RU95405U1

RU95405U1 - CELL FOR RESEARCH OF ELECTROCHEMICAL PROCESSES

Info

Publication number: RU95405U1
Application number: RU2010103959/22U
Authority: RU
Inventors: Дмитрий Сергеевич Сирота; Александр Николаевич Улихин; Игорь Юрьевич Копьев; Александр Михайлович Пушкарев; Сергей Николаевич Ашарин; Николай Николаевич Глазов; Дмитрий Николаевич Запевалов
Priority date: 2010-02-05
Filing date: 2010-02-05
Publication date: 2010-06-27

Abstract

1. Ячейка для исследования электрохимических процессов, протекающих на границе раздела сред, содержащая корпус, выполненный в виде диэлектрического пустотелого тройника, в отверстия которого установлены пробки, на торцевой поверхности нижней пробки корпуса выполнено капиллярное отверстие, заполненное диэлектрической заливкой, и закреплены рабочий электрод, изготовленный из трубной стали и расположенный заподлицо с наружной поверхностью нижней пробки, и вспомогательный электрод, изготовленный из платины и выступающий из наружной поверхности нижней пробки не более чем на один миллиметр, изолированные провода от рабочего и вспомогательного электродов выведены через верхнюю пробку и внутреннюю полость удлинительной диэлектрической трубки, закрепленной на наружной поверхности верхней пробки, в боковой пробке со стороны, обращенной внутрь диэлектрического корпуса, закреплен хлорсеребряный электрод сравнения, снабженный изолированным проводом, причем внутренний объем корпуса на 1/3 заполнен электролитом и на 2/3 диэлектрической заливкой, жестко фиксирующей вспомогательный и рабочий электроды, обеспечивая контакт между электродами только через электролит. ! 2. Ячейка по п.1, отличающаяся тем, что в качестве электролита используют загущенный агар-агаром раствор КСl. ! 3. Ячейка по п.1, отличающаяся тем, что в качестве диэлектрической заливки используют смесь термоклея и кристаллов КCl. ! 4. Ячейка по п.1, отличающаяся тем, что хлорсеребряный электрод состоит из серебряного стержня, на поверхность которого нанесена нерастворимая соль AgCl, покрытая закрепляющим элементом. ! 5. Ячейка по п.1, отличающаяся тем, что в � 1. A cell for studying electrochemical processes occurring at a media interface, comprising a housing made in the form of a dielectric hollow tee, the holes of which are fitted with plugs, a capillary hole filled with dielectric filling is made on the end surface of the lower tube of the housing, and the working electrode made made of pipe steel and flush with the outer surface of the lower plug, and an auxiliary electrode made of platinum and protruding from the outer surface the surface of the lower tube is not more than one millimeter, the insulated wires from the working and auxiliary electrodes are led out through the upper tube and the internal cavity of the extension dielectric tube mounted on the outer surface of the upper tube, a silver chloride reference electrode is fixed in the side tube from the side facing the inside of the dielectric housing equipped with an insulated wire, and the internal volume of the housing is 1/3 filled with electrolyte and 2/3 dielectric fill, rigidly fixing the auxiliary flax and working electrodes, providing contact between the electrodes only through the electrolyte. ! 2. The cell according to claim 1, characterized in that the KCl solution thickened with agar-agar is used as an electrolyte. ! 3. The cell according to claim 1, characterized in that a mixture of hot-melt adhesive and KCl crystals is used as dielectric fill. ! 4. The cell according to claim 1, characterized in that the silver chloride electrode consists of a silver rod, on the surface of which an insoluble AgCl salt coated with a fixing element is applied. ! 5. The cell according to claim 1, characterized in that in �

Description

Полезная модель относится к области исследования электрохимических процессов, протекающих на границе раздела сред: стальной электрод / влагонасыщенная среда (грунт, морская вода), с помощью электрохимических средств.The utility model relates to the field of research of electrochemical processes occurring at the interface: steel electrode / moisture-saturated medium (soil, sea water), using electrochemical means.

