预测具有焊缝的输水管道中存在焊缝金属离子的模拟系统及其应用

本申请涉及管道电化学，且尤其涉及一种预测具有焊缝的输水管道中存在焊缝金属离子的模拟系统及其应用。

背景技术：

1、目前的输水管道需要用焊接材料进行焊接连接。焊接材料主要是铅锡焊料。铅锡焊料与铜质输水管道之间会发生电偶腐蚀，从而会释放铅、锡等金属于管道水中，造成水质的重金属污染。

2、现有研究对于输水管道中重金属离子释放的监测多采用在线监测仪器与定期实验室取样检测相结合的方法。然而该方法侧重于现状监测，尚无法主动地预测未来的释放行为。而且，焊缝在反应过程中的外观和组分变化十分微小，短期内释放的金属离子浓度也很低，直接考察焊缝本身的反应比较困难；另外，焊缝的整体导电性非常差，其粗糙和不规则的外形，严重影响了电化学信号的稳定性，导致无法将实际焊缝直接用作电极材料。

3、因此，需要一种改进的预测具有焊缝的输水管道中存在焊缝金属离子的模拟系统及其应用。

技术实现思路

1、以下是对本文详细描述的主题的概述。本概述并非是为了限制权利要求的保护范围。

2、在一方面，本申请提供了一种预测具有焊缝的输水管道中存在焊缝金属离子的模拟系统，包括电化学工作站以及与所述电化学工作站电连接且位于电解质溶液中的三电极体系，所述三电极体系包括工作电极、辅助电极以及参比电极，

3、其中所述工作电极为至少一侧表面具有焊缝金属组分模拟涂层的惰性铂片电极，所述参比电极为ag/agcl/kcl参比电极，以及所述辅助电极为铂电极；

4、其中所述焊缝金属组分模拟涂层包括焊缝金属组分、导电剂和粘合剂。

5、在一示例性的实施例中，所述焊缝金属组分选自铅、锡以及铅锡合金，所述导电剂为石墨粉，所述粘结剂为全氟磺酸基聚合物。

6、在一示例性的实施例中，所述惰性铂片电极的表面积为0.5-1 cm2，厚度为0.05-0.1 mm。

7、在一示例性的实施例中，所述焊缝金属组分模拟涂层的厚度为0.05 mm-0.1 mm。

8、在一示例性的实施例中，所述焊缝金属组分与所述导电剂的质量比为1:1-1:2。

9、在一示例性的实施例中，所述电解质溶液选自自来水、纯水、包含氢离子、氢氧根离子、钙离子、镁离子、氯离子、硫酸根离子、硝酸根离子、碳酸氢根离子、碳酸根氯离子中的至少一种的浓度为0.1-50 mmol/l的水溶液或纯水；和/或，

10、所述电解质溶液的ph值为6.5-8.5。

11、在一示例性的实施例中，所述工作电极通过下述步骤制备：

12、s1：将焊缝金属组分与导电剂在无水乙醇中混合，搅拌至混合均匀，然后加入粘结剂溶液，继续搅拌均匀，得到涂布用的悬浊液；

13、s2：将所述悬浊液涂布在惰性铂片电极上，使得所述悬浊液覆盖所述惰性铂片电极的一侧表面或两侧表面；

14、s3：将涂布好的电极置于阴凉处自然风干，即得到所述工作电极。

15、在另一方面，本申请提供了上述模拟系统在预测具有焊缝的输水管道中存在焊缝金属离子中的应用。

16、在一示例性的实施例中，所述应用包括：

17、在一时间段内通过三电极体系每日测量焊缝金属组分的腐蚀电流，根据公式i得到所述焊缝金属组分的腐蚀速率：

18、（i）

19、其中cr为腐蚀速率（mm/a），eq为材料化学当量 = 金属元素相对原子质量/阳极生成金属离子化合价（g/eq），icorr为腐蚀电流密度（a/cm2），a为电极面积（cm2），d为金属密度（g/cm3）；

