用於金屬壁的陰極保護以防在鹽性環境中腐蝕的裝置製造方法
2024-03-09 03:41:15 2
用於金屬壁的陰極保護以防在鹽性環境中腐蝕的裝置製造方法
【專利摘要】一種用於金屬壁(1)的陰極保護以防在鹽性環境中腐蝕的裝置，包括陽極和用於將所述陽極連接於所述壁(1)的器件(4，5)，所述陽極具有比所述壁(1)更高的電化學勢，其特徵在於，所述陽極置於隔室(6)中，隔室(6)由壁界定，該壁能夠被電子滲透，並且可選地能夠被水滲透，包括：由選自以下的材料製成的多孔外層(7)：聚合物材料、陶瓷材料，或者水合無機材料；以及至少一個多孔層(9，10)，其具有在陽極分解期間收集由陽極發出的陽離子的能力，形成所述至少一個層的材料選自以下：滲透隔膜、活性炭、陽離子交換樹脂(諸如沸石)、具有納米填料的陽離子收集聚合物、陽離子收集礦物化合物(諸如頁矽酸鹽和鏈矽酸鹽)、保留陽離子的納米過濾半滲透性有機微孔性隔膜。
【專利說明】用於金屬壁的陰極保護以防在鹽性環境中腐蝕的裝置
【技術領域】
[0001]本發明涉及浸沒在鹽水或鹽性環境中的設施的陰極保護。
【背景技術】
[0002]保護船的金屬外殼或金屬部件以免被海水腐蝕通常常規地通過犧牲陽極提供，該犧牲陽極包括比被保護的帶更多負電的金屬。當船及其犧牲陽極浸入在海水中時，極化發生，外殼變成電化學電池的陰極，而犧牲陽極變成該同一電池的陽極。因此，犧牲陽極的金屬組分經受通過海水的腐蝕作用，而不是這些外殼。根據反應M — Mn+ + ne_，這些組分M以陽離子的形式釋放在海水中。
[0003]保護船或任何其它海船或固定設施的浸沒的鋼部件的犧牲陽極大體具有鋁-鋅(2%-6%)-銦(0.01%-0.05%)，或鋁-鎵(0.01%)或鋅-鋁合金(0.1%_0.5%)。該保護的缺陷在於其將構成犧牲陽極的金屬的離子釋放到海洋環境中。雖然該缺陷在海處的船的情況下為相對最小的，但當船停泊在港口中時，其必須被更加重視，因為陽極的金屬將在水中和停泊區的海床中積聚，其中，它們將被生活在那裡的生物吸收。對於諸如石油鑽塔和離岸風力渦輪的固定設施，問題也出現。因此迫切的是找到有效且經濟的解決方案，用於儘可能避免有害金屬到環境中的該釋放，尤其是在環境保護法規的發展可利用解決方案來在某些情況下強制性地控制來自犧牲陽極的廢物時。
[0004]如剛才描述地使用犧牲陽極的備選解決方案是用不必比待保護的材料帶更多正電的材料(其可為鋼、鑄鐵、石墨、金屬氧化物等)來製造該陽極，但藉助於直流或經整流的電流的發電機不斷地或循環地將電勢施加於其。該電勢使陽極比待保護的壁更可腐蝕。該技術應用起來費力，尤其是在難以接近的設施的區域中，但其主要對於大型設施而言是有效的。該技術被稱為「外加電流陰極保護」(簡寫為ICCP)。
【發明內容】
[0005]本發明的目的是提出解決方案，用於避免由於用於陰極保護的裝置的陽極的分解而產生的陽離子釋放到環境中。
[0006]出於該目的，本發明涉及一種用於金屬壁的陰極保護以防在鹽性環境中腐蝕的裝置，其包括陽極和用於將所述陽極連接於所述壁的器件，所述陽極處於比所述壁更高的電化學勢處，其特徵在於，所述陽極置於隔室中，該隔室由壁界定，該壁能夠被電子滲透，並且可選地能夠被水滲透，包括:
