電解極化滲流傳感器極化特性研究*
2016-06-13 08:45:12秦孫巍李云安
傳感器與微系統(tǒng) 2016年3期
秦孫巍， 李云安
(1.中國地質(zhì)大學(xué) 工程學(xué)院，湖北 武漢 430074；2.武漢工程大學(xué) 化學(xué)與環(huán)境工程學(xué)院，湖北 武漢 430074)
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電解極化滲流傳感器極化特性研究*
秦孫巍1,2， 李云安1
(1.中國地質(zhì)大學(xué) 工程學(xué)院，湖北 武漢 430074；2.武漢工程大學(xué) 化學(xué)與環(huán)境工程學(xué)院，湖北 武漢 430074)
摘要:針對巖土體滲流原位監(jiān)測的需求，介紹了一種利用電解極化進(jìn)行示蹤測量的傳感器基本原理和制作方法。提出了傳感器極化性能測試方法，通過實驗研究了傳感器的極化特性及其對示蹤源的影響，優(yōu)化了電解電壓和電解時間。結(jié)果表明：在極化達(dá)到穩(wěn)態(tài)前，示蹤源的強度隨電解電壓和電解時間的增加而增加，示蹤源的位置隨電解時間的增加而變化；在極化達(dá)到穩(wěn)態(tài)后，示蹤源的強度達(dá)到最大，且強度和位置均不隨電解電壓和電解時間的變化而變化，最佳的電解電壓為9 V，電解時間為4 s。
關(guān)鍵詞：滲流; 電解極化傳感器; 電解電壓; 電解時間
0引言
示蹤法是水文地質(zhì)研究領(lǐng)域中測量滲流場水力學(xué)參數(shù)的重要方法。傳統(tǒng)的顏色示蹤法[1]、鹽液示蹤法[2～4]、浮游物示蹤法[5,6]等方法受投藥裝置的限制，無法在短距離內(nèi)實現(xiàn)滲流場水力學(xué)參數(shù)的連續(xù)測定。電解極化滲流傳感器利用電解極化形成的濃度梯度作為示蹤劑實現(xiàn)鹽液示蹤，用微型電極替代投藥裝置，實現(xiàn)了滲流場水力學(xué)參數(shù)的短距離連續(xù)測量。鹽液示蹤法中示蹤源與體系平衡時的濃度差決定了下游電導(dǎo)率信號變化的強弱，受下游電導(dǎo)率測量精度的限制，過小的濃度差會造成電導(dǎo)率變化無法被檢出的情況，從而造成傳感器無法工作。電解極化滲流傳感器的示蹤源是通過電解極化產(chǎn)生的，使得傳統(tǒng)的鹽液示蹤的相關(guān)原理和方法不再適用，研究電解極化滲流傳感器的極化性能特征，不僅可以確定傳感器的最佳使用條件，而且還能為相關(guān)傳感器的設(shè)計提供指導(dǎo)依據(jù)。
1電解極化滲流傳感器工作原理
電解極化滲流傳感器是一種利用電解極化效應(yīng)形成示蹤源，實現(xiàn)鹽液示蹤的裝置。電解極化滲流傳感器由電解電極和電導(dǎo)電極組成，電解電極用于產(chǎn)生電解極化形成示蹤源，其原理如圖1所示，在電解電極上施加電壓時，金屬電極中的多余電荷會緊密排布在金屬表面，形成電荷層，“電極/溶液”界面的溶液端陰離子受金屬表面電荷層的靜電引力作用，會向電極運動，當(dāng)電解反應(yīng)速率不是太大時，在界面上x (1) 圖1 電解極化滲流傳感器工作原理Fig 1 Operating principle of electrolytic polarizationseepage sensor 由于擴散速度小于電遷移速度，離子濃度在此區(qū)間內(nèi)隨距離增大而減小，在x=d+f處離子濃度達(dá)到最低，小于系統(tǒng)平衡濃度，形成一低濃度的區(qū)域。在d+f 當(dāng)停止施加在電解電極上的電壓時，高濃度的區(qū)域和低濃度的區(qū)域隨水流進(jìn)行遷移，該過程可用溶質(zhì)在一定流速下的擴散過程進(jìn)行描述，離子濃度為時間和距離的函數(shù)[8] (2) 式中m為電解質(zhì)質(zhì)量，g；α為孔隙率；w為截面積，m2；C為離子濃度，g·L-1；v為流速，m·s-1；t為時間，s；DL為擴散系數(shù)，m·s-1；x為測量位置，m。 (3) 式中ε為允許誤差；DL為擴散系數(shù)；x測量位置與示蹤源距離。 2傳感器的制作與測試方法 傳感器采用電路板蝕刻單工藝制作，取20.00mm×5.00mm單面覆銅電路板，用油性筆在電路板兩端繪制寬1mm間距1mm的電極，放入體積比為1∶1的10 %H2O2和30 %HCL蝕刻液中，待多余覆銅溶解完后，先用丙酮溶液洗凈油墨，再用清水涮洗2～3。 