УСТРОЙСТВО ЭЛЕКТРОХИМИЧЕСКОЙ ОЧИСТКИ ЧУВСТВИТЕЛЬНОГО ЭЛЕМЕНТА PH-ЭЛЕКТРОДА Российский патент 2003 года по МПК G01N27/38 

Изобретение относится к технике электрохимических анализов рН растворов, а именно к рН-электродам с электрохимической очисткой рабочей поверхности чувствительного элемента в условиях движущегося потока жидкости в различных областях химической технологии.

Данное изобретение может иметь отношение и к технике полирования металлических изделий.

В настоящий момент известно, что:
- /1, стр.79/, для производства фосфорных и сложных удобрений приобретают значения рН-метры с самоочищающимися металлооксидными электродами;
- /2, стр. 33/, имеет место влияние на работу рН-электрода отравляющих веществ, в частности, соли закиси железа;
- /2, стр.35/, имеет место влияние на работу рН-электрода толстого слоя гипса в смеси с гидратом закиси и окиси железа, при этом отмечается о весьма эффективном применении металлооксидных рН-электродов, рабочая поверхность которых очищалась механическим способом;
- /2, стр.174/, за рубежом ряд фирм выпускает датчики, снабженные приводом и механизмом, производящим очистку стеклянного электрода, а также датчики с устройством для очистки стеклянного электрода с помощью ультразвука.

Однако такая механическая обработка рабочей поверхности чувствительного элемента не позволяет получить достаточно высокую степень ее полировки, оказывающую по /3, стр.218-219/ влияние на время, в течение которого поверхность электрода сохраняет активность в отношении достижения высокой чувствительности воспроизведения и постоянства электродного потенциала, что в производственных условиях эксплуатации рН-электродов как стеклянных, так и металлооксидных имеет решающее значение: как в области контроля, так и в области создания систем автоматического регулирования малой инертности.

Согласно /4, стр.47/ в настоящее время хорошо установлено, что механическая обработка приводит к получению сильно деформированного слоя вблизи поверхности. Металл в этом слое отличается по своим свойствам от остального металла, так что полученные результаты на механически полированной поверхности не являются характерными для нижележащих слоев металла. Электронографические исследования механически полированных поверхностей показывают, что самый верхний поверхностный слой сильно деформирован и что гладкая поверхность получается в результате процесса течения, т.е. металл с выступов вдавливается во впадины.

Из известных рН-электродов наиболее близким по технической сущности является индикаторный электрод рН-метра ПМ-С3 /1, стр.82-83/, содержащий устройство для очистки рабочей поверхности сурьмяного электрода от грязи, пленок и кристаллов. Механическая очистка рабочей поверхности электрода от грязи и кристаллов производится с помощью вращающихся резиновых щеток, закрепленных на щеткодержателях. Щетки непрерывно скользят по боковой поверхности электрода. Вращение вала со щетками осуществляется от двигателя со скоростью 6,5 об/мин. Для защиты от механических повреждений электрод имеет скобу.

В этом случае, как отмечалось ранее, трудно получить такое полирование рабочей поверхности чувствительного элемента рН-электрода, при которой сохраняется активность в отношении достижения высокой чувствительности воспроизведения и постоянства электродного потенциала. И, к тому же, не происходит во времени обновление рабочей поверхности чувствительного элемента рН-электрода до его первоначально отполированного механическим путем состояния: сохранение неизменным оксидного слоя, образовавшегося в растворе в момент возникновения электродного потенциала.

Целью изобретения является повышение надежности и работоспособности рН-электродов в течение длительного времени в агрессивных жидкостях при наличии в них суспензий или осадков при условии сохранения высокой чувствительности воспроизведения и постоянства электродного потенциала.

Указанная цель достигается тем, что вместо резиновых щеток применено устройство электрохимической очистки, в котором данный электрохимический процесс осуществляется при вращении полого цилиндра с боковыми отверстиями относительно рабочей поверхности чувствительного элемента рН-электрода за счет динамического давления движущегося потока жидкости на лопасти, прикрепленной к цилиндру вертушки в виде крыльчатки.

Существенным признаком предлагаемого изобретения, совпадающим с существенным признаком прототипа ПМ-С3, является параллельное расположение внутри полого цилиндра устройства электрохимического полирования вдоль осевой линии по центру рабочей поверхности чувствительного элемента рН-электрода.