選自以下的材料的多孔外層:聚合物材料、陶瓷材料，或者水合無機材料；
以及至少一個多孔層，其能夠在陽極分解期間捕捉由陽極發出的陽離子，構成所述至少一個層的材料選自以下:滲透隔膜、活性木炭、陽離子交換樹脂(諸如沸石)、具有納米填料的陽離子捕捉聚合物、陽離子捕捉礦物化合物(諸如頁矽酸鹽和鏈矽酸鹽)、保留陽離子的類型的半滲透性有機微孔性納米過濾隔膜。
[0007]所述壁還可包括捕集帶負電荷的汙染物的隔膜。
[0008]陽極可為犧牲陽極，該犧牲陽極的電化學勢自然高於金屬壁的電化學勢。
[0009]另外，裝置可包括器件，可通過該器件對陽極施加高於金屬壁的電化學勢的電化學勢。
[0010]用於將陽極連接於金屬壁的器件可與隔室外部的壁接觸，並且可密封地穿過隔室的多孔壁。
[0011]用於將陽極連接於金屬壁的器件可與隔室內部的金屬壁接觸，並且隔室的多孔壁密封地連接於金屬壁。
[0012]裝置可包括用於使陽極與金屬壁保持一距離的器件。
[0013]其可包括能夠在陽極分解期間捕捉由陽極發出的陽離子的多個層，每個層優先捕捉不同於由其它層優先捕捉的那些的陽離子。
[0014]如將理解的，本發明包括將陽極置於隔室中，該隔室由一系列多孔隔膜界定，該多孔隔膜至少能夠被電子滲透，或者甚至還能夠被水滲透，布置在層中。外層包括非金屬多孔隔膜，該非金屬多孔隔膜意於減少陽極附近的水流。其它多孔層或多個層起到陽離子屏障或捕集器的作用，這防止由於陽極分解而產生的陽離子從隔室洩漏到環境中。
[0015]如果隔膜全部都能夠被水滲透，則分開陽極與隔室的壁的空間自然填充有水。如果隔膜中的至少一個不能夠被水滲透而是僅能夠被電子滲透，則必要的是，在裝置的安裝期間，以水(優選為海水)填充隔室，以獲得良好的導電性，以便使陽極在電子傳導介質中淋浴，以及以隔室的運行形式對隔室賦予平衡的內部壓力和外部壓力。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0016]參照以下附圖，在閱讀下面給出的描述時，將更好地理解本發明:
圖1以縱向截面示意性地顯示執行本發明的第一示例；
圖2以縱向截面示意性地顯示執行本發明的第二示例。
【具體實施方式】
[0017]圖1顯示金屬壁I屬於安裝在海洋環境2中的裝備，諸如石油鑽塔或風力渦輪。但是，該壁I也可為船的外殼，或者一些其它海船的外殼。以已知方式，犧牲陽極3布置在壁I附近，電力連接器4、5連接於壁I。大體上，如現有技術中，犧牲陽極3圍繞單個鋼連接器構建，並且在該情況下，顯示的連接器4、5實際上為該單個連接器的兩端。構成犧牲陽極3的材料出於該目的為常規的(例如Al-1ruAl-Ga或Zn合金)，並且其選定不為本發明的特性特徵。
[0018]根據本發明，犧牲陽極3包封在隔室6中，隔室6由形成層的一組隔膜界定，並且以例如大約Icm的距離包圍陽極3。
[0019]最外層7是多孔層，該多孔層可被電子滲透，並且優選還可被水滲透，意於減少外部環境和隔室的內部空間8之間的水流。構成多孔層的材料選自聚合物材料、陶瓷材料，或者水合無機材料。
[0020]作為此類材料的示例，我們可提到(非窮盡性地)聚乙烯或高密度聚乙烯類型的熱塑性聚合物，或者工業莫來石或氧化鋁類型的瓷料。