將上述傳感器固定在內(nèi)徑6mm，外徑8mm的有機玻璃管內(nèi)(如圖2)，機玻玻璃管一端接恒流泵，另一端接單向閥，電解電極接帶定時開關(guān)裝置的可調(diào)恒壓電源，電導(dǎo)電極接電導(dǎo)率儀，以自來水為測試對象進(jìn)行測試。 圖2 實驗裝置圖Fig 2 Experimental equipment diagram 3電解極化滲流傳感器極化性能測試 3.1電解電壓對傳感器示蹤源強度的影響 在恒定流速v=0.055 0 cm·s-1，電解電極通電時間4 s，測量時間300 s，電解電壓為5,6,7,8,9,10,11,12 V的條件下，分別測量不同電壓下電導(dǎo)電極高阻峰、低阻峰峰值電導(dǎo)率，以高阻峰、低阻峰電導(dǎo)率差值作為信號強度指標(biāo)對電壓作圖，結(jié)果如圖3。 圖3 不同電解電壓的信號強度Fig 3 Signal intensity of different electrolytic voltage 由圖3可見，當(dāng)電解電壓小于9 V時，高阻峰與低阻峰的電導(dǎo)率差值隨電壓的升高而增大，當(dāng)電解電壓大于9 V時，電導(dǎo)率差值受電解電壓的影響不大。由式(1)可知電解極化法的示蹤源強度取決于電勢分布，在不考慮離子在電極上放電時，電解電壓越大則示蹤源強度越大，考慮離子在電極上放電時，“電極/溶液”界面上的離子會因放電反應(yīng)而減小，分散層離子受電遷移的作用會向“電極/溶液”界面運動，擴散層受擴散作用的影響會向分散層運動，由于分散層離子電遷移運動速度大于擴散層離子的擴散速度，當(dāng)電壓升高到一定程度，使得分散層離子電遷移運動速度遠(yuǎn)大于擴散層離子的擴散速度，此時分散層與擴散層分界處的離子濃度C∞=0，離子層中的離子分布只取決于擴散層離子的擴散速度，極化處于極限狀態(tài)，離子層內(nèi)濃度差不會再隨電解電壓的變化而變化。 3.2電解時間對傳感器示蹤源強度的影響 在恒定流速，電解電壓9 V，測量時間300 s，電解時間分別為0.5,1,2,3,4,5,6,7,8 s的條件下，測量不同電壓下電導(dǎo)電極高阻峰、低阻峰峰值電導(dǎo)率，以高阻峰、低阻峰電導(dǎo)率差值作為信號強度指標(biāo)對電解時間作圖，結(jié)果如圖4。 圖4 不同電解時間的信號強度Fig 4 Signal intensity of different electrolysis time 由圖4可見，當(dāng)電解時間小于4 s時，高阻峰與低阻峰的電導(dǎo)率差值隨電解時間的增加而增大;當(dāng)電解時間大于4 s后，電導(dǎo)率差值受電解電壓的影響不大。其原因是溶液中的離子無論電遷移還是擴散遷移都具有一定速度，離子從初態(tài)位置遷移到終態(tài)位置需要一定時間，極化過程不是一個瞬態(tài)過程，即電極表面離子層的形成需要一個過程。在施加電場的瞬間，離子分布的平衡狀態(tài)被打破，電極附近的離子向電極遷移，在電極表面形成緊密排布，分散層離子受電遷移和擴散的作用逐漸形成濃度梯度，由于施加電場的瞬間，電極表面的離子濃度較低、電極附近離子濃度梯度較小，這一階段主要受電遷移的控制，其表現(xiàn)為在2 s前電導(dǎo)率差值隨時間的增加而迅速增大；當(dāng)電極表面離子濃度達(dá)到一定濃度，電化學(xué)反應(yīng)開始，此時緊密層離子濃度迅速降低，分散層中離子不斷向電極表面遷移，使得分散層中離子梯度逐漸增加，擴散速度逐漸增加，擴散層濃度梯度增加的速度減緩，其表現(xiàn)為在2～4 s時電導(dǎo)率差值隨時間的增加曲線的斜率變小；當(dāng)分散層中原有離子均遷移到電極表面發(fā)生電化學(xué)反應(yīng)后，因為電遷移速度遠(yuǎn)大于擴散速度，此時分散層和電極表面中離子濃度完全受擴散作用的制約，分散層中離子達(dá)到平衡狀態(tài)，離子濃度梯度不再隨時間發(fā)生變化，其表現(xiàn)為4 s后電導(dǎo)率差值隨時間的增加基本無變化。 