Устройство для электрохимической очистки чувствительного элемента рН-электрода, включающее верхний и нижний цилиндры из металла или изолятора, расположенные вдоль осевой линии по центру чувствительного элемента таким образом, что их внутренняя поверхность не касается чувствительного элемента, верхний и нижний подшипники из изоляционного материала, крыльчатку в виде вертушки из металла или изоляционного материала, неподвижно связанную с верхним и нижним цилиндром, при этом для протока жидкого электролита в верхнем и нижнем цилиндрах на противоположных сторонах выполнены входные и выходные отверстия.

На фиг. 1 изображен общий вид предлагаемого устройства для электрохимической очистки рабочей поверхности чувствительного элемента рН-электрода; на фиг. 2 - общий вид исполнения вертушки.

Устройство содержит объект очистки рН-электрода 1, верхний подшипник 2, верхний цилиндр 3, крыльчатку в виде вертушки 4, нижний цилиндр 5 и нижний подшипник 6.

Устройство для электрохимической очистки, размещенное на рН-электроде, погружают в раствор реакторов идеального вытеснения или идеального смешения, в которых за счет динамического давления скоростного напора жидкости происходит вращение крыльчатки в виде вертушки 4, неподвижно связанной с верхним цилиндром 3 и нижним цилиндром 5 в верхнем подшипнике 2 и нижнем подшипнике 6, вокруг своей оси. При этом, для выполнения условия вращения крыльчатки в виде вертушки 4, неподвижно связанную с верхнем цилиндром 3 и нижнем цилиндром 5, учитывается эпюра распределения динамического давления по сечению скоростного потока жидкости.

В этом случае, под воздействием силы динамического давления, поток жидкости входит в расположенные перпендикулярно направлению его движения, входные отверстия верхнего цилиндра 3 и нижнего цилиндра 5 и далее выходит через отверстия на противоположной стороне данных цилиндров. Причем движение потоков жидкости в полости верхнего цилиндра 3 и нижнего цилиндра 5 разделяются на две части и совершают движение в противоположных направлениях, выходя из выходныx отверстий, сдвинутых относительно входных отверстий, а, учитывая нестабильность во времени силы динамического давления потока жидкости на лопасти крыльчатки в виде вертушки 4, также происходит, к тому же, и одновременно дополнительно, за счет зазора по вертикали между подшипниками и цилиндрами, колебательное движение цилиндров вдоль своей оси относительно рабочей поверхности чувствительного элемента рН-электрода 1.

В итоге проявил себя и эффект сохранения во времени крутизны рН-электрода в такой степени, как если бы на рабочей поверхности чувствительного элемента рН-электрода 1 образовался слой окиси после ее механического полирования, что в обычных условиях достижимо лишь в ограниченный момент времени при опущенном в жидкость рН-электроде.

На практике это выполняется следующим образом:
- металлооксидный рН-электрод, не содержащий устройство для электрохимической очистки, после механической полировки рабочей поверхности чувствительного элемента рН-электрода 1 длительное время выдерживается в рабочем растворе с целью образования слоя окиси, пригодного для устойчивого процесса измерения рН раствора. Причем, гарантии сохранения крутизны неизменной на все время эксплуатации рН-электрода, в настоящий момент, ввиду трудности решения данной проблемы, за исключением механической очистки рабочей поверхности чувствительного элемента рН-электрода, в технике рН-метрических измерений не наблюдается. Весьма характерным в данном случае является переходный процесс становления электродного потенциала, который определяется тем, что после погружения рН-электрода в раствор, на его чувствительном элементе вначале возникает скачок электродного потенциала с последующим его, по истечении времени, уменьшением до постоянного значения;
- металлооксидный рН-электрод 1, содержащий устройство для электрохимической очистки, после механической полировки рабочей поверхности чувствительного элемента рН-электрода 1, с момента его погружения в раствор, сохраняет возникший скачок электродного потенциала на время измерения рН. Этот эффект в дальнейшем проявляется в повышении чувствительности (отношения мВ/рН) в такой степени, что для приведения крутизны рН-электрода 1 к стандарту (отношения 58 мВ/рН-стеклянного рН-электрода) требуется введение резисторного шунта до 7 кОм относительно заземления, а для уменьшения быстродействия переходного процесса воспроизводимости электродного потенциала во времени необходимо подключение между измерительным и сравнительным рН-электродами емкостного шунта до 20 мкФ.

Данный эффект имеет место и при погружении в раствор предварительно неполированной рабочей поверхности чувствительного элемента рН-электрода 1. В этом случае, в зависимости от времени действия электрохимического полирования, электродный потенциал постепенно достигает своего максимального значения, как если бы рабочая поверхность чувствительного элемента предварительно подверглась механической полировке.

