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由Jim Hardy博士提供
引言
致謝
當我開始編寫關于在高溫高壓釜電化學操作過程中的實驗技巧和學到的教訓時，我首先想到了先于我參與這場冒險的前賢們。這只是部分個人的清單：他們是研究者，設備工程師，指導者和在貝蒂斯和諾爾斯工作的技術人員們，是他們為我鋪平了道路。涌現在我腦海的一些名字是Rick Garstka, Ted Druga, Bert Setterberg, Rudy Majcher, Jack Carr, Bob Rubino, Doug Thompson, Ken Granger, Rosemary Janik, Bill Archer, Garry Lynch, Irene Rosati, Mike Ochap, Dave Kedzierski, Keith Eklund, George Halbfinger, Mike Danielson, Yinfang Wang。在分享過他們故事的企業中重要的是Digby Macdonald，他為我們奠定了基礎,而且總是渴望與大家分享他的經驗。
目的
該技術報告將涵蓋很多話題，其中只有熱水是相同的。為了適應技術報告的空間限制，本文將是一系列經驗教訓的合集。就其本身而言，它們沒有一個是純粹我自己的經驗。文中將講述一連串的覺悟或回憶，沒有一個部分是全面的。可能未來會有詳盡的技術報告去涵蓋一些特定的情況，但是他們要等待一些問題的答案，而我們希望這個技術報告能提供幫助。

安全
重要性
在使用高溫高壓釜時，安全是重要的。因為在高壓和高溫時水中儲存著能量，任何一次意外的后果可能是非常嚴重的。很多在這個領域工作的人碰到過蒸汽噴射，或者金屬物件從一個高于三十英尺的海灣頂上墜落。有些碰到過一個兩百磅的高溫高壓釜頭掉落在離工廠四分之一英里之外的地方。這個安全措施的列表旨在激勵進一步研究和發展。在圖書館或網上的一個關于高溫高壓釜安全性的研究會產生很多文件以指導文件的發展。文件在受影響設備，程序和人事方面的所有專家的參與指導下完成是很重要的。另外，還需要咨詢一個外界專家以保證沒有什么重要的事情被忽視了，每年或任何嚴重程度事故發生時都要對工作要求進行檢閱和更新。所有參與工作或在壓力設備周圍的工作人員應該被要求培訓，工廠應該貼上告示將危險告知訪問者并提供保護方式。

管理和保險要求
除了上面提到的通用指南和任何本地化的要求，還有法規要求和由保險公司強制的要求。這導致很多大型企業建立了內部委員會來開發和實施這些規則。預先告知那些計劃操作高溫高壓釜的公司的法人和保險公司以操作前提是一個很好的方法。除了工作要求，一些企業和保險公司了Inspector和工業安全部門來幫助部門和客戶。任何從地方到國家的管轄區可以制定證實，檢閱或者操作高溫高壓釜的相關規章制度，設備的運營商應該確定相關的管轄區和規章制度。
好的做法
即便當要求沒有被執行，以下還有一些可以做的事情。列表的順序是任意的，列表的內容并不全面。
1. 使用符合實驗要求的小壓力容器。
2. 連續地監測溫度和壓力以防止意外發生并減小他們的嚴重性。
3. 安裝超溫報警和保險開關。
4. 檢測和限制加熱器溫度以保護容器材料。
5. 安裝減壓裝置并安全地排氣。
6. 使用合適的系鏈以防止組件噴射。熱電偶和電極是的例子。
7. 確保任意采樣口都被妥善地保護了，而且廢水被安全處置。這對有毒或腐蝕材料尤其重要。任何需要在實驗室特殊處理的材料在高溫高壓釜中危險性更高。
8. 通常玻璃組件應盡量避免。突然的力量會擊碎玻璃，而且很多溶液在高溫會侵蝕玻璃。如果一個專門的組分需要像玻璃或金剛石窗口或硯管時，應安排屏蔽裝置。

高溫高壓釜和結構材料

高溫高壓釜有很多尺寸和形狀，直徑從1 毫英寸到1 米，高有幾米。他們可以在高于環境壓力幾個kPa到數十MPa下操作。本身設計和選擇材料由專家正確執行。同樣地，建議任何想要建造或使用高溫高壓釜的人員去查閱ASME鍋爐和壓力容器的編碼或者去獲得任意壓力容器用來建造和保持符合編碼和本地要求的證書。Autoclave Engineers和Parr Engineering是兩個設計和建造標準高溫高壓釜包和為他人提供設計和證書服務定制高溫高壓釜的兩個公司。其他高溫高壓釜和腐蝕測試服務的供應者也可以制造高溫高壓釜和測試系統。在說明，購買和操作高溫高壓釜方面投資前，先咨詢在你想做的測試方面富有經驗的工作人員是明智的。

