一種基于離子交換原理的溶液pH自動控制裝置及其使用方法
【技術領域】
本發明涉及化學反應自動控制技術領域。可推廣應用于各種工業生產和實驗室研究中化學反應的pH自動調節或控制。
【背景技術】
在某些反應體系中，溶液PH會隨著反應的進行而發生變化。例如，鐵離子的水解過程中，鐵離子會與氫氧根離子反應形成氫氧化鐵沉淀，氫離子濃度升高，溶液pH降低；常見的陰極反應如氫離子的還原反應，溶液中氫離子會被消耗，導致氫氧根離子濃度增加，溶液pH升尚O
溶液PH的變化對化學反應中的反應動力學和目標產物具有顯著影響。例如在碳酸亞鐵膜的形成過程中，在相同的亞鐵離子濃度下，若PH升高，會很容易形成致密的碳酸亞鐵膜，若pH降低，導致溶液中的碳酸根離子濃度降低，很難形成穩定的碳酸亞鐵膜。在工業生產中，制備三氯化鐵、三氯化鋁、二氯化鐵等均需要在較強的酸性環境中進行，若體系中的PH升高，就得不到這些目標產物。
在實際生產中，特別是對于單向流動體系，如油氣開采及油氣輸送，管道中的溶液PH變化并不大。然而，實驗室模擬測試過程中，由于研究體系屬于封閉體系，隨著管道腐蝕反應的發生，溶液PH會顯著變化，導致實驗室模擬環境與實際生產環境產生較大差異，從而使得實驗結果與現場數據不匹配。
因此，發明一種控制化學反應中的溶液PH的裝置及方法十分必要，特別是發明一種自動控制和調節溶液PH的裝置對于工業生產和實驗研究具有重要意義。
[0001]目前，已經有一部分自動控制溶液pH的裝置和方法，但其缺點非常明顯:(I)目前的溶液PH自動控制裝置均是通過自動添加酸或堿溶液來實現對體系的溶液pH自動控制，酸或堿的加入會給體系引入新的離子或雜質。如加入氯化氫溶液，會使溶液pH下降，但同時給體系引入了氯離子；加入氫氧化鈉溶液，會是溶液PH升高，但同時引入了鈉離子。這些新的離子或雜質的引入，會給反應體系帶來干擾，影響目標產物的形成或增加目標產物的純化難度；(2)對于無氧環境中的反應體系，加入酸或堿會增加氧氣進入體系的可能性，進而增加了生產安全或實驗失敗的風險。
所以，發明一種高效、安全的溶液PH自動控制裝置對于控制化學反應領域十分必要。
【發明內容】
本發明解決的技術問題是:克服現有溶液PH自動控制技術的不足，提供一種基于離子交換原理的溶液PH自動控制系統和使用方法，能夠實現化學反應中的溶液pH自動、精確控制。本發明的技術解決方案是:離子交換模塊和PH自動控制模塊:
如圖1，所述離子交換模塊，用于產生調節溶液PH所需的氫離子或氫氧根離子，試驗前將氫離子型離子交換樹脂和氫氧根型離子交換樹脂分別裝入離子交換柱(2)和(8)，并分別完成兩個離子交換環路的組裝:用不銹鋼導管(I)依次連接液體容器￠)、離子交換柱
(2)、穩流栗(3)和液體容器(6)，組成降低pH環路；用不銹鋼導管⑴依次連接液體容器(6)、離子交換柱、⑶和穩流栗(9)和液體容器(6)，組成升高pH環路；穩流栗(3)和(9)用于輸送溶液；離子交換柱(2)或(8)為離子交換反應提供場所，溶液中的陽離子與氫離子型離子交換樹脂發生交換，產生氫離子并進入溶液；溶液中的陰離子與氫氧根型離子交換樹脂發生交換，產生氫氧根離子并進入溶液；
所述PH自動控制模塊用于實現液體容器(6)中溶液的pH的自動控制；pH探頭(5)用于監測液體容器(6)中溶液的pH ;pH控制器(7)用于設定pH范圍、實時顯示液體容器(6)中溶液的pH、發送命令控制穩流栗(3)和(9)的通/斷，當液體容器(6)中的溶液pH在設定范圍內時，穩流栗(3)和穩流栗(9)均處于關閉狀態；當液體容器(6)中的溶液pH高于設定范圍上限時，穩流栗(3)運行，直至液體容器(6)中的溶液pH回到設定范圍，穩流栗
(3)關閉；當液體容器(6)中的溶液pH低于設定范圍下限時，穩流栗(9)運行，直至液體容器(6)中的溶液pH回到設定范圍，穩流栗(9)關閉。基于離子交換原理的溶液pH自動控制系統的使用方法，其特征在于包括下列步驟:
a.將氫離子型交換樹脂和氫氧根離子型交換樹脂分別裝入離子交換柱⑵和⑶中；
b.用不銹鋼導管(I)依次連接液體容器￠)、穩流栗(3)、離子交換柱(2)、液體容器
(6)；
c.用不銹鋼導管(I)依次連接液體容器￠)、穩流栗(9)、離子交換柱(8)、液體容器
(6)；
d.向液體容器(6)中注入所需溶液，安裝pH探頭(5)，用導線(4)連接pH探頭(5)和PH控制器(7)的信號輸入接口，用導線連接穩流栗(3)與pH控制器(7)的信號輸出接口 ；用導線連接穩流栗(9)與pH控制器(7)的信號輸出接口 ；
e.在pH控制器(7)中設定需要控制的pH范圍，穩流栗(3)和(9)處于關閉；
f.當液體容器(6)中的溶液pH高于設定范圍上限時，穩流栗(3)運行，直至液體容器(6)中的溶液pH回到設定范圍，穩流栗(3)關閉；
g.當液體容器(6)中的溶液pH低于設定范圍下限時，穩流栗(9)運行，直至液體容器
(6)中的溶液pH回到設定范圍，穩流栗(9)關閉。
本發明與現有技術相比的有益效果在于:
a.本發明基于離子交換原理，利用離子交換樹脂與溶液中的陰離子或陽離子發生交換，給出氫氧根離子或氫離子，從而調節溶液的PH，因此，不會引人新的離子或其他雜質。
b.本發明采用全封閉體系，生產或實驗過程中無需添加新的樹脂或溶液，避免了雜質和污染物進入反應體系，特別適用于對于無氧反應環境的溶液PH自動控制。
c.本發明能實現反應體系的PH精確控制，精確度為:設定值±0.02pH，見圖2。
【附圖說明】
圖1是本發明控制裝置的結構原理圖；
圖2是采用本發明控制X65鋼在飽和CO2溶液腐蝕過程中的pH結果，測試溫度:40°C，初始PH為4.00，一個大氣壓。
【具體實施方式】
如圖1說明了本發明的自動控制裝置的結構原理。本系統包括離子交換模塊和PH自動控制模塊兩個部分:
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