[0021] 如果該材料是絕電的，則其必須是多孔的。實際上，陽極的極化對應於小型電化學電路的建立，只有在電子循環時該小型電化學電路才可起作用。開氣孔允許電子傳送到液體中，即使層7是絕緣的。
[0022]該最外層7具有保護陽極和隔室6的其它隔膜不受水力磨蝕的功能，最外層7的厚度大體為大約I毫米。其必須具有適合的耐磨屬性和衝擊強度，以及對在存在移動流體的情況下的變形的抵抗。
[0023]層7的滲透性為例如大約10 ml/分鐘每I cm2陽極表面。
[0024]隔室6的壁的其它層或多個層(在顯示的示例中，存在它們中的兩個9、10)包括一種或更多種材料，它們用作陽離子捕集器，該陽離子捕集器捕集由犧牲陽極3發出的陽離子，以防止它們進入海洋環境2。各種類型的材料可適合於該目的:滲透隔膜、呈粉末或顆粒形式的活性炭、陽離子交換樹脂(諸如沸石)、具有吸引陽離子的負納米填料的陽離子捕捉聚合物、陽離子捕捉礦物化合物(諸如頁矽酸鹽和鏈矽酸鹽)。此類材料包括在常用於處理水和使水軟化用於陽離子捕捉或交換的那些之中。它們可利用活性氧化鋁或功能相同的化合物的隔膜補充，就此而言，該隔膜捕集帶負電荷的汙染物，諸如As和氟化物，該帶負電荷的汙染物可降低隔膜捕集陽離子的效力。
[0025]也可使用在離子交換的電解過程中採用的半滲透性隔膜。
[0026]保留陽離子的類型的半滲透性有機微孔性納米過濾隔膜也可為適合的。
[0027]陽離子捕捉材料的層數是任意的，由用戶選擇。這些層可有利地為多種類型，並且各種種類的層可例如優先吸收犧牲陽極3很可能釋放的化學種類中的一種或更多種。
[0028]例如，我們可設想:
外層9能夠被半徑小於1.5 A的化學元素滲透，並且不能夠被半徑大於1.5 A的化學元素(諸如Ca、K、Mg、Na)滲透；
並且內層10能夠被半徑小於1.1 A的化學元素(諸如0、C1、N)(因此其將能夠滲透到隔室6的內部空間8中，或者離開內部空間8，這不具有缺陷)滲透，並且不能夠被半徑大於1.1 A的化學元素(諸如Al、Zn、Ga、In)滲透，因而陽極3可發出的主要元素呈陽離子的形式，並且該主要元素釋放到環境中是不合乎需要的；層(特別是層10)的厚度可根據陽極3的大小，並且因此根據待捕集的陽離子的數量，從大約Imm改變至幾mm。
[0029]在界定隔室6的整個壁能夠被水滲透的情況下，水滲透到隔室6中，並且在隔室6的內部和外部之間達到壓力平衡。因此隔室6永久地呈現其名義形狀，並且其壁不經受擠壓，該擠壓可導致其斷裂。
[0030]如已經提到的，限定隔室6的整個壁不必能夠被水滲透。其可僅能夠被電子滲透，但接著當安裝根據本發明的裝置時，以水(優選海水)預填充隔室6是必要的。
[0031] 由於本發明，故犧牲陽極3的逐漸分解發生，而由於所述分解而產生的陽離子在它們被層或多個層9、10捕捉時不汙染環境。層或多個層9、10必須有利地具有吸收各種陽離子的總容量，以及足夠的吸收容積，以使飽和在犧牲陽極3壽命結束之前不發生。
[0032]在圖1中顯示的示例中，電導體4、5與位於隔室6外部的區中的金屬壁I接觸。因此必要的是，確保在導體4、5穿過其中的區中的隔室6的壁的密封性。但是，作為變型，如圖2中顯示的，導體5、6和金屬壁I之間的接觸可位於隔室6內。接著，隔室6的壁與待保護的金屬壁I密封接觸。