Наиболее близким к данному техническому решению является «ячейка для измерения электрохимических свойств сыпучих и пластичных влагонасыщенных сред» (см. патент РФ №2326374, МПК G01N 27/28 от 10 июня 2008 г.), которая содержит корпус и основание, выполненные из диэлектрического материала, рабочий и вспомогательный электроды и электрод сравнения. Корпус ячейки выполнен в виде полого цилиндра, а основание выполнено съемным и соединяется с корпусом при помощи резьбовых крепежных элементов через уплотнительное резиновое кольцо. Ячейка снабжена крышкой из диэлектрического материала, которая крепится к корпусу при помощи резьбовых крепежных элементов. В крышку посредством резьбы установлен электрод сравнения. Рабочий и вспомогательный электроды размещены в основании, при этом вспомогательный электрод изготовлен из металла, электрохимически инертного к размещенной в ячейке среде, а рабочий электрод - из металла, электрохимические свойства которого определяются. Образец среды размещают в ячейку из керноприемника с помощью поршневого толкателя.Closest to this technical solution is a "cell for measuring the electrochemical properties of granular and plastic moisture-saturated media" (see RF patent No. 23232374, IPC G01N 27/28 of June 10, 2008), which contains a housing and a base made of dielectric material , working and auxiliary electrodes and a reference electrode. The cell body is made in the form of a hollow cylinder, and the base is removable and connected to the body using threaded fasteners through a rubber sealing ring. The cell is equipped with a cover of dielectric material, which is attached to the housing using threaded fasteners. A comparison electrode is installed in the lid by means of a thread. The working and auxiliary electrodes are located at the base, while the auxiliary electrode is made of metal that is electrochemically inert to the medium located in the cell, and the working electrode is made of metal, the electrochemical properties of which are determined. A sample of the medium is placed in the cell from the core receiver using a piston pusher.

Измерения проводятся на дневной поверхности. Технический результат состоит в обеспечении точности определения электрических характеристик поверхности раздела металл-раствор с сохранением естественной аэрации среды.Measurements are taken on the day surface. The technical result consists in ensuring the accuracy of determining the electrical characteristics of the metal-solution interface while preserving the natural aeration of the medium.

Недостатками известного устройства являются:The disadvantages of the known device are:

- измерения производятся в условиях отличных от тех, в которых находится подземное сооружение (аэрация, влажность, температура), вследствие этого электрохимические характеристики рабочего стального электрода будут отличаться от его характеристик в грунтовом электролите, в котором находится подземное сооружение;- measurements are made under conditions different from those in which the underground structure is located (aeration, humidity, temperature), as a result of this, the electrochemical characteristics of the working steel electrode will differ from its characteristics in the ground electrolyte in which the underground structure is located;

определение электрохимических характеристик исследуемого рабочего электрода осуществляется только после помещения грунта внутрь ячейки и последующей ее сборки;determination of the electrochemical characteristics of the investigated working electrode is carried out only after the soil is placed inside the cell and its subsequent assembly;

- трудоемкость и затраты времени на операции по сборке-разборке и подготовке ячейки к повторным измерениям.- the complexity and time required for assembly-disassembling operations and preparing the cell for repeated measurements.

Технической задачей, на решение которой направлена полезная модель, является создание универсальной ячейки для исследования электрохимических процессов, протекающих на границе раздела сред: стальной электрод / влагонасыщенная среда (грунт, морская вода). Дополнительным техническим результатом, достигаемым ячейкой, является стабильность измерений вольтамперных характеристик рабочего электрода.The technical problem to which the utility model is directed is the creation of a universal cell for the study of electrochemical processes occurring at the interface: a steel electrode / moisture-saturated medium (soil, sea water). An additional technical result achieved by the cell is the stability of measurements of the current-voltage characteristics of the working electrode.

Полезная модель обеспечивает достижение технического результата, заключающегося в расширении функциональных возможностей ячейки, которая позволяет проводить исследования электрохимических процессов, как в полевых, так и в лабораторных условиях, не только в сыпучих и пластичных средах, а также и в растворах, и влажных грунтах, находящихся в непосредственной близости от рабочего электрода. Другой технический результат заключается в повышении точности определения вольтамперных характеристик исследуемых растворов и влажных грунтов.The utility model ensures the achievement of a technical result, which consists in expanding the functionality of the cell, which allows the study of electrochemical processes, both in the field and in the laboratory, not only in bulk and plastic media, but also in solutions and wet soils in close proximity to the working electrode. Another technical result is to increase the accuracy of determining the current-voltage characteristics of the investigated solutions and wet soils.

