CN115874187A - 一种用于解决钛金属材料污损的电化学方法及防污系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种用于解决钛金属材料污损的电化学方法及防污系统。通过构建以未涂覆导电涂层的钛金属材料作为工作电极的三电极的电化学防污系统；采用线性极化法从开路电位开始扫描所述钛金属材料，通过电流峰确定施加电位和电流范围；施加阳极电流，使电位稳定到所需的电位区间，用于杀死附着于钛金属材料表面的微生物；当监测到电位超过警戒电位后，切换为恒电位模式，并施加负电位用于对表面膜进行去膜处理；循环进行上述步骤。该方法直接利用了钛及钛合金材料自身在海水中的电化学特性，不需要额外在材料表面涂覆导电涂层，即可维持较高的电流密度，从而有效的杀死附着微生物，且使用的电位电流相比电解防污低，能耗相对较低。
Description
技术领域
本发明属于技术领域，具体涉及一种用于解决钛金属材料污损的电化学方法及防污系统。
背景技术
钛合金因其优异的机械强度和化学稳定性成为海洋工程应用理想的材料，被称为“海洋金属”，是未来最有前途的海洋材料。虽然相比于其它应用于海洋工程的绝大数金属材料，钛及钛合金在海洋中有着很强的耐蚀性，但它们更容易遭受海生物(如：石灰虫、藻类和牡蛎)的污损，且更为严重。钛制船体上出现海生物污损时会增加航行阻力，导致航速下降和燃料消耗增加，而钛制管道中出现海生物污损则会使管道堵塞，减少水流量。因此必须对其海生物污损进行有效控制。
现有的海生物防除方法主要有涂覆防污涂层、电解防污、超声波技术、直接释放毒料和物理清除等，其中防污涂料和电化学防污是最为成熟的两类方法，已广泛应用于船舶、海工装备和海水管道等领域。电化学防污中主要以电解防污为主，此技术由日本和英国在上世纪60年代最早开始研究。它的主要原理是通过电化学原理生成防污产物来达到防污的效果，主要有三类系统：一是电解海水制氯；二是电解Cu-M(Fe、Al等)阳极防污系统；三是Cu-Cl2防污系统。它的一个缺点是需要专门的电解海水防污装置，耗电量大，电解生成防污产物后再输送到需要防污的材料表面，只适用于一些海水管道系统。且后两类是属于阳极消耗型污损控制技术，寿命有限，且产生的铜离子会污染环境。
现有的阴极保护装置可以通过外加电流法将一定阴极电流施加到导电电极上，利用其提供电子实现海洋金属材料防腐，是海洋材料常用的装置之一。由于海洋金属材质的限制，大多数海洋金属无法直接作为工作电极施加阳极电流，需要在目标材料上涂敷导电膜层，此举会增加材料的加工工序改变材料表面性质和增加成本。对于除海水管道系统外的一些海洋金属材料，尤其是船体，同时负荷电解海水防污装置和阴极保护装置，亦会增加成本。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术的不足之处，提供了一种用于解决钛金属材料污损的电化学方法及防污系统，解决了上述背景技术中的问题。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案之一是：提供了一种用于解决钛金属材料污损的电化学方法，包括如下步骤：
1)以未涂覆导电涂层的钛金属材料作为工作电极，与辅助电极、参比电极组成三电极的电化学防污系统；
2)采用线性极化法从开路电位开始扫描所述钛金属材料，通过电流峰确定施加的电位区间和电流范围；其中，施加电流为峰值电流的1/4-1/12，电位区间为峰值电位前移0.05-0.2V；
3)在所述电化学防污系统上施加阳极电流，使电位稳定到步骤2)确定的电位区间，用于杀死附着于钛金属材料表面的海生物和微生物；
4)设定峰值电位前移0.05-0.03V为警戒电位，当监测到电位超过警戒电位后，切换为恒电位模式，并施加负电位用于对表面膜进行去膜处理；
5)循环进行步骤3)-4)。
在本发明一较佳实施例中，所述钛金属材料包括钛金属及钛合金。
在本发明一较佳实施例中，步骤2)中，所述电流范围为5-500uA/cm2。
在本发明一较佳实施例中，步骤3)中，所述电位区间为1.3-2.0V。
在本发明一较佳实施例中，步骤4)中，所述警戒电位为2.0V。
在本发明一较佳实施例中，步骤4)中，所述负电位的电位区间为-1.2V～-0.5V。
在本发明一较佳实施例中，步骤4)中，施加负电位的时长为0.5-1h。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案之二是：提供了一种用于解决钛金属材料污损的电化学防污系统，包括检测装置、控制装置、电缆和电极；所述检测装置用于扫描钛金属材料以及收集电位、电流信号；所述控制装置与检测装置连接，用于控制施加电位的方向、区间和时间；所述电缆用于连接电极；所述电极采用以未涂覆导电涂层的钛金属材料作为工作电极，与辅助电极、参比电极组成三电极。
在本发明一较佳实施例中，装设于海洋材料上，所述海洋材料包括钛制船体、海工装备和海水管道。
在本发明一较佳实施例中，所述检测装置、控制装置集成于阴极保护装置的电化学工作站。
本技术方案与背景技术相比，它具有如下优点：
1.本发明直接利用了钛及钛合金材料自身在海水中的电化学特性，不需要额外在材料表面涂敷导电涂层，即可维持较高的电流密度，从而有效的杀死附着微生物；
2.本发明使用的电位电流相比电解防污低，能耗低；
3.本发明可直接采用现有成熟的阴极保护装置进行设计安装，通过对输出电压电流进行调制即可实现发明目的，无需另外安装防污装置，极大程度上节省了成本。
