CN201335805Y - 一种可自动控制薄液厚度的电解池装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型属于电化学领域，涉及一种可自动控制薄液膜厚度的电解池装置，可实现10μm－990μm薄液膜厚度的连续自动控制，可用于测量电偶或单种金属电极在上述薄液膜厚度范围内的电化学行为。电解池装置主要由薄液膜的形成系统和厚度测量系统构成。薄液膜的形成系统由水位探头、注水器、液位继电器、电磁阀等组成并用导线连通。厚度测量系统主要由灵敏的欧姆表和焊有水位探头的螺旋测微器构成，测量薄液膜的厚度。本实用新型优点是在准确、简洁地测量出薄液膜的厚度，并在此基础上实现了长期测试过程中薄液膜厚度的稳定控制，保证电化学测试环境的稳定。

Description

一种可自动控制薄液厚度的电解池装置

技术领域

本发明属于电化学领域，涉及一种可自动控制薄液厚度的电解池装置，可用于测量电偶或单种金属电极在薄液条件下的电化学行为和薄液膜的厚度。

背景技术

金属在大气中的腐蚀是一种电化学过程，起因于水汽凝聚或吸附在金属表面上形成薄液膜，腐蚀过程既服从电化学腐蚀的一般规律，又具有大气腐蚀的特点。它与完全浸在电解液中的腐蚀过程有所区别。日本T Nishimura等人利用交流阻抗法研究了在薄液膜下各种不同金属的大气腐蚀行为，并且认为表面存在薄液膜的金属的阻抗行为相当于三维分布恒定等效电路。国内外学者利用Kelvin探头参比电极技术进行了一些研究工作。M Stratmann等利用自行研制的装置测定了Fe、Zn、Cu等金属在极薄电解液膜层下的腐蚀电位及极化曲线，并研究了表面腐蚀产物的形成及对腐蚀行为的影响等。

发明内容

本实用新型目的是为了克服现有装置不能连续、实时、原位控制薄液膜厚度，且人为误差较大等缺点，提供一种可自动控制薄液膜厚度的电解池装置，在准确、简洁测量出薄液膜的厚度的基础上实现了长期测试过程中液膜厚度的稳定控制，保证电化学测试环境的稳定。

一种可自动控制薄液厚度的电解池装置，由水平台、反应容器、溶液、有机玻璃盖、加液孔，溶液箱、参比电极、对电极、试样台及薄液膜的形成系统和厚度测量系统构成。薄液膜形成系统包括注水器、电磁阀、液位继电器、水位探头；厚度测量系统包括灵敏的欧姆表、水位探头、螺旋测微器、工作电极。反应容器置于水平台上，用于调整水平位置。薄液膜的形成系统和厚度测量系统均在反应容器中进行，当测量大量溶液的电化学行为时，溶液可从位于有机玻璃盖右侧的加液孔加入溶液，在液膜形成之后，将电解池用有机玻璃盖覆盖并用真空脂密封。

液位继电器的输入端与水位探头通过导线相连，向液位继电器提供信号，其输出端通过导线与电磁阀的两端相连，控制溶液箱中的溶液通过注水器开启或关闭，液位继电器的工作电压为220V。顶部焊有导线的螺旋测微器通过导线与欧姆表的一个接线端相连，欧姆表的另一个接线端通过导线与放在试样台上的工作电极相连接，当焊在螺旋测微器上的水位探头与工作电极的表面或者溶液相接触时，薄液膜厚度测量系统即可导通。当得到所需的液膜厚度条件后，将参比电极、对电极、工作电极与电化学工作站相连接，即可进行电化学测量。

整个电解池装置置于水平台上，通过控制水平台的水平调整和工作电极的水平调整来保证工作电极表面的水平性，从而保证工作电极表面薄液膜的均匀分布。

液位继电器经输出导线与设在注水器水管中的电磁阀连接，由电磁阀开启或关闭水管。当水位探头与液面相接触时，由液位继电器控制电磁阀关闭，使溶液不能再流入到反应容器中；当水位探头和液面没有接触时电磁阀开启，向反应容器中注入溶液。

薄液膜的厚度测量装置主要由灵敏的欧姆表和焊有水位探头的螺旋测微器构成。为了获得不同厚度的液膜，本研究中采用注水器自动控制溶液来调整工作电极上液膜的厚度，使其达到待定数值。