Поставленная задача решается следующим образом.The problem is solved as follows.

Электроды жестко закреплены в корпусе ячейки. Электроды располагают на торцевой поверхности корпуса. При проведении измерений в шпуре ячейки размещают непосредственно у трубопровода. При этом физико-химические свойства окружающего трубопровод грунта не нарушаются. В состав ячейки входят три электрода: рабочий электрод, вспомогательный (поляризующий) электрод из инертного металла и электрод сравнения. Рабочий электрод выполнен из трубной стали. Вспомогательный электрод выполнен из Pt, а электрод сравнения - хлорсеребряный. Раствор КСl загущают агар-агаром. Три электрода ячейки закреплены в одном диэлектрическом корпусе, изолированы друг от друга, имеют изолированные соединительные провода, выведенные наружу, причем хлорсеребряный электрод контактирует с окружающей средой через внутреннюю полость корпуса ячейки и капиллярное отверстие, заполненное смесью термоклея и кристаллов КСl. На торцевую поверхность ячейки выведены рабочий и вспомогательный электроды. При этом рабочий электрод располагают заподлицо с торцевой поверхностью корпуса, вспомогательный электрод может выступать из наружной поверхности нижней диэлектрической пробки 3 не более чем на 1 мм. Контакт между электродами осуществляется только через электролит. Капилляр может быть расположен в 3-5 мм от рабочего электрода. Нивелирование омической составляющей осуществляется потенциостатом.The electrodes are rigidly fixed in the cell body. The electrodes are placed on the end surface of the housing. During measurements in the hole, the cells are placed directly at the pipeline. In this case, the physicochemical properties of the soil surrounding the pipeline are not violated. The cell consists of three electrodes: a working electrode, an auxiliary (polarizing) inert metal electrode and a reference electrode. The working electrode is made of pipe steel. The auxiliary electrode is made of Pt, and the reference electrode is silver chloride. The KCl solution is thickened with agar-agar. Three electrodes of the cell are fixed in one dielectric casing, insulated from each other, have insulated connecting wires brought out, the silver chloride electrode in contact with the environment through the internal cavity of the cell casing and a capillary hole filled with a mixture of hot-melt adhesive and KCl crystals. The working and auxiliary electrodes are brought to the end surface of the cell. When this working electrode is placed flush with the end surface of the housing, the auxiliary electrode may protrude from the outer surface of the lower dielectric plug 3 by no more than 1 mm. Contact between the electrodes is only through the electrolyte. The capillary can be located 3-5 mm from the working electrode. The leveling of the ohmic component is carried out by a potentiostat.

На фиг.1 представлен общий вид ячейки.Figure 1 presents a General view of the cell.

На фиг.2 представлена часть ячейки, изображающая боковую пробку со стороны, обращенной внутрь диэлектрического корпуса.Figure 2 presents the part of the cell, depicting a side plug on the side facing the inside of the dielectric housing.