對于制造一個用于腐蝕測試的高溫高壓釜，材料是非常重要的。材料的選擇應該包括假定容器會會有某種程度的腐蝕。甚至貴金屬如金和鉑可以受腐蝕而且他們非常軟，所以他們可以變形或被損壞以致暴露其下的基底金屬。這導致了比使用普通耐蝕且有合適結構強度的合金更嚴重的腐蝕問題。另一個考慮是容器腐蝕過程的本質不應該影響想要做的實驗。一些耐蝕合金產生一個可以溶解到測試溶液中的腐蝕產物膜。即使終結果是得到了一個受保護的容器，其產生的污染可能把測試溶液變得更加或更不腐蝕了，或者它可能沉積在試樣而改變了它們的性能。不銹鋼和鎳基合金常常是好的選擇，但是必須考慮充分。對于用于支撐和保持試樣的材料也是一樣。

壓力容器和結構材料的應力腐蝕裂紋是一個嚴重隱患，但不在這個報告的范圍內。結構需要相當的強度，還可以忍受應力腐蝕裂紋，如果材料易受影響，腐蝕和應力會出現。大多數設計盡可能地避免了高強度材料的需求。螺紋存在著一個特定的問題，所以大多數設計避免了螺紋浸入溶液。

塑料

因為過熱退化的風險，塑料在高溫高壓釜應用中很少使用。因為有時候需要電絕緣材料，也有一些例外。選擇的材料通常是聚四氟乙烯PTFE。這個材料被用來套電線，隔絕試樣，有時候還被用作無縫高溫高壓釜襯墊。它有非常小的結構強度，而且強度在150ºC以上急劇下降。它也有一個高膨脹系數，所以在受五金配件限制時它常變形。相反地，正確設計的配件有時能把PTFE絕緣材料保持住，而保證了比預期更好的氣密性。不幸的是，氣密性不能保證，所以縫隙腐蝕必須總在設計實驗和解釋結果時考慮。小心支撐PTFE絕緣材料而不使他們變形，這樣的絕緣材料可以成功使用直到350ºC。產品監測和供應商對于如此的應用是非常重要的，因為聚合度或污染物的輕微變化可以減小有效軟化溫度。同樣地，制造商必須注意減小PTFE中游離含氟材料的數量。明智的做法是測試大量新材料以避免在關鍵應用中的污染。

目前，在可靠制造商提供的水溶液體系中沒有其他材料可以接近PTFE的性能。一些應用中更喜歡全氟烴基（PFA）PTFE ，因為它擁有更高的軟化溫度，所以它保持著某個結構強度直到280 ºC。不過，它在高于有效范圍時軟化得更加突然，很多偶然的溫度變化導致了PFA絕緣材料的*坍塌。聚酰亞胺和環氧材料比 PTFE 有更高的熔點。不過，他們在低至150 ºC的溫度水解，導致了絕緣材料的分解和測試溶液的污染。

陶瓷和金剛石

很多關于塑料的考慮在使用其他材料做高溫高壓釜電化學的絕緣材料時也會有。大多數在室溫和空氣中我們認為理所當然的玻璃和陶瓷在高溫和甚至適度提高pH時會被水侵蝕。玻璃腐蝕形成硅酸鹽，氧化鋁腐蝕形成了鋁酸鹽。藍寶石和氧化鋁用于一些應用，但是很多研究人員對一批次品陶瓷或者把實驗推向更高的pH或溫度而失望。氧化釔*穩定的氧化鋯（YSZ）是廣泛應用的陶瓷，它能夠耐受150ºC以上水的侵蝕和大于1M NaOH溶液的侵蝕。對于其他材料，制造商必須仔細挑選。部分穩定的氧化鋯因為更高的強度和韌性被廣泛用于機械應用，但是他們容易被熱水侵蝕。有時候出自同一制造商的許多材料在熱水中更容易軟化。YSZ有半導體性質，這在高溫電化學中很有用，并且很多變化。

金剛石看起來是高溫高壓釜測試所用結構材料中完美的材料。天然金剛石和人造金剛石以巨大的成本被用于窗口。它具有很好的絕緣性質，但是沒有靈活性而且不能變形。化學沉積形成的類金剛石碳涂層有一些前途，但是仍在開發中而且非常貴。

