电解极化渗流传感器极化特性研究*
2016-06-13秦孙巍李云安
秦孙巍， 李云安
(1.中国地质大学 工程学院，湖北 武汉 430074；2.武汉工程大学 化学与环境工程学院，湖北 武汉 430074)
电解极化渗流传感器极化特性研究*
秦孙巍1,2， 李云安1
(1.中国地质大学 工程学院，湖北 武汉 430074；2.武汉工程大学 化学与环境工程学院，湖北 武汉 430074)
摘要:针对岩土体渗流原位监测的需求，介绍了一种利用电解极化进行示踪测量的传感器基本原理和制作方法。提出了传感器极化性能测试方法，通过实验研究了传感器的极化特性及其对示踪源的影响，优化了电解电压和电解时间。结果表明：在极化达到稳态前，示踪源的强度随电解电压和电解时间的增加而增加，示踪源的位置随电解时间的增加而变化；在极化达到稳态后，示踪源的强度达到最大，且强度和位置均不随电解电压和电解时间的变化而变化，最佳的电解电压为9 V，电解时间为4 s。
关键词：渗流; 电解极化传感器; 电解电压; 电解时间
0引言
示踪法是水文地质研究领域中测量渗流场水力学参数的重要方法。传统的颜色示踪法[1]、盐液示踪法[2～4]、浮游物示踪法[5,6]等方法受投药装置的限制，无法在短距离内实现渗流场水力学参数的连续测定。电解极化渗流传感器利用电解极化形成的浓度梯度作为示踪剂实现盐液示踪，用微型电极替代投药装置，实现了渗流场水力学参数的短距离连续测量。盐液示踪法中示踪源与体系平衡时的浓度差决定了下游电导率信号变化的强弱，受下游电导率测量精度的限制，过小的浓度差会造成电导率变化无法被检出的情况，从而造成传感器无法工作。电解极化渗流传感器的示踪源是通过电解极化产生的，使得传统的盐液示踪的相关原理和方法不再适用，研究电解极化渗流传感器的极化性能特征，不仅可以确定传感器的最佳使用条件，而且还能为相关传感器的设计提供指导依据。
1电解极化渗流传感器工作原理
电解极化渗流传感器是一种利用电解极化效应形成示踪源，实现盐液示踪的装置。电解极化渗流传感器由电解电极和电导电极组成，电解电极用于产生电解极化形成示踪源，其原理如图1所示，在电解电极上施加电压时，金属电极中的多余电荷会紧密排布在金属表面，形成电荷层，“电极/溶液”界面的溶液端阴离子受金属表面电荷层的静电引力作用，会向电极运动，当电解反应速率不是太大时，在界面上x (1) 图1 电解极化渗流传感器工作原理Fig 1 Operating principle of electrolytic polarizationseepage sensor 由于扩散速度小于电迁移速度，离子浓度在此区间内随距离增大而减小，在x=d+f处离子浓度达到最低，小于系统平衡浓度，形成一低浓度的区域。在d+f 当停止施加在电解电极上的电压时，高浓度的区域和低浓度的区域随水流进行迁移，该过程可用溶质在一定流速下的扩散过程进行描述，离子浓度为时间和距离的函数[8] (2) 式中m为电解质质量，g；α为孔隙率；w为截面积，m2；C为离子浓度，g·L-1；v为流速，m·s-1；t为时间，s；DL为扩散系数，m·s-1；x为测量位置，m。 (3) 式中ε为允许误差；DL为扩散系数；x测量位置与示踪源距离。 2传感器的制作与测试方法 传感器采用电路板蚀刻单工艺制作，取20.00mm×5.00mm单面覆铜电路板，用油性笔在电路板两端绘制宽1mm间距1mm的电极，放入体积比为1∶1的10 %H2O2和30 %HCL蚀刻液中，待多余覆铜溶解完后，先用丙酮溶液洗净油墨，再用清水涮洗2～3。 将上述传感器固定在内径6mm，外径8mm的有机玻璃管内(如图2)，机玻玻璃管一端接恒流泵，另一端接单向阀，电解电极接带定时开关装置的可调恒压电源，电导电极接电导率仪，以自来水为测试对象进行测试。 