Ячейка, изображенная на фиг.1-2, состоит из диэлектрического корпуса 1, выполненного в виде диэлектрического пустотелого тройника, в отверстия которого установлены верхняя 2, нижняя 3 и боковая 4 диэлектрические пробки. Последние могут быть закреплены с помощью резьбового соединения. Диэлектрический корпус заполнен диэлектрической заливкой 5. В нижней пробке 3 закреплены вспомогательный электрод 6 и рабочий электрод 7, который располагают заподлицо с наружной поверхностью диэлектрической пробки 3. Рабочий элемент электрода 6 может выступать из наружной поверхности нижней диэлектрической пробки не более, чем на 1 мм. На наружную поверхность диэлектрической пробки 3 выходит капиллярное отверстие 8, расположенное на расстоянии от 3 до 5 мм от рабочего электрода 7. Расстояние между рабочим электродом 7 и вспомогательным электродом 6 составляет около 10 мм. От вспомогательного 6 и рабочего 7 электродов через внутреннюю полость корпуса 1, заполненную диэлектрической заливкой 5, через отверстия в верхней пробке 2 и через внутреннюю полость диэлектрической трубки 14 выведены наружу изолированные провода 11 и 12. На боковой диэлектрической пробке 4, со стороны, обращенной внутрь диэлектрического корпуса 1, располагается хлорсеребряный электрод 10, состоящий из серебряного стержня 16, на который электрохимическим способом нанесена нерастворимая соль AgCl 17 для создания электрода второго рода, обратимого по аниону. Осыпание нерастворимой соли 16 предотвращено закрепленной на серебряном стержне смеси термоклея и кристаллов КСl 15. Роль электролитического ключа между хлорсеребряным электродом 10 и рабочим электродом 7 выполняют: смесь термоклея и кристаллов КСl 15, загущенный агар-агаром раствор КСl 9, залитый во внутреннюю полость корпуса 1, капиллярное отверстие 8, заполненное смесью термоклея и кристаллов КСl 15 и влагонасыщенная среда. От хлорсеребряного электрода 10 через боковую пробку 4 на ее наружную поверхность выведен изолированный провод 13.The cell shown in Fig.1-2, consists of a dielectric housing 1, made in the form of a dielectric hollow tee, in the holes of which are installed upper 2, lower 3 and side 4 dielectric plugs. The latter can be fixed using a threaded connection. The dielectric body is filled with dielectric fill 5. In the lower tube 3, an auxiliary electrode 6 and a working electrode 7 are fixed, which are flush with the outer surface of the dielectric tube 3. The working element of the electrode 6 can protrude from the outer surface of the lower dielectric tube by no more than 1 mm. On the outer surface of the dielectric plug 3 there is a capillary hole 8 located at a distance of 3 to 5 mm from the working electrode 7. The distance between the working electrode 7 and the auxiliary electrode 6 is about 10 mm. From the auxiliary 6 and working 7 electrodes, through the internal cavity of the housing 1 filled with dielectric fill 5, through the holes in the upper tube 2 and through the internal cavity of the dielectric tube 14, insulated wires 11 and 12 are brought out. On the side dielectric tube 4, from the side facing inward dielectric housing 1, a silver chloride electrode 10 is located, consisting of a silver rod 16, on which an insoluble salt of AgCl 17 is applied by electrochemical method to create a second-kind electrode, reversible on the anion. The shedding of insoluble salt 16 is prevented by a mixture of hot-melt adhesive and KCl crystals 15 fixed on a silver rod. The role of the electrolytic key between the silver chloride electrode 10 and the working electrode 7 is performed: a mixture of hot-melt adhesive and KCl 15 crystals, a KCl 9 solution thickened with agar-agar, poured into the internal cavity of the housing 1 capillary hole 8 filled with a mixture of hot-melt adhesive and KCl 15 crystals and a saturated medium. From the silver chloride electrode 10 through the side plug 4, an insulated wire 13 is withdrawn to its outer surface.