附图说明
图1为实施例1防污装置结构示意图。
图2为实施例1在天然海水中的线性极化图。
图3为实施例1在钛金属上施加恒电流后的电压随时间图。
图4为实施例1在钛金属上施加恒电压后的电流随时间图。
具体实施方式
本发明的工作原理：针对钛及钛合金材料在海水中的电化学特性，在较宽的电化学钝化区间存在一小段电化学活性溶解区，在活性电位电流区施加一定的电位电流，可通过电化学阳极反应直接杀死污损微生物，并通过阴极去膜方式降低微生物与钛金属及钛合金的附着力。
实施例1
本实施例一种用于解决钛金属材料污损的电化学方法，包括如下步骤：
1)在现有的阴极保护装置的基础上，按图1所示以钛金属材料作为工作电极，结合辅助电极和参比电极组成三电极电化学防污系统；将三电极通过电缆连接至阴极保护装置，利用阴极保护装置的电化学工作站内集成的检测装置和控制装置实现多种电信号的采集与控制；
2)采用线性极化扫描技术以10mV/min的速率从开路电位开始扫描，得到图2所示的曲线，从曲线上可以看到在1.3～2.0V之间有一个明显的电流峰，峰值电流为100uA左右，峰值电位约为1.85V，此电位区间和电流峰值即为接下来实施电化学防污用的电位和电流参考值，由此确定施加电位为1.65-1.80V和电流范围。
3)系统上施加10uA的恒电流，电压迅速达到1.65V左右，然后缓慢增加；
4)如图3所示，当电压达到1.80V后，利用控制装置自动切换到恒电位，施加-0.8V的电位0.5h，会有一个稳定的阴极电流进行表面去膜；
5)如图4所示，再自动切换到恒电流模式并施加10uA的恒电流，当电位达到1.8V时再次切换成恒电位，以上过程一直循环进行，首先通过10uA的阳极电流杀死附着到钛金属表面的微生物，然后利用-0.8V对表面膜进行去膜处理从而达到防污的效果。
本实施例直接采用现有成熟的阴极保护装置进行设计安装，并直接利用了钛及钛合金材料自身在海水中的电化学特性，不需要额外在材料表面涂敷导电涂层，即可维持较高的电流密度，从而有效的杀死附着微生物。
以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。
Claims (10)
1.一种用于解决钛金属材料污损的电化学方法，其特征在于：包括如下步骤：
1)以未涂覆导电涂层的钛金属材料作为工作电极，与辅助电极、参比电极组成三电极的电化学防污系统；
2)采用线性极化法从开路电位开始扫描所述钛金属材料，通过电流峰确定施加的电位区间和电流范围；其中，施加电流为峰值电流的1/4-1/12，电位区间为峰值电位前移0.05-0.2V；
3)在所述电化学防污系统上施加阳极电流，使电位稳定到步骤2)确定的电位区间，用于杀死附着于钛金属材料表面的海生物和微生物；
4)设定峰值电位前移0.05-0.03V为警戒电位，当监测到电位超过警戒电位后，切换为恒电位模式，并施加负电位用于对表面膜进行去膜处理；
5)循环进行步骤3)-4)。
2.根据权利要求1所述的一种用于解决钛金属材料污损的电化学方法，其特征在于：所述钛金属材料包括钛金属及钛合金。
3.根据权利要求1所述的一种用于解决钛金属材料污损的电化学方法，其特征在于：步骤2)中，所述电流范围为5-500uA/cm2。
4.根据权利要求1所述的一种用于解决钛金属材料污损的电化学方法，其特征在于：步骤3)中，所述电位区间为1.3-2.0V。
5.根据权利要求1所述的一种用于解决钛金属材料污损的电化学方法，其特征在于：步骤4)中，所述警戒电位不超过2.0V。
6.根据权利要求1所述的一种用于解决钛金属材料污损的电化学方法，其特征在于：步骤4)中，所述负电位的电位区间为-1.2V～-0.5V。
7.根据权利要求1所述的一种用于解决钛金属材料污损的电化学方法，其特征在于：步骤4)中，施加负电位的时长为0.5-1h。
8.如权利要求1～7任一项方法使用的一种用于解决钛金属材料污损的电化学防污系统，其特征在于：包括检测装置、控制装置、电缆和电极；所述检测装置用于扫描钛金属材料以及收集电位、电流信号；所述控制装置与检测装置连接，用于控制施加电位的方向、区间和时间；所述电缆用于连接电极；所述电极采用以未涂覆导电涂层的钛金属材料作为工作电极，与辅助电极、参比电极组成三电极。
9.根据权利要求8所述的一种用于解决钛金属材料污损的电化学防污系统，其特征在于：装设于海洋材料上，所述海洋材料包括钛制船体、海工装备和海水管道。
10.根据权利要求8所述的一种用于解决钛金属材料污损的电化学防污系统，其特征在于：所述检测装置、控制装置集成于阴极保护装置的电化学工作站。
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| CN202310012615.5A Pending CN115874187A (zh) | 2023-01-05 | 2023-01-05 | 一种用于解决钛金属材料污损的电化学方法及防污系统 |
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2023
- 2023-01-05 CN CN202310012615.5A patent/CN115874187A/zh active Pending
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