图2 实验装置图Fig 2 Experimental equipment diagram 3电解极化渗流传感器极化性能测试 3.1电解电压对传感器示踪源强度的影响 在恒定流速v=0.055 0 cm·s-1，电解电极通电时间4 s，测量时间300 s，电解电压为5,6,7,8,9,10,11,12 V的条件下，分别测量不同电压下电导电极高阻峰、低阻峰峰值电导率，以高阻峰、低阻峰电导率差值作为信号强度指标对电压作图，结果如图3。 图3 不同电解电压的信号强度Fig 3 Signal intensity of different electrolytic voltage 由图3可见，当电解电压小于9 V时，高阻峰与低阻峰的电导率差值随电压的升高而增大，当电解电压大于9 V时，电导率差值受电解电压的影响不大。由式(1)可知电解极化法的示踪源强度取决于电势分布，在不考虑离子在电极上放电时，电解电压越大则示踪源强度越大，考虑离子在电极上放电时，“电极/溶液”界面上的离子会因放电反应而减小，分散层离子受电迁移的作用会向“电极/溶液”界面运动，扩散层受扩散作用的影响会向分散层运动，由于分散层离子电迁移运动速度大于扩散层离子的扩散速度，当电压升高到一定程度，使得分散层离子电迁移运动速度远大于扩散层离子的扩散速度，此时分散层与扩散层分界处的离子浓度C∞=0，离子层中的离子分布只取决于扩散层离子的扩散速度，极化处于极限状态，离子层内浓度差不会再随电解电压的变化而变化。 3.2电解时间对传感器示踪源强度的影响 在恒定流速，电解电压9 V，测量时间300 s，电解时间分别为0.5,1,2,3,4,5,6,7,8 s的条件下，测量不同电压下电导电极高阻峰、低阻峰峰值电导率，以高阻峰、低阻峰电导率差值作为信号强度指标对电解时间作图，结果如图4。 图4 不同电解时间的信号强度Fig 4 Signal intensity of different electrolysis time 由图4可见，当电解时间小于4 s时，高阻峰与低阻峰的电导率差值随电解时间的增加而增大;当电解时间大于4 s后，电导率差值受电解电压的影响不大。其原因是溶液中的离子无论电迁移还是扩散迁移都具有一定速度，离子从初态位置迁移到终态位置需要一定时间，极化过程不是一个瞬态过程，即电极表面离子层的形成需要一个过程。在施加电场的瞬间，离子分布的平衡状态被打破，电极附近的离子向电极迁移，在电极表面形成紧密排布，分散层离子受电迁移和扩散的作用逐渐形成浓度梯度，由于施加电场的瞬间，电极表面的离子浓度较低、电极附近离子浓度梯度较小，这一阶段主要受电迁移的控制，其表现为在2 s前电导率差值随时间的增加而迅速增大；当电极表面离子浓度达到一定浓度，电化学反应开始，此时紧密层离子浓度迅速降低，分散层中离子不断向电极表面迁移，使得分散层中离子梯度逐渐增加，扩散速度逐渐增加，扩散层浓度梯度增加的速度减缓，其表现为在2～4 s时电导率差值随时间的增加曲线的斜率变小；当分散层中原有离子均迁移到电极表面发生电化学反应后，因为电迁移速度远大于扩散速度，此时分散层和电极表面中离子浓度完全受扩散作用的制约，分散层中离子达到平衡状态，离子浓度梯度不再随时间发生变化，其表现为4 s后电导率差值随时间的增加基本无变化。 3.3电解电压和电解时间对传感器出峰时间的影响 在恒定流速v=0.074 8 cm·s-1，电解电压9 V，测量时间300 s，电解时间分别为0.5,1,2,3,4,5,6,7,8 s的条件下，分别测量不同电压下电导电极高阻峰、低阻峰出峰时间，结果如图5。 图5 不同电解时间的出峰时间Fig 5 Peek time of different electrolysis time 由图5可见，在相同的电解电压下，低阻峰、高阻峰的出峰时间在电解时间小于4 s前，均随电解时间的增加而增加，在4 s后基本趋于稳定。 在恒定流速v=0.074 8 cm·s-1，电解电极通电时间4 s，测量时间300 s，电解电压为5,6,7,8,9,10,11,12 V的条件下，分别测量不同电压下电导电极高阻峰、低阻峰出峰时间，结果如图6。 