20、在所述时间段结束时，改变所述输水管道中的管道水条件，测量所述腐蚀电流并计算所述腐蚀速率；

21、如果腐蚀速率大于设定的阈值，则预测到管道水中存在焊缝金属离子。

22、在本申请中，时间段的选择通常为5-7天，该时间段可以确保本申请的模拟系统用于实际测试场景中时满足系统测量稳定的要求。

23、在本申请中，由于焊缝金属老化后，由于表面氧化物的覆盖，可能会阻碍反应进行，因此腐蚀速率可能出现变化。阈值的设定可以根据实际情况并结合长期监测数值由本领域的常规方法来综合确定。

24、在本申请中，腐蚀电流的测量可以采用本领域的常用方法，如极化曲线法等。

25、在一示例性的实施例中，改变所述输水管道中的管道水条件包括增大管道水中的氯离子浓度、增大管道水的碱度以及增大管道水中的硫酸根离子的浓度。

26、本申请采用具有焊缝金属组分模拟涂层的惰性铂片电极作为工作电极的三电极体系来监测模拟焊缝的腐蚀电流。

27、本申请利用在水条件如氯离子浓度、硫酸根离子浓度等发生变化时，电偶腐蚀电流会加剧的现象，通过测量焊料金属组分的电化学腐蚀信号如腐蚀电流和腐蚀速率，并基于释放的焊缝金属离子浓度数值相对于焊缝金属的腐蚀电流和腐蚀速率数值变化的滞后性，从而可以提前预测可能的重金属释放风险。

28、本申请的所制备的工作电极具有良好的导电性能和反应性能，可准确模拟金属焊缝组分与结构特征，在电化学测试中能够得到灵敏的电信号。

29、本申请提供了一种将焊料金属作为电极的模拟体系来直接模拟实际金属管道连接处的电化学反应，更好地将电化学方法结合到金属焊料氧化释放特性的研究中。

30、本申请的反应体系与传统的研究金属管材腐蚀过程的三电极体系不同，可以独立对阳极焊料金属开展研究，不依赖于阴极反应，具有良好的测试稳定性。

31、本申请提供了一种研究金属管道连接处反应特性的电化学方法，通过对焊料金属电化学氧化过程的监测，实现对焊料重金属离子释放的预测。

32、本申请在制备工作电极的方法中通过添加导电剂与粘接剂对模拟焊料电极的导电性与稳定性进行改良，制得的模拟焊料电极具有良好的导电性能和反应性能，在电化学测试中能够得到灵敏的电信号，测试结果精确。

33、本申请的其它特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且，部分地从说明书中变得显而易见，或者通过实施本申请而了解。本申请的其他优点可通过在说明书中所描述的方案来发明实现和获得。

1.一种预测具有焊缝的输水管道中存在焊缝金属离子的模拟系统，其特征在于，包括电化学工作站以及与所述电化学工作站电连接且位于电解质溶液中的三电极体系，所述三电极体系包括工作电极、辅助电极以及参比电极，

2.根据权利要求1所述的模拟系统，其特征在于，所述焊缝金属组分选自铅、锡以及铅锡合金，所述导电剂为石墨粉，所述粘结剂为全氟磺酸基聚合物。

3.根据权利要求1或2所述的模拟系统，其特征在于，所述惰性铂片电极的表面积为0.5-1 cm2，厚度为0.05-0.1 mm。

4.根据权利要求1或2所述的模拟系统，其特征在于，所述焊缝金属组分模拟涂层的厚度为0.05 mm-0.1 mm。

5.根据权利要求1或2所述的模拟系统，其特征在于，所述焊缝金属组分与所述导电剂的质量比为1:1-1:2。

6.根据权利要求1或2所述的模拟系统，其特征在于，所述电解质溶液选自自来水、纯水、包含氢离子、氢氧根离子、钙离子、镁离子、氯离子、硫酸根离子、硝酸根离子、碳酸氢根离子、碳酸根氯离子中的至少一种的浓度为0.1-50 mmol/l的水溶液；和/或，

7.根据权利要求1或2所述的模拟系统，其特征在于，所述工作电极通过下述步骤制备：

8.权利要求1-7中任一项所述的模拟系统在预测具有焊缝的输水管道中存在焊缝金属离子中的应用。

9.根据权利要求8所述的应用，其特征在于，所述应用包括：

10.如权利要求8所述的应用，其特征在于，改变所述输水管道中的管道水条件包括增大管道水中的氯离子浓度、增大管道水的碱度以及增大管道水中的硫酸根离子的浓度。