本实用新型可实现10μm-990μm薄液膜厚度的连续自动控制，可用于测量电偶或单种金属电极在上述薄液厚度范围内的电化学行为。优点是在准确、简洁地测量出薄液膜的厚度并在此基础上实现了长期测试过程中薄液膜厚度的稳定控制，保证电化学测试环境的稳定。

附图说明

图1是电解池装置结构图。

图中1.水平台，2.反应容器，3.溶液，4.有机玻璃盖，5.加液孔，6.注水器，7.电磁阀，8.液位继电器，9.溶液箱，10.参比电极，11.螺旋测微器，12.水位探头，13.对电极，14.欧姆表，15.工作电极，16.试样台。

图2为不同厚度液膜下7A04铝合金电极的阴极极化曲线(扫描速率1毫伏每秒)。

图3为-1.0伏的极限扩散电流。

图4为61微米薄液膜下的奈奎斯特图随时间的变化。

图5为61微米薄液膜下的波特图随时间的变化。

图6为110微米薄液膜下的奈奎斯特图随时间的变化。

图7为110微米薄液膜下的波特图随时间的变化。

图8为170微米薄液膜下的奈奎斯特图随时间的变化。

图9为170微米薄液膜下的波特图随时间的变化。

图10为235微米薄液膜下的奈奎斯特图随时间的变化。

图11为235微米薄液膜下的波特图随时间的变化。

图12为500微米薄液膜下的奈奎斯特图随时间的变化。

图13为500微米薄液膜下的波特图随时间的变化。

图14为2000微米薄液膜下的奈奎斯特图随时间的变化。

图15为2000微米薄液膜下的波特图随时间的变化。

具体实施方式

电化学测试采用三电极体系，工作电极为待测电极，对电极为围绕工作电极的多道圆环铂丝，参比电极为饱和甘汞电极(SCE)。工作电极使用PVC管并用环氧树脂密封，导线从PVC管的侧面中心部位引出，表面经金相砂纸逐级打磨至1500#，然后用3.5μm和1.5μm的金刚石研磨膏抛光；制样时必须保证上下两个表面都保持水平。实验前电极经丙酮除油，去离子水清洗后吹干。将装置按图1装好，然后在电极表面上形成厚度一定的薄液膜，测量不同液膜厚度下电化学曲线。测量设备为EG&G公司生产PARSTAT2273电化学工作站。为了保证电化学交流阻抗谱测量过程中电流密度在工作电极表面上的均匀分布，实验中采用密封装置的方法，保证在整个监测过程中液膜保持稳定连续。

首先将焊有水位探头的螺旋测微器固定在电极的正上方，小心缓慢地调整螺旋测微器使水位探头向工作电极表面靠近；当水位探头的尖端与工作电极表面接触时，欧姆表上所显示的阻值将从无穷大突跃为某一有限值，此时立即停止水位探头向下移动，并读取螺旋测微器的刻度ml；然后将水位探头后退，待其远离工作电极表面后，将电解质溶液倒入电解池中，使溶液漫过工作电极；此时再次调节螺旋测微器，使水位探头向溶液表面靠近，在水位探头与溶液表面接触时，欧姆表所显示的阻值将再次发生从无穷大到某一有限值的突跃，读取突跃点时螺旋测微器的刻度m2，则溶液的厚度为Δm＝m1-m2。

为了降低IR降，本设计中参比电极在测量时始终浸泡在本体溶液中，由于从参比电极到工作电极边缘的IR降可以忽略，因此，可以大大地降低IR降对测量结果的影响。同时，为了长时间地研究薄液膜下工作电极的腐蚀情况，必须抑制溶液的挥发，保证液膜的稳定。本试验在液膜形成之后，将电解池用有机玻璃盖覆盖并用真空脂密封。另外，为了保证薄液膜厚度和成分在整个测试过程中尽可能保持稳定，电解池的溶液表面积远大于金属电极，并留有较深的液槽

液位继电器8的输入端与水位探头12通过导线相连，向液位继电器8提供信号，其输出端通过导线与电磁阀7的两端相连，控制溶液箱9中的溶液通过注水器6开启或关闭，液位继电器的工作电压为220V。这样就组成了由注水器6、电磁阀7、液位继电器8、水位探头12等连接而成的薄液膜形成系统。将顶部焊有导线的螺旋测微器11通过导线与欧姆表14的一个接线端相连，欧姆表14的另一个接线端通过导线与放在试样台16上的工作电极15相连接，当焊在螺旋测微器上的水位探头与工作电极15的表面或者溶液3相接触时，由灵敏的欧姆表14和焊有水位探头12的螺旋测微器11构成的薄液膜厚度测量装置即可导通。当得到所需的液膜厚度条件后，将参比电极10、对电极13、工作电极15与EG&G公司生产PARSTAT2273电化学工作站相连接，即可进行电化学测量。