图6 不同电解电压的出峰时间Fig 6 Peek time of different electrolysis voltage 由图6可见，在相同的电解时间下，低阻峰的出峰时间在电解电压小于9 V前，随电解电压的升高而增加，电解电压大于9 V后，基本不变；高阻峰的出峰时间在电解电压小于7 V前，随电解电压的升高而增加，7 V时出峰时间达到最大，随后出峰时间开始减小，当电解电压超过9 V后出峰时间趋于恒定。 出峰时间发生变化的原因在于离子层的形成过程不是一个瞬态过程，离子层的形成所需时间取决于电迁移速度和扩散速度，电解电压越高，电场强度越大，电迁移速度越快，稳态时分散层的厚度越大。离子层的形成需要经历三个阶段：第一阶段，通电瞬间紧密层和分散层的离子受电场作用进行电迁移，由于初始溶液离子分布是均匀的，浓度梯度非常小，扩散作用可以被忽略，离子的分布遵循电场的分布，电场强度越大则离子浓度越高，随时间的增加，离子向“电极/溶液”界面运动，分布越来越紧密，无论是高浓度区域还是低浓度区域都是整体向电极表面移动，因为高浓度区域、低浓度区域的位置是向着远离电导电极的方向移动，故距离增加，出峰时间增加，此阶段离子向“电极/溶液”界面方向收缩形成紧密层和分散层；第二阶段，在“电极/溶液”界面上形成紧密层后，分散层中离子受电迁移作用不断向紧密层运动，在靠近紧密层的位置离子浓度不断升高，高浓度区域中心位置继续向“电极/溶液”界面运动，与电导电极的距离增加，低阻峰的出峰时间持续增加，同时分散层中离子浓度梯度增加，扩散作用增强，分散层的厚度增加，距离电极表面更远位置的离子在扩散作用下开始向分散层运动，扩散层逐渐形成，低浓度区域中心位置随分散层厚度增加而缩短与电导电极的距离，高阻峰的出峰时间减少，此阶段随电解时间增加分散层逐渐变厚；第三阶段，分散层的离子分布趋于稳定，分散层厚度不再增加，受扩散运行的影响，扩散层的厚度逐渐增加，由式(1)可知，体系离子浓度最低区域位于分散层远离电解电解的边缘，浓度最高区域位于靠近电解电解的边缘，因此,高阻峰、低阻峰出峰时间都趋于稳定。 通过图3～图5可知:在9 V电解电压，电解时间为4 s时，极化达到最大，离子层达到稳态即上述第三阶段。由电化学理论可知，电解电压越高，极化电流越大，极化达到稳态的时间越短可推知，图6中电压小于9 V时，离子层均未达到稳态，电解电压小于7 V时，离子层处于第一阶段，高阻峰、低阻峰的出峰时间随电解电压的增加而增加，电解电压在7～9 V时，离子层处于第二阶段，低阻峰的出峰时间随电解电压的增加而增加，高阻峰的出峰时间随电解电压的增加而减小，电解电压高于9 V时，离子层处于第三阶段，高阻峰、低阻峰的出峰时间随电解电压的增加无明显变化。 4结论 电解极化渗流传感器应用中，电解电压和电解时间制约传感器的极化特性，对传感器示踪信号的影响非常大，甚至会导致传感器无法正常工作。本文通过测试了不同电解电压和电解时间下的传感器极化性能和对示踪信号的影响，发现传感器通过极化效应形成离子层示踪源不是一个瞬态过程，提高电解电压有利于缩短离子层达到稳态的时间，在离子层达到稳态前，延长电解时间可以显著提高示踪信号的强度，但会改变离子层示踪源的位置，影响出峰时间。为了保证传感器测量的准确性和重复性，电解电压和电解时间的取值应保证极化形成的示踪源强度最大且位置稳定，实验结果表明：传感器的最佳电解电压为9 V，电解时间为4 s时，此条件下极化达到最大，示踪源强度最大且位置固定。 参考文献: [1]魏虎伟,程金花,杜士才,等.利用染色示踪法研究四面山两种林地优先路径分布特征[J].水土保持通报,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 *基金项目：湖北省教育厅科学技术研究项目(B2015326) 中图分类号：TH 764 文献标识码：A 文章编号：1000—9787(2016)03—0018—04 作者简介: 秦孙巍(1978-)，男，湖北武汉人，博士研究生，讲师,从事渗流监测系统设计和研究。