氧氣

在一個密封高溫高壓釜內，氧氣量幾乎常常不是我們預想的。如果有人在準備一個無氧測試，空氣將被困在裂縫中，即使在容器被抽真空并用惰性氣體洗凈后。在加熱時，吸附氣體和腐蝕膜可以分解釋放氧氣。如果有人計劃了一個定量的氧氣，未知量的氧化物在暴露金屬表面形成。使用除氧劑有時足以從系統將它消除，提供不會影響測試的除氣產物。在容器頂部的蒸汽空間保持一個固定的氣體成分可以通過亨利定律（Henry’s law）來控制溶液的成分，但是只有當系統充分地混合而且氧氣在容器中腐蝕的消耗速率沒有超過質量傳輸速率時才可以。這整個圖景被空氣可以通過裂縫擴散進來從而建立穩定低含量氧的事實進一步復雜化了。

控制氧氣的可信的方法是從容器中采樣。這通常需要補充測試溶液，所以需要一個循環系統。這樣做大大地復雜化了測試系統的設計和操作，但是氧氣是電化學中的一個重要參數。一個補液系統也允許了其他還原劑和系統參數的檢測和保持。

可以通過采樣或連續分析可以對壓力容器進行氧分析。采樣是經濟的方法，Chemets^®，自填充安瓶和色度分析試劑被廣泛地用于這個目的（¹）。采樣大的缺點是缺乏一致性：一個經驗豐富的操作者可以連續地測量氧含量直到20ppb或更少，但是很多有經驗的操作者不能測量少于100ppb。一旦在流動系統中正確地建立和校準，固定的氧分析器可以測量測量值的1%直到低于1ppb。極譜分析傳感器僅可在300kPa內使用，所以他們常用在流向排水或流向用泵補給的系統的管道上。對于壓力高達30 MPa時，Orbisphere用更高的價格制造了高精準和高敏感的分析器。基于熒光猝滅的氧氣分析器接近測量幾個ppb氧氣所需的敏感度。任何有這個需求的人們應該咨詢InSitu Instruments，Orbisphere和Ocean Optics來確定他們的目前的能力，并且詢問作者關于的測試結果。（ⁱ），（ⁱⁱ），（ⁱⁱⁱ）

對于高溫高壓釜測試的補液和循環系統的消息描述不在這個報告的范圍內。誰有特定的設計問題或者歷史的問題，應該與作者聯系討論。一言以蔽之，設計和成分的選擇是成功的關鍵。舉個例子，活塞泵可以把空氣帶過密封環或者通過缸壁的吸收繼而溶解。

監測

看過幾頁機械問題之后，我們可以開始電化學應用了。如在高溫高壓釜中所見遍及電化學討論的一個概念是高溫時在水中的腐蝕與室溫時大有不同。舉個例子，H₂O-H₂/O₂的交換速率是快得多。他們接近氧化還原平衡，可以控制很多電化學測量。高溫也能導致腐蝕產生的氫氣，這會影響腐蝕反應的速率。有時候在密閉容器中的腐蝕速率可以與排除H₂和O₂ 的循環容器中測得的非常得不同。這個討論將僅限于一些廣泛使用的技術。幾乎所有已知的電化學技術可以被應用于高溫高壓釜，雖然一些從機理角度是禁止的。一些技術已經特別發展以利用高溫高壓釜可得的溫度和壓力的優勢。

高溫高壓釜本身驅動了一些電化學儀器的選擇，因為安全需要把它接地。當容器的接地限制著哪個電極被接地時，很多熟悉的用于開放的臺式玻璃容器的電化學工作站不能用。解決方法是用一個浮地電化學工作站，它可以不受接地電極或中間結構的影響進行測量和控制。在1990年，沒什么浮地電化學工作站，而現在有好幾臺了。不過，使用者被建議去尋找一臺被證實可行的電化學工作站。從有經驗使用者那里得來的參考和建議是極有價值的。

極化電阻

極化電阻可能是使用廣泛的電化學技術，在高溫高壓釜中也是如此。但值得注意的是，所需的腐蝕速率測量隱藏在結果中。低限度，需要在相同條件下比較極化電阻的測量值，觀察腐蝕速率變化的差別。用這種方法，可以進行定性比較而且有時候可以做定量分析。不過，H₂O-H₂/O₂反應的交換電流可能控制著測量值，所以只有定性比較是可行的。有時候一個系統能夠通過用質量損失測量腐蝕速率的方法來校準，但是修正值常常大于測量值。這結果尤其會出現在像高純水這樣的系統中，這類系統中的溶液電阻控制測量值而且其隨著污染而變化。

