[实用新型]一种用于高压水热体系的pH化学传感器

说明书

技术领域

本实用新型涉及一种pH化学传感器，尤其涉及一种可用于高压水热体系的pH化学传感器。

背景技术

高温高压水热体系的pH值是体系重要的物理化学参数，其对体系的组成、结构、性状以及过程的发生与发展具有极为重要的影响，因此无论在高压水热科学实验、野外探测还是诸如高压水热材料合成、高温湿法冶金、金属腐蚀与防护、化工、超临界水萃取与氧化、核能工程等工业生产与工程技术领域，原位获取高温高压水热体系的pH值均是人们认识高温高压水热体系和控制高压水热过程的基础性工作。基于Ag/AgCl参比电极的化学传感器法则是目前国际上原位获取高压水热体系pH值的基本手段。按工作电极的种类，化学传感器法可分为特制的玻璃电极法、金属-金属氧化物电极法和YSZ电极法。然而，特制的玻璃电极法目前的最高工作温度未能超过254℃；金属-金属氧化物电极法的工作温度与压力虽然可以很高，但其稳定性、重复性均存在问题；不仅如此，无论是特制的玻璃电极法还是金属-金属氧化物电极法，在使用前均需标定，然而要找到一种在高温高压下pH值已知的标准体系本身即是一件难事。相比之下，YSZ电极法从理论上来说不仅可在很高的温度和压力下工作，而且由于YSZ电极对氢离子的响应被实验证实能很好地符合能斯特公式，因此使用前无需标定。正因为YSZ电极法的这些优点，其被认为是目前原位测量高温高压水热体系pH值最有发展潜力的一种方法。但遗憾的是，迄今正式报道的YSZ电极法因为YSZ工作电极及Ag/AgCl参比电极在外形、结构、密封方式和安装部位等方面存在缺陷或不合理性使其并未达到理想的工作状态。主要问题如下：（1）目前在YSZ电极法中使用的YSZ电极和外置式Ag/AgCl参比电极的管状外形与结构、冷密封方式以及在高温压力容器壁通孔上的安装，一方面给高温压力容器内的水流体样品沿管状电极的轴向带来较大的温度梯度，从而使水流体样品偏离所期望的热力学状态；另一方面会对高温压力容器的工作温度与压力造成损失，以致目前有关YSZ电极法原位测量高压水热体系pH值的正式报道未有同时超过400℃、35MPa的数据。（2）目前在YSZ电极法中使用的参比电极，如果为内置式Ag/AgCl参比电极，则因Ag在水流体中的氧化、AgCl在水流体中的水解和热分解，工作温度难以超过300℃；如果采用非盐桥型外置式压力平衡型Ag/AgCl参比电极，则会存在样品污染、流动电位、仅适应流动体系的问题；如果采用盐桥型外置式压力平衡型Ag/AgCl参比电极，则因盐桥外密封耐温有限使得其工作温度难以超过400℃。虽然，曾有人报道通过采用YSZ电极与无盐桥型的Ag/AgCl参比电极的组合获得过压力为34.5MPa、温度高达528℃的高温高压水流体体系的pH值（DigbyD.MacdonaldandLeoB.Kriksunov,ProbingthechemicalandelectrochemicalpropertiesofSCWOsystems.ElectrochimicaActa,2001,47:775–790），但由于所使用的YSZ电极和无盐桥型的Ag/AgCl参比电极存在上述缺陷，使得所获结果只能在非正式场合报道，得不到同行的认可。

鉴于上述高温高压水热体系pH值原位测量在高温高压科学实验、野外探测、工业生产和工程技术中的极端重要性以及目前国际上在该工作中所面临的上述种种困境，研制一种能稳定可靠地原位测量更宽温度压力范围高压水热体系pH值的化学传感器将既具有重要的科学意义，同时亦具有重要的应用价值。

实用新型内容

本实用新型的目的：提供一种用于高压水热体系pH值原位测量的化学传感器及其制备方法，以解决现有技术不能在温度、压力分别为400-700℃、35-100MPa的环境中稳定可靠地工作的问题。

本实用新型的技术方案：一种用于高压水热体系的pH化学传感器，包括YSZ工作电极和外置式压力平衡型Ag/AgCl参比电极，YSZ工作电极由基座、圆台状耐高温绝缘锥垫、耐高温绝缘锥套、固体氧缓冲剂、惰性金属片、圆台状YSZ陶瓷和工作电极引线等组成，所述基座上设有锥孔，锥孔的收敛端与通孔连通，在锥孔的收敛端有圆台状耐高温绝缘锥垫，在圆台状耐高温绝缘锥垫的大圆面之上有耐高温绝缘锥套，以及从下到上依次安装在耐高温绝缘锥套内的固体氧缓冲剂、惰性金属片和圆台状YSZ陶瓷；位于基座通孔中的工作电极引线穿过圆台状耐高温绝缘锥垫和固体氧缓冲剂实现与惰性金属片的电连通。