Измерение вольтамперных характеристик рабочего электрода 7 осуществляют следующим образом. Ячейку помещают в грунт рядом с подземным сооружением так, чтобы нижняя пробка ячейки была максимально приближена к подземному сооружению. Рабочий электрод 7 проводом 12, выведенным через внутреннюю полость корпуса 1, заполненную диэлектрической заливкой 5, и через отверстие в верхней пробке 2, подключают к гнезду потенциостата для рабочего электрода. Вспомогательный электрод 6 проводом 11, выведенным через внутреннюю полость корпуса 1, заполненную диэлектрической заливкой 5 и через отверстие в верхней пробке 2, подключают к гнезду потенциостата для вспомогательного электрода. Хлорсеребряный электрод 10 проводом 13, выведенным через отверстие в боковой пробке 4, подключают к гнезду потенциостата для электрода сравнения. Вольтамперные характеристики рабочего электрода, выполненного из трубной стали измеряют с помощью потенциостата. Потенциал рабочего электрода 7 регулируется по отношению к электроду сравнения 10 с помощью вспомогательного электрода 6. Омическая составляющая, входящая в величину измеряемого потенциала рабочего электрода 7 нивелируется в современных потенциостатах IR-компенсацией омического скачка потенциала, поэтому расстояние капилляра 8 до рабочего электрода 7 непринципиально.The measurement of the current-voltage characteristics of the working electrode 7 is as follows. The cell is placed in the ground near the underground structure so that the lower cell plug is as close as possible to the underground structure. The working electrode 7 with a wire 12, brought out through the internal cavity of the housing 1, filled with dielectric fill 5, and through the hole in the upper plug 2, is connected to the potentiostat socket for the working electrode. The auxiliary electrode 6 by a wire 11, brought out through the internal cavity of the housing 1, filled with dielectric fill 5 and through the hole in the upper plug 2, is connected to the potentiostat socket for the auxiliary electrode. A silver chloride electrode 10 by a wire 13 brought out through an opening in the side plug 4 is connected to a potentiostat socket for a reference electrode. The current-voltage characteristics of the working electrode made of pipe steel are measured using a potentiostat. The potential of the working electrode 7 is regulated with respect to the reference electrode 10 using the auxiliary electrode 6. The ohmic component included in the measured potential of the working electrode 7 is leveled in modern potentiostats by IR compensation of the ohmic potential jump, therefore, the distance of the capillary 8 to the working electrode 7 is not fundamental.

Стабильность и точность измерения вольтамперных характеристик рабочего электрода достигается особенностями выполнения электродов ячейки и их взаимным расположением друг относительно друга. Хлорсеребряный электрод 10 может быть выполнен путем нанесения на поверхность серебряного стержня 16 электрохимическим способом нерастворимой соли AgCl 17. Осыпание нерастворимой соли 17 с поверхности серебряного стержня 16 предотвращается закреплением на серебряном стержне смеси термоклея и кристаллов КСl 15. Увеличение срока службы электрода сравнения достигается за счет загущения раствора КСl 9 агар-агаром и заполнения капиллярного отверстия 8 смесью термоклея и кристаллов КСl 15, а также за счет предотвращения осыпания нерастворимой соли AgCl 17 с серебряного стержня 16 покрытием его смесью термоклея и кристаллов KCl 15. Вспомогательный электрод 6 изготавливают из платины, которая является идеально поляризуемой, т.е. ее потенциал можно менять в широком диапазоне (обычно несколько вольт). Кроме того, платина не окисляется в водных средах при любых значениях рН и обеспечивает высокую электронную проводимость. Рабочий электрод 7 изготавливают из трубной стали той марки, из которой изготавливают трубопровод. Электроды 6, 7 и 4 жестко закреплены друг относительно друга в ячейке, что исключает ошибки, связанные с изменением расстояния электродов друг от друга. Размещение электролита 9, в котором находится электрод 10, внутри корпуса 1, приводит к отсутствию влияний свойств окружающей среды на химический состав электролита 9.The stability and accuracy of measuring the current-voltage characteristics of the working electrode is achieved by the features of the cell electrodes and their relative position relative to each other. Silver chloride electrode 10 can be performed by applying insoluble salt of AgCl 17 to the surface of the silver rod 16 by electrochemical method. Insoluble salt 17 from the surface of the silver rod 16 is prevented from fixing the mixture of hot-melt adhesive and KCl crystals 15 on the silver rod. The increase in the life of the reference electrode is achieved by thickening KCl solution 9 with agar-agar and filling the capillary hole 8 with a mixture of hot-melt adhesive and KCl 15 crystals, and also by preventing the insoluble salt of Ag from shedding Cl 17 from a silver rod 16 coated with a mixture of hot-melt adhesive and KCl crystals 15. The auxiliary electrode 6 is made of platinum, which is perfectly polarizable, i.e. its potential can be changed over a wide range (usually several volts). In addition, platinum does not oxidize in aqueous media at any pH and provides high electronic conductivity. The working electrode 7 is made of pipe steel of the brand from which the pipeline is made. The electrodes 6, 7 and 4 are rigidly fixed relative to each other in the cell, which eliminates errors associated with changing the distance of the electrodes from each other. The placement of the electrolyte 9, in which the electrode 10 is located, inside the housing 1, leads to the absence of environmental effects on the chemical composition of the electrolyte 9.