電化學噪聲

電化學噪聲監測在過去二十年廣泛應用于測量腐蝕速率和探測化學過程中的腐蝕問題。（ENM是這類技術其中的一個縮略詞）。它也被發現用于高溫高壓釜。不過，那減小極化電阻分辨率的效果，高交換電流和高溶液電阻趨于*地淹沒ENM信號。高溫高壓釜ENM的使用者因一現象留下了，正如初的很多研究者：爆炸顯示為噪聲，但是其是由離散電化學事件引起的。通過統計分析，信號源常能測定，結果可以用來鑒定過程中的事件或者引起腐蝕的結構。用過程添加劑引入的腐蝕是一個例子。由溫度變化或機械作用引起的結構應力是另一個例子。

電勢降/電阻

另一種技術被見于應用在專業實驗室和基礎設施的是電阻或者電勢降監測。（EPD和ER是常用縮略詞。）與其他原位監測技術不同的是，在這個技術中*沒有用到電化學。一個測試件的金屬損失通過測量電導的損失來探測，表現為電阻的增加。敏感和精確的儀器特別被要求測量相關的電流和電位，不過這在近三十年變得司空見慣。總不被領會的是ER順帶是一個電化學技術。在空氣中，技術起初被用來測量拉伸試樣變形和破裂的地方，電化學不發生。不過，在水中，施加一個電流到試樣上，即使是縱向的，也會產生一個電勢，不過很小。在200ºC到400ºC，小電勢（通常幾個毫伏）可以影響腐蝕系統的高交換電流。結果可以是瞬態的，影響ER的測量值和腐蝕速率的變化。腐蝕過程也能產生絕緣或導電層，可以對ER測量值有驚人影響，尤其是在裂縫處。結合很多其他的高溫高壓釜技術，有經驗的使用者常可以鑒定其中的影響，找到原因，然后從數據中截取有意義的結果。如果沒有這些解釋，數據可能會誤導人。

參比電極

當在其他電化學環境中，參比電極是高溫高壓釜電化學測量*的。不同的是因為成本高，參比電極常常很簡易，但是用大量支持性數據證明設計的準確性。

第二參比

大多數簡易參比電極是第二參比電極，因為這個概念被廣泛使用所以在此展示一些例子是很有幫助的。鉑絲和非極化測試試樣已經被非常有效地使用了。這些被稱為準參比，第二參比，或只是參比電極，取決于實驗員的嚴謹度。為了有效解釋，我們有必要知道是什么變量影響了參比的電勢。鉑有時候比其他準參比要有用得多，因為它在高溫的電勢是由H₂O-H₂/O₂交換反應來控制的。因此，它少有被影響，除了氫濃度和pH。如果這些已知且為常數，而且H₂O-H₂/O₂平衡可以被證明的話，鉑的電勢可以用熱動力數據計算，并且稱作“第二參比電極”。pH和[H₂]常常不知道且被認為是一個常數，所以電勢被認為是一個常數。對于一些實驗，這是一個有用的近似，不過腐蝕可以影響pH和[H₂]，得到電化學測量的驚人結果。大多數相同的聲明應用于非極化測試試樣作為準參比的使用，除了腐蝕過程也影響電勢之外。這有時可以是一個優勢，其中它抵消了一些不可控變量，清晰地展示了像涂層或機械應力等應用現象的影響

主要參比

有經驗的電化學家早已改裝傳統參比電極用于高溫高壓釜，不過像氯化銀這樣的沉淀溶解的增加和高溫擴散率的增加使他們很難用而且不精確。當Digby Macdonald推出了壓力平衡參比電極（PBRE, ^iv）時，這個現象改觀了。取代固定容器，PBRE包含了一個靈活的鹽橋的組件，不可滲透的膜，通常是PTFE。結果，會從參比電解池壓出控制溶液或者引入污染物以影響電勢的壓力的變化會被參比電解池中的等效壓力平衡掉。參比電解池的成分保持了，參比電勢可以像現有熱動力學數據那樣精確地計算了。

因為Macdonald的頓悟，很多工作人員發展了PBRE的化身以適應它們自己的裝置或者實驗約束。（^v）關于每一個設計優劣勢的討論超出了這個技術報告的范圍，有興趣的讀者可以聯系作者進一步討論。不過，一個警告很重要：即使PBRE經歷了一些污染。壓力不能完美平衡，而且液接電位需要滲透率。幾小時或幾天后，鹽橋中的試劑擴散開去污染測試溶液，而測試溶液中的污染物擴散進參比端并影響電勢。大多數的膜材料在高溫時輕微滲透到氣體，但是這通常可以被忍受。通過仔細挑選參比端溶液和了解特定測試的要求，三個問題通常可以被管理。

pH

當有人會從上述PBRE討論中推導出，理想的參比電極會有一個不能滲透的連接去測試溶液。典型的玻璃pH電極有這個，而且如果測試溶液的pH是已知的且為常數或者被連續測得的話將制得一個很好的第二參比。不幸的是，玻璃pH電極中的玻璃像任何其他的玻璃一樣會被熱水侵蝕。它也非常薄且脆，是壓力條件下的一個不好的選擇。不過，與一些應用中充當結構和絕緣材料陶瓷相同的YSZ陶瓷也有半導體性質，能在高溫傳導氧離子。和一個內部參比電解池像Hg/HgCl or Fe/Fe₂O₃一起，封閉式YSZ管可以通過如下反應充當一個pH電極：