3.3電解電壓和電解時間對傳感器出峰時間的影響 在恒定流速v=0.074 8 cm·s-1，電解電壓9 V，測量時間300 s，電解時間分別為0.5,1,2,3,4,5,6,7,8 s的條件下，分別測量不同電壓下電導(dǎo)電極高阻峰、低阻峰出峰時間，結(jié)果如圖5。 圖5 不同電解時間的出峰時間Fig 5 Peek time of different electrolysis time 由圖5可見，在相同的電解電壓下，低阻峰、高阻峰的出峰時間在電解時間小于4 s前，均隨電解時間的增加而增加，在4 s后基本趨于穩(wěn)定。 在恒定流速v=0.074 8 cm·s-1，電解電極通電時間4 s，測量時間300 s，電解電壓為5,6,7,8,9,10,11,12 V的條件下，分別測量不同電壓下電導(dǎo)電極高阻峰、低阻峰出峰時間，結(jié)果如圖6。 圖6 不同電解電壓的出峰時間Fig 6 Peek time of different electrolysis voltage 由圖6可見，在相同的電解時間下，低阻峰的出峰時間在電解電壓小于9 V前，隨電解電壓的升高而增加，電解電壓大于9 V后，基本不變；高阻峰的出峰時間在電解電壓小于7 V前，隨電解電壓的升高而增加，7 V時出峰時間達(dá)到最大，隨后出峰時間開始減小，當(dāng)電解電壓超過9 V后出峰時間趨于恒定。 出峰時間發(fā)生變化的原因在于離子層的形成過程不是一個瞬態(tài)過程，離子層的形成所需時間取決于電遷移速度和擴散速度，電解電壓越高，電場強度越大，電遷移速度越快，穩(wěn)態(tài)時分散層的厚度越大。離子層的形成需要經(jīng)歷三個階段：第一階段，通電瞬間緊密層和分散層的離子受電場作用進(jìn)行電遷移，由于初始溶液離子分布是均勻的，濃度梯度非常小，擴散作用可以被忽略，離子的分布遵循電場的分布，電場強度越大則離子濃度越高，隨時間的增加，離子向“電極/溶液”界面運動，分布越來越緊密，無論是高濃度區(qū)域還是低濃度區(qū)域都是整體向電極表面移動，因為高濃度區(qū)域、低濃度區(qū)域的位置是向著遠(yuǎn)離電導(dǎo)電極的方向移動，故距離增加，出峰時間增加，此階段離子向“電極/溶液”界面方向收縮形成緊密層和分散層；第二階段，在“電極/溶液”界面上形成緊密層后，分散層中離子受電遷移作用不斷向緊密層運動，在靠近緊密層的位置離子濃度不斷升高，高濃度區(qū)域中心位置繼續(xù)向“電極/溶液”界面運動，與電導(dǎo)電極的距離增加，低阻峰的出峰時間持續(xù)增加，同時分散層中離子濃度梯度增加，擴散作用增強，分散層的厚度增加，距離電極表面更遠(yuǎn)位置的離子在擴散作用下開始向分散層運動，擴散層逐漸形成，低濃度區(qū)域中心位置隨分散層厚度增加而縮短與電導(dǎo)電極的距離，高阻峰的出峰時間減少，此階段隨電解時間增加分散層逐漸變厚；第三階段，分散層的離子分布趨于穩(wěn)定，分散層厚度不再增加，受擴散運行的影響，擴散層的厚度逐漸增加，由式(1)可知，體系離子濃度最低區(qū)域位于分散層遠(yuǎn)離電解電解的邊緣，濃度最高區(qū)域位于靠近電解電解的邊緣，因此,高阻峰、低阻峰出峰時間都趨于穩(wěn)定。 通過圖3～圖5可知:在9 V電解電壓，電解時間為4 s時，極化達(dá)到最大，離子層達(dá)到穩(wěn)態(tài)即上述第三階段。由電化學(xué)理論可知，電解電壓越高，極化電流越大，極化達(dá)到穩(wěn)態(tài)的時間越短可推知，圖6中電壓小于9 V時，離子層均未達(dá)到穩(wěn)態(tài)，電解電壓小于7 V時，離子層處于第一階段，高阻峰、低阻峰的出峰時間隨電解電壓的增加而增加，電解電壓在7～9 V時，離子層處于第二階段，低阻峰的出峰時間隨電解電壓的增加而增加，高阻峰的出峰時間隨電解電壓的增加而減小，電解電壓高于9 V時，離子層處于第三階段，高阻峰、低阻峰的出峰時間隨電解電壓的增加無明顯變化。 4結(jié)論 電解極化滲流傳感器應(yīng)用中，電解電壓和電解時間制約傳感器的極化特性，對傳感器示蹤信號的影響非常大，甚至?xí)?dǎo)致傳感器無法正常工作。本文通過測試了不同電解電壓和電解時間下的傳感器極化性能和對示蹤信號的影響，發(fā)現(xiàn)傳感器通過極化效應(yīng)形成離子層示蹤源不是一個瞬態(tài)過程，提高電解電壓有利于縮短離子層達(dá)到穩(wěn)態(tài)的時間，在離子層達(dá)到穩(wěn)態(tài)前，延長電解時間可以顯著提高示蹤信號的強度，但會改變離子層示蹤源的位置，影響出峰時間。