采用上述装置，模拟研究铝合金7A04在3.5％氯化钠溶液和1mol/L硫酸钠溶液(pH5)薄液膜中的腐蚀行为。为了研究薄液膜对铝合金7A04阴极氧还原过程的影响，本研究采用从开路电位向阴极方向扫描的方法，测定了铝合金7A04电极在不同厚度液膜下的阴极极化曲线。同时，为了防止薄液膜在极化曲线测量过程中由于蒸发而导致厚度的变化，选用1mv/s作为扫描速率。此扫描速率较快，整个测试过程不到20分钟，可以认为在测试过程中液膜厚度基本保持不变。

图2为不同厚度液膜下铝合金7A04电极的阴极极化曲线(扫描速率1mv/s)，从图2中看出，液膜厚度对阴极极化曲线的自腐蚀电位影响不大，但对测得的阴极极限电流密度有较大的影响。若以-1.0V时的阴极电流作为极限电流密度，则其随液膜厚度的变化示于图3中。

从图2看出，铝合金7A04电极的阴极极化曲线存在明显的扩散平台，阴极极化曲线可以分为3个区域(尤其是对本体溶液下的极化曲线更明显)，区域I是自腐蚀电位附近的电化学活化控制区(弱极化区)；区域II是在较负的阴极电位下氧的扩散控制区；区域III是氢的还原过程，其阴极电流迅速增大。图示结果同时表明，铝合金7A04电极在所有薄液膜下的极限电流密度都高于其在本体溶液中的电流密度，表明阴极极化曲线没有受到电流密度分布不均匀的影响；同时薄液膜下的阴极极化曲线与标准的扩散控制的阴极极化曲线间存在着偏离，表现为氧的还原电流在极限区随阴极过电位的增大而增大。图3表明，在110微米处，氧的还原电流达到极大值。当液膜厚度高于或低于110微米时，阴极电流密度有所降低。

电化学阻抗谱测量：

不同厚度薄液膜下测得的EIS随时间的变化情况如图4至图15，从波特图可以看出，相位角基本都超过-45°，说明在测试过程中电流分布比较均匀，测试结果没有受到电流密度分布不均匀的影响。

铝合金7A04电极在0.6mol/L氯化钠溶液(pH值为6)中测得的奈奎斯特图可以看出，阻抗谱主要由高频区容抗弧和低频区感抗弧或容抗弧组成。在腐蚀初期，奈奎斯特图在低频区为感抗弧，主要是因为铝合金表面有一层氧化膜层，随腐蚀时间的延长，氧化膜层破坏，反应在铝合金表面进行，感抗弧变为容抗弧。

Claims (1)

1.一种可自动控制薄液厚度的电解池装置，其特征是由水平台(1)、反应容器(2)、溶液(3)、有机玻璃盖(4)、加液孔(5)，溶液箱(9)、参比电极(10)、对电极(13)、试样台(16)及薄液膜的形成系统和厚度测量系统构成，薄液膜形成系统包括注水器(6)、电磁阀(7)、液位继电器(8)、水位探头(12)；厚度测量系统包括灵敏的欧姆表(14)、水位探头(12)、螺旋测微器(11)、工作电极(15)；反应容器(2)置于水平台(1)上，薄液膜的形成系统和厚度测量系统均在反应容器(2)中，溶液(3)能从位于有机玻璃盖(4)右侧的加液孔(5)加入，电解池用有机玻璃盖(4)覆盖；液位继电器(8)的输入端与水位探头(12)通过导线相连，向液位继电器(8)提供信号，其输出端通过导线与电磁阀(7)的两端相连，控制溶液箱(9)中的溶液通过注水器(6)开启或关闭，液位继电器的工作电压为220V；顶部焊有导线的螺旋测微器(11)通过导线与欧姆表(14)的一个接线端相连，欧姆表(14)的另一个接线端通过导线与放在试样台(16)上的工作电极(15)相连接，当焊在螺旋测微器上的水位探头(12)与工作电极(15)的表面或者溶液(3)相接触时，薄液膜厚度测量装置即能导通；当得到所需的液膜厚度条件后，将参比电极(10)、对电极(13)、工作电极(15)与电化学工作站相连接，即能进行电化学测量。

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