OH^- + OH^- ↔ H₂O + O^-2

（氧離子通過滲透膜控制電極內的電勢來平衡。）

H⁺ + OH^- ↔ H₂O

具有Fe/Fe₂O₃ 或者 Cu/Cu₂O內部參比連接的傳感器被廣泛地用于高溫高壓釜在溶液中的測試，溶液的pH是已知的且為常數。（^vi, ^vii）通過選擇需要的性質，YSZ pH傳感器已經被用到低至90ºC。（^viii）

其他電極

記住上面確定的一些原則，很多其他參比電極可以想象出來。有興趣的讀者可以聯系作者進行進一步的討論。

SCC測試

應力腐蝕裂紋是一個非常重要的問題，常常需要高溫高壓釜去產生一些它出現和研究的條件。同樣，它有大量的相關文獻，這個技術報告將不探討這個話題。一些高溫高壓釜測試證明*的考慮如下：
A．負載/位移控制可以被溫度的變化所影響，樣品疲勞以驚人的速度增長。
B．裂紋監測技術可以產生無意識的電化學結果，正如可從EPD段落推斷出來的一樣。位移測量，盡管原則上是無損測試，也需要敏感的設備，檢測腐蝕和電化學的影響。

本章小結
電化學是有趣又令人興奮的。這在高溫高壓釜中尤甚。在計劃實驗的時候要小心，先咨詢有經驗的企業和個人關于您想要應用的特定技術。因此，工作要花很多錢去適當地實施。請記住安全是重要的。

參考文獻和附加閱讀
讀者請查閱參考文獻中的出版物。這些出版物會引出其他的會揭示大量Digby Macdonald的工作和其他這個領域的的讀物。（ix）聯系作者就具體主題提出其他建議。

關于作者
James Hardy是ChemCorr有限責任公司的負責人，該公司是一個涉及化學，腐蝕，電化學和化學動力學的咨詢公司。他從1987到2009年間在貝蒂斯原子能實驗室從事高溫高壓水化學，化學儀表和腐蝕模型與控制的研究工作。他受雇于艾克森研究公司去控制困難資源如煤和油頁巖等發展中的污染。他在德克薩斯大學獲得物理化學博士學位（1976）。James是NACE，ASTM和燃燒學會的成員。您可以通過Chemcorrllc dot com來聯系他。1Chemets：水分析用自填充安瓶；瀏覽Chemetrics dot com；ASTM參比：ASTM11.01, ASTM D5543-94 (2005)，標準低水平水溶氧測試方法

i. In-Situ, Inc.

ii. Ocean Optics, Inc.

iii. Hach Ultra Instruments, makers of Orbisphere electrochemical and fluorescent analyzers.
iv. D. D. Macdonald, "Reference Electrodes for High Temperature Aqueous Systems-A Review and Assessment," Corrosion, 34, (76-84), 1978.
v. M.J. Danielson, Corrosion, 35, (1979) p. 200; and Corrosion, 39, (1983) p. 202.
vi. Digby D. MacDonald; Ting Zhu; Xueyong Guan,“Current state-of-the-art in reference
electrode technology for use in high subcritical and supercritical aqueous systems”
European Federation of Corrosion Publications(2007), 49(Electrochemistry in Light Water Reactors), 3-42. Publisher: Woodhead Publishing Ltd., CODEN: EFCPE4 ISSN: 1354-5116. Journal.

vii. Although the calomel electrode (Hg/HgCl) is a better reference than Cu/CuO or Fe/FeO
because its potential is well defined, it is excluded from most applications by the use of
mercury. Besides its toxicity, mercury can cause liquid metal embrittlement, which can
destroy autoclaves. Good operating practices exclude all mercury from any autoclave
facility.
viii. Private communications from Lietai Yang and Corr Instruments, corrinstruments. dot com/.
ix. Techniques for Corrosion Monitoring, (L. Yang, ed., Woodhead Publishing, Success, UK
2008).