Таким образом, эффект получения и сохранения во времени максимального значения электродного потенциала рабочей поверхности чувствительного элемента рН-электрода 1, полученный от воздействия электрохимического полирования на слой окиси, проявляет себя либо в момент после ее образования, либо также в момент после механической полировки.

В этой связи актуальной на практике является возможность расширения области применения предлагаемого изобретения не только в обычных условиях применения рН-метрии, но и в тех контролируемых растворах, где происходит быстрая окислительно-восстановительная реакция ионов в технологических процессах.

Причем, существенным в данном случае служит то, что это позволяет реализовать автоматизацию скоростных технологических процессов в химической технологии.

Предлагаемое изобретение может улучшить свое техническое использование при применении к нему дополнительных устройств, стабилизирующих внутри корпуса электрохимическое полирование за счет регулирования скорости протекания жидкости, выполняющей роль электролита:
- при значительном увеличении скорости движения потока жидкости за счет торможения крыльчатки в виде вертушки 4;
- и, наоборот за счет увеличения крыльчатки в виде вертушки 4.

Устройство для электрохимической очистки рабочей поверхности чувствительного элемента рН-электрода 1 было испытано в условиях производства ОАО "Иодобром", г. Пермь, на сбросах отработанной рапы по измерению процесса нейтрализации.

В результате была решена задача, трудности решения которой изложены в литературном источнике (2, стр.36), надежного измерения рН раствора в отделении нейтрализации сточных вод в условиях образования закиси железа (Краткий отчет проверки работоспособности металлооксидных рН-электродов на сбросах отработанной рапы. От 10 августа 2001 г.).

Источники информации
1. В.П. Тхоржевский. Автоматический контроль в производствах серной кислоты, фосфатных и сложных удобрений, М., "Химия", 1980 г.

2. В. М. Кантере, А. В. Казаков, М.В. Кулаков. Потенциометрические и титрометрические приборы, изд. "Машиностроение", М., 1970 г.

3. Бейтс, Определение рН, теория и практика, изд. 2-е, исправленное, "Химия", Ленинградское отделение, 1972 г.

4. В. Тегарт. Электролитическое и химическое полирование металлов, изд. иностранной литературы, М., 1957 г.

5. Краткий отчет проверки работоспособности металлооксидных рН-электродов на сбросах отработанной рапы, 10 августа 2001 г.

6. М. А. Львов. Приборы теплотехнического контроля, М., 1959 г., стр. 308-311 (принято слово "ВЕРТУШКА").

7. Инструкция по научно-технической экспертизе изобретений, ЭЗ-2-74, М., 1984 г., стр.39, пункт 7.12 (принято слово "ПРИКЛЕПЛЕН"), пункт 7.13.

8. С.И. Ожегов и Н.Ю. Шведова. Толковый словарь русского языка, изд. 2, М. , 1996 г., стр.72 (название разного рода ВРАЩАЮЩИХСЯ аппаратов, приспособлений).

9. Н.М. Зенкин. Инженеру об изобретении, изд. 2-е, М., 1976 г., стр.111, пример 5.5 (обоснование применения "ДЛЯ").

Изобретение относится к технике измерения рН растворов и может быть использовано в различных областях химической технологии, а также в области полирования металлических изделий. Технический результат изобретения - увеличение быстродействия возникновения скачка электродного потенциала, повышение чувствительности и работоспособности рН-электрода в средах, содержащих суспензии или осадки, а также различного вида окислы, например окись железа, для чего необходимо сохранить первоначальное окисление рабочей поверхности чувствительного элемента рН-электрода, как если бы оно образовалось после механической полировки. Сущность: устройство содержит два подшипника, два цилиндра и расположенный на внешней стороне этих цилиндров механизм из вращения вокруг своей оси под действием потока жидкости, исполненный крыльчаткой в виде вертушки. При этом для проникновения раствора-электролита в область полирования в цилиндрах предусмотрены отверстия входа и выхода жидкости. 1 з.п.ф-лы, 2 ил.

1. Устройство для электрохимической очистки чувствительного элемента рН-электрода, включающее верхний и нижний цилиндры из металла или изоляционного материала, расположенные вдоль осевой линии по центру чувствительного элемента таким образом, что их внутренняя поверхность не касается чувствительного элемента, верхний и нижний подшипники из изоляционного материала, крыльчатку в виде вертушки из металла или изоляционного материала, неподвижно связанную с верхним и нижним цилиндром, при этом для протока жидкого электролита в верхнем и нижнем цилиндрах на противоположных сторонах выполнены входные и выходные отверстия. 2. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что верхний и нижний цилиндры установлены в верхнем и нижнем подшипниках с возможностью колебательного движения вдоль своей оси.