為了保證傳感器測量的準(zhǔn)確性和重復(fù)性，電解電壓和電解時間的取值應(yīng)保證極化形成的示蹤源強度最大且位置穩(wěn)定，實驗結(jié)果表明：傳感器的最佳電解電壓為9 V，電解時間為4 s時，此條件下極化達(dá)到最大，示蹤源強度最大且位置固定。 參考文獻(xiàn): [1]魏虎偉,程金花,杜士才,等.利用染色示蹤法研究四面山兩種林地優(yōu)先路徑分布特征[J].水土保持通報,2015(2):193-197,204. 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Study on polarization characteristics of electrolytic polarization seepage sensor* QIN Sun-wei1,2, LI Yun-an1 (1.Faculty of Engineering,China University of Geosciences,Wuhan 430074,China;2.School of Chemistry and Environmental Engineering,Wuhan Institute of Technology,Wuhan 430074,China) Abstract:Considering requirement of in-situ monitoring for seepage flow，principle and fabrication method of sensor using electrolytic polarization for tracing measurement is introduced.A test method for polarization performance of sensor is proposed，polarization characteristics of sensor and its influence on tracing source is studied with experiments,the electrolysis voltage and electrolysis time are optimized.Results show that before the polarization reaches a steady state,intensity of tracing source increases with increasing of electrolytic voltage and electrolysis time,location of tracing source changes with increasing of electrolysis time;after polarization reaches a steady state,intensity of tracing source reaches the maximum and intensity and location are not changed with change of electrolytic voltage and electrolysis time,the optimum electrolysis voltage is 9 V,electrolysis time is 4 s. Key words:seepage; electrolytic polarization sensor; electrolytic voltage; electrolysis time DOI:10.13873/J.1000—9787(2016)03—0018—04 收稿日期：2016—01—25 *基金項目：湖北省教育廳科學(xué)技術(shù)研究項目(B2015326) 中圖分類號：TH 764 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1000—9787(2016)03—0018—04 作者簡介: 秦孫巍(1978-)，男，湖北武漢人，博士研究生，講師,從事滲流監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計和研究。