По величинам и характеру изменения поляризационных (вольтамперных) характеристик рабочего электрода делают заключения о механизме электрохимических процессов, протекающих на границе раздела сред: рабочий электрод / влагонасыщенный грунт.By the magnitude and nature of the change in the polarization (current-voltage) characteristics of the working electrode, conclusions are drawn about the mechanism of electrochemical processes occurring at the interface: the working electrode / moisture-saturated soil.

Точность результатов измерений вольтамперных характеристик рабочего электрода в составе ячейки обеспечивается за счет:The accuracy of the measurement results of the current-voltage characteristics of the working electrode in the cell is ensured by:

- соответствия электролитов применяемого электрода сравнения и окружающей среды по хлорид-ионам;- compliance of electrolytes of the used reference electrode and the environment for chloride ions;

- уменьшения осмотического переноса хлорид-ионов раствора в окружающую среду;- reduce the osmotic transfer of chloride ions of the solution into the environment;

- применения смеси термоклея и кристаллов КСl, предотвращающей осыпание соли AgCl с поверхности хлорсеребряного стержня;- the use of a mixture of hot-melt adhesive and KCl crystals, preventing the precipitation of the AgCl salt from the surface of the silver chloride rod;

- применения вспомогательного электрода, изготовленного из платины, которая является идеально поляризуемой и имеет высокую электронную проводимость;- the use of an auxiliary electrode made of platinum, which is perfectly polarizable and has high electronic conductivity;

- инертности вспомогательного электрода в применяемых средах;- inertia of the auxiliary electrode in the media used;

- изготовления рабочего электрода из трубной стали той марки, из которой изготовлен трубопровод;- manufacture of a working electrode from pipe steel of the grade of which the pipeline is made;

- расположения ячейки при измерениях в тех же условиях, в которых находится трубопровод;- location of the cell during measurements under the same conditions in which the pipeline is located;

- жесткого закрепления всех трех электродов друг относительно друга в ячейке, позволяющего исключить ошибки, связанные с изменением расстояния электродов друг от друга;- rigid fixing of all three electrodes relative to each other in the cell, which eliminates errors associated with changes in the distance of the electrodes from each other;

- отсутствия влияния свойств окружающей среды на химический состав электролита, в котором размещен электрод сравнения.- the absence of environmental effects on the chemical composition of the electrolyte in which the reference electrode is placed.

Настоящая ячейка имеет простое конструктивное исполнение, неприхотлива в обращении и имеет возможность многократного применения.This cell has a simple design, is unpretentious in use and has the possibility of multiple applications.

Claims

1. A cell for studying electrochemical processes occurring at a media interface, comprising a housing made in the form of a dielectric hollow tee, the holes of which are fitted with plugs, a capillary hole filled with dielectric filling is made on the end surface of the lower tube of the housing, and the working electrode made made of pipe steel and flush with the outer surface of the lower plug, and an auxiliary electrode made of platinum and protruding from the outer surface the surface of the lower tube is not more than one millimeter, the insulated wires from the working and auxiliary electrodes are led out through the upper tube and the internal cavity of the extension dielectric tube mounted on the outer surface of the upper tube, a silver chloride reference electrode is fixed in the side tube from the side facing the inside of the dielectric housing equipped with an insulated wire, and the internal volume of the housing is 1/3 filled with electrolyte and 2/3 dielectric fill, rigidly fixing the auxiliary flax and working electrodes, providing contact between the electrodes only through the electrolyte.

2. The cell according to claim 1, characterized in that the KCl solution thickened with agar-agar is used as an electrolyte.

3. The cell according to claim 1, characterized in that a mixture of hot-melt adhesive and KCl crystals is used as dielectric fill.

4. The cell according to claim 1, characterized in that the silver chloride electrode consists of a silver rod, on the surface of which an insoluble AgCl salt coated with a fixing element is applied.

5. The cell according to claim 1, characterized in that a mixture of hot-melt adhesive and KCl crystals is used as the fixing element.