[0033]如圖中顯示的，犧牲陽極3不與待保護的壁I直接接觸是優選的。這避免在陽極3和至少與其相對的壁I的區之間產生短路。以該方式，壁I的表面的較大部分可被一個且相同的陽極3保護而處於最佳狀態。因此優選地提供用於使陽極3與壁I保持一距離的器件(未在圖中顯示)。但是，實際上，它們通常可包括連接器4、5，連接器4、5大體由鋼製成，並且由於它們的材料和它們的尺寸，具有足夠的剛性，以使陽極3與壁I保持一距離。
[0034]作為變型，本發明還適用於陽極不是犧牲陽極的情況，這在如下意義上:其自然地具有高於待保護的壁I的電化學勢的電化學勢，但通過直流或經整流的電流的發電機置於該電勢處，其通過密封地穿過隔室6的壁的導體連接於該發電機。
【權利要求】
1.一種用於金屬壁(I)的陰極保護以防在鹽性環境中腐蝕的裝置，包括陽極和用於將所述陽極連接於所述壁(I)的器件(4，5)，所述陽極處於比所述壁(I)更高的電化學勢處，其特徵在於，所述陽極置於隔室(6)中，所述隔室(6)由壁界定，所述壁能夠被電子滲透，並且可選地能夠被水滲透，包括: 選自以下的材料的多孔外層(7):聚合物材料、陶瓷材料，或者水合無機材料； 以及至少一個多孔層(9，10)，其能夠在所述陽極分解期間捕捉由所述陽極發出的陽離子，構成所述至少一個層的所述材料選自以下:滲透隔膜、活性木炭、諸如沸石的陽離子交換樹脂、具有納米填料的陽離子捕捉聚合物、諸如頁矽酸鹽和鏈矽酸鹽的陽離子捕捉礦物化合物、保留陽離子的類型的半滲透性有機微孔性納米過濾隔膜。
2.根據權利要求1所述的裝置，其特徵在於，所述壁(I)還包括捕集帶負電荷的汙染物的隔膜。
3.根據權利要求1或2所述的裝置，其特徵在於，所述陽極是犧牲陽極(3)，所述犧牲陽極⑶的電化學勢自然比所述金屬壁⑴的電化學勢更高。
4.根據權利要求1或2所述的裝置，其特徵在於，其包括用於對所述陽極施加大於所述金屬壁(I)的電化學勢的電化學勢的器件。
5.根據權利要求1至4中的一項所述的裝置，其特徵在於，用於將所述陽極連接於所述金屬壁⑴的所述器件(4，5)與所述隔室(6)外部的所述壁接觸，並且它們密封地穿過所述隔室(6)的多孔壁。
6.根據權利要求1至4中的一項所述的裝置，其特徵在於，用於將所述陽極連接於所述金屬壁⑴的所述器件(4，5)與所述隔室(6)內部的所述金屬壁⑴接觸，並且所述隔室(6)的多孔壁密封地連接於所述金屬壁(I)。
7.根據權利要求1至6中的一項所述的裝置，其特徵在於，其包括用於使所述陽極與所述金屬壁(I)保持一距離的器件。
8.根據權利要求1至7中的一項所述的裝置，其特徵在於，其包括能夠在所述陽極分解期間捕捉由所述陽極發出的所述陽離子的多個層(9，10)，各個層(9，10)優先捕捉不同於由其它層優先捕捉的那些的陽離子。
【文檔編號】C23F13/06GK104080953SQ201380007762
【公開日】2014年10月1日 申請日期:2013年1月31日 優先權日:2012年2月1日
【發明者】S.普裡根特 申請人:阿爾斯通再生能源技術公司