[发明专利]一种基于离子交换原理的溶液pH自动控制装置及其使用方法

说明书

技术领域

本发明涉及化学反应自动控制技术领域。可推广应用于各种工业生产和实验室研究中化学反应的pH自动调节或控制。

背景技术

在某些反应体系中，溶液pH会随着反应的进行而发生变化。例如，铁离子的水解过程中，铁离子会与氢氧根离子反应形成氢氧化铁沉淀，氢离子浓度升高，溶液pH降低；常见的阴极反应如氢离子的还原反应，溶液中氢离子会被消耗，导致氢氧根离子浓度增加，溶液pH升高。

溶液pH的变化对化学反应中的反应动力学和目标产物具有显著影响。例如在碳酸亚铁膜的形成过程中，在相同的亚铁离子浓度下，若pH升高，会很容易形成致密的碳酸亚铁膜，若pH降低，导致溶液中的碳酸根离子浓度降低，很难形成稳定的碳酸亚铁膜。在工业生产中，制备三氯化铁、三氯化铝、二氯化铁等均需要在较强的酸性环境中进行，若体系中的pH升高，就得不到这些目标产物。

在实际生产中，特别是对于单向流动体系，如油气开采及油气输送，管道中的溶液pH变化并不大。然而，实验室模拟测试过程中，由于研究体系属于封闭体系，随着管道腐蚀反应的发生，溶液pH会显著变化，导致实验室模拟环境与实际生产环境产生较大差异，从而使得实验结果与现场数据不匹配。

因此，发明一种控制化学反应中的溶液pH的装置及方法十分必要，特别是发明一种自动控制和调节溶液pH的装置对于工业生产和实验研究具有重要意义。

目前，已经有一部分自动控制溶液pH的装置和方法，但其缺点非常明显：(1)目前的溶液pH自动控制装置均是通过自动添加酸或碱溶液来实现对体系的溶液pH自动控制，酸或碱的加入会给体系引入新的离子或杂质。如加入氯化氢溶液，会使溶液pH下降，但同时给体系引入了氯离子；加入氢氧化钠溶液，会是溶液pH升高，但同时引入了钠离子。这些新的离子或杂质的引入，会给反应体系带来干扰，影响目标产物的形成或增加目标产物的纯化难度；(2)对于无氧环境中的反应体系，加入酸或碱会增加氧气进入体系的可能性，进而增加了生产安全或实验失败的风险。

所以，发明一种高效、安全的溶液pH自动控制装置对于控制化学反应领域十分必要。

发明内容

本发明解决的技术问题是：克服现有溶液pH自动控制技术的不足，提供一种基于离子交换原理的溶液pH自动控制系统和使用方法，能够实现化学反应中的溶液pH自动、精确控制。本发明的技术解决方案是：离子交换模块和pH自动控制模块：

如图1，所述离子交换模块，用于产生调节溶液pH所需的氢离子或氢氧根离子，试验前将氢离子型离子交换树脂和氢氧根型离子交换树脂分别装入离子交换柱(2)和(8)，并分别完成两个离子交换环路的组装：用不锈钢导管(1)依次连接液体容器(6)、离子交换柱(2)、稳流泵(3)和液体容器(6)，组成降低pH环路；用不锈钢导管(1)依次连接液体容器(6)、离子交换柱、(8)和稳流泵(9)和液体容器(6)，组成升高pH环路；稳流泵(3)和(9)用于输送溶液；离子交换柱(2)或(8)为离子交换反应提供场所，溶液中的阳离子与氢离子型离子交换树脂发生交换，产生氢离子并进入溶液；溶液中的阴离子与氢氧根型离子交换树脂发生交换，产生氢氧根离子并进入溶液；

所述pH自动控制模块用于实现液体容器(6)中溶液的pH的自动控制；pH探头(5)用于监测液体容器(6)中溶液的pH；pH控制器(7)用于设定pH范围、实时显示液体容器(6)中溶液的pH、发送命令控制稳流泵(3)和(9)的通/断，当液体容器(6)中的溶液pH在设定范围内时，稳流泵(3)和稳流泵(9)均处于关闭状态；当液体容器(6)中的溶液pH高于设定范围上限时，稳流泵(3)运行，直至液体容器(6)中的溶液pH回到设定范围，稳流泵(3)关闭；当液体容器(6)中的溶液pH低于设定范围下限时，稳流泵(9)运行，直至液体容器(6)中的溶液pH回到设定范围，稳流泵(9)关闭。基于离子交换原理的溶液pH自动控制系统的使用方法，其特征在于包括下列步骤：

a.将氢离子型交换树脂和氢氧根离子型交换树脂分别装入离子交换柱(2)和(8)中；

b.用不锈钢导管(1)依次连接液体容器(6)、稳流泵(3)、离子交换柱(2)、液体容器(6)；

c.用不锈钢导管(1)依次连接液体容器(6)、稳流泵(9)、离子交换柱(8)、液体容器(6)；

d.向液体容器(6)中注入所需溶液，安装pH探头(5)，用导线(4)连接pH探头(5)和pH控制器(7)的信号输入接口，用导线连接稳流泵(3)与pH控制器(7)的信号输出接口；用导线连接稳流泵(9)与pH控制器(7)的信号输出接口；