蚀行为。
为了便于研究金属腐蚀对铀块的影响，请参照图3，在一优选的实施例中，所述密封盖65上还开设有第四安装孔，所述第四安装孔内用于安装铀块66。
本发明还提供了一种用于模拟深地质处置环境金属动态腐蚀的方法，适用于所述的用于模拟深地质处置环境金属动态腐蚀的装置，包括：
通过待测试的金属制作工作电极61；
在储水箱1内加入水溶液，通过水泵4使储水箱1内的水溶液经由出水管3进入缓冲箱2，再经由回水管5返回储水箱1，形成循环；
在水溶液循环过程中，通过电化学工作站、工作电极61、对电极62及参比电极63进行动电位极化曲线、交流阻抗谱电化学测试，以便于分析金属的腐蚀机理；
将储水箱1内的水溶液更换为含有核素离子的水溶液，重复上述步骤，以便于分析金属样品的腐蚀对核素的作用机理。
下面结合一具体实施例来对本发明提供的技术方案进行详细说明：
试验一：
第一步：在储水箱1内装入水溶液，在储水箱1的底部通入氩气，使储水箱1内的水溶液保持无氧氛围。开启水泵4使储水箱1内的溶液以一定的流速进入到出水管3中，通过出水管3上的第一采样口31进行采样，以检测进入出水管3的溶液的氧含量及pH等,通过第二采样口33进行采样，从而可提取反应后的溶液，进而检测分析溶液中的成分。在密封盖65上固定三个电极，其中将研究的金属样品切割成10mm×10mm×2mm小块，再在金属一面焊上导线，再用环氧树脂将样品进行封样，进行抛光，制成工作电极61，可选用甘汞电极为参比电极63，铂网电极为对电极62，三电极通过不同的导线连接电化学工作站，构成电化学测试系统，进行动电位极化曲线、交流阻抗谱等电化学测试，分析其腐蚀机理。
第二步：再将储水箱1内的溶液更换成含有核素离子的水溶液，将经过电化学处理的工作电极61固定在密封盖65内，开启蠕动泵使储水箱1内的溶液以一定流速流动经工作电极61，通过两个采样口采集水样，以分析水溶液中离子的变化，动态浸泡结束后对工作电极61进行表征，进而分析金属样品的腐蚀机理及其对核素的作用机理。
试验二：
第一步：同试验一的第一步。
第二步：在储水箱1内储存配制的水溶液，将由金属材料制成的工作电极61经过电化学击穿处理后，固定在三通接头64的密封盖65上，再将铀块66也制备成电极，与工作电极61相对固定在密封盖65上，开启水泵4使储水箱1内的溶液以一定流速流动经工作电极61，分析反应前后溶液中离子的变化，并在动态浸泡结束对工作电极61进行表征，进而分析金属样品的腐蚀机理及其对铀的作用机理。
本发明的有益效果如下：
(1)本发明的模拟深地质处置环境金属动态腐蚀实验装置，解决了现有的模拟深地质处置环境中无法对金属材料的动态腐蚀情况进行研究测试的问题，能够更加准确的研究在地下水环境下金属的腐蚀行为及其对高放废物的作用；
(2)通过对储水箱底部通入特定的气体使进入管道保持特定的环境氛围，如通入氩气使溶液保持无氧环境；
(3)通过三电极体系可对金属样品在流动的模拟地下水溶液中的腐蚀行为进行电化学测试研究其腐蚀行为；
(4)通过三电极体系对金属样品在含有核素离子的动态模拟地下水溶液中的进行电化学测试及浸泡实验研究其腐蚀行为及其对高放废物的作用机理；
(5)将高放废物制成的电极(即铀块66)，与金属样品同时放置在动态模拟地下水溶液中，通过电化学测试和浸泡实验研究金属样品与高放废物之间的相互作用。
(6)本发明装置通过蠕动泵调节溶液的流速，通过电化学工作站可以测试不同流速状态下金属样品的腐蚀情况及其对高放废物的作用。
以上所述仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种用于模拟深地质处置环境金属动态腐蚀的装置，其特征在于，包括储水箱、缓冲箱、出水管、水泵、回水管、测试机构及电化学工作站；
所述出水管的一端与所述储水箱连通，所述出水管的另一端与所述缓冲箱连通；
所述水泵设置于所述出水管上；
所述回水管的一端与所述缓冲箱连通，所述回水管的另一端与所述储水箱连通；
所述测试机构包括工作电极、对电极及参比电极，所述工作电极、所述对电极及所述参比电极均与所述出水管内的流体接触，所述工作电极由待测试的金属或铀块制作而成；
所述电化学工作站与所述工作电极、所述对电极及所述参比电极均电连接。
2.根据权利要求1所述的用于模拟深地质处置环境金属动态腐蚀的装置，其特征在于，所述出水管上开设有第一采样口，所述第一采样口位于所述测试机构与所述储水箱之间，所述第一采样口上连接有第一采样阀门。
3.根据权利要求1所述的用于模拟深地质处置环境金属动态腐蚀的装置，其特征在于，所述出水管上开设有第二采样口，所述第二采样口位于所述测试机构与所述缓冲箱之间，所述第二采样口上连接有第二采样阀门。
4.根据权利要求1所述的用于模拟深地质处置环境金属动态腐蚀的装置，其特征在于，还包括通气管及气源，所述通气管的一端与所述气源连通，所述通气管的另一端与所述储水箱连通。
5.根据权利要求1所述的用于模拟深地质处置环境金属动态腐蚀的装置，其特征在于，所述回水管上设置有回水阀。
6.根据权利要求1所述的用于模拟深地质处置环境金属动态腐蚀的装置，其特征在于，所述水泵为蠕动泵。
7.根据权利要求1所述的用于模拟深地质处置环境金属动态腐蚀的装置，其特征在于，所述出水管由透明材料制成。
8.根据权利要求1所述的用于模拟深地质处置环境金属动态腐蚀的装置，其特征在于，所述测试机构还包括三通接头及密封盖，所述三通接头的第一接口及第二接口均与所述出水管连通，所述密封盖可拆卸连接于所述三通接头的第三端，所述密封盖上开设有第一安装孔、第二安装孔及第三安装孔，所述工作电极、所述对电极及所述参比电极分别安装于所述第一安装孔、所述第二安装孔及所述第三安装孔内。
9.根据权利要求8所述的用于模拟深地质处置环境金属动态腐蚀的装置，其特征在于，所述密封盖上还开设有第四安装孔。
10.一种用于模拟深地质处置环境金属动态腐蚀的方法，适用于如权利要求1-9任意一项所述的用于模拟深地质处置环境金属动态腐蚀的装置，其特征在于，包括：
通过待测试的金属制作工作电极；
在储水箱内加入水溶液，通过水泵使储水箱内的水溶液经由出水管进入缓冲箱，再经由回水管返回储水箱，形成循环；
在水溶液循环过程中，通过电化学工作站、工作电极、对电极及参比电极进行动电位极化曲线、交流阻抗谱电化学测试，以便于分析金属的腐蚀机理；
将储水箱内的水溶液更换为含有核素离子的水溶液，重复上述步骤，以便于分析金属样品的腐蚀对核素的作用机理。
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