吳冰冰

(黑龍江省交通運(yùn)輸信息和科學(xué)研究中心,黑龍江 哈爾濱 150086)

1 環(huán)保型道路融雪劑的制備

1.1 冰點(diǎn)實(shí)驗(yàn)

融雪劑的主要性能之一是降低冰點(diǎn)。融雪劑應(yīng)為低溫條件能全部融于水的物質(zhì)。由于溶質(zhì)融于水時(shí)降低水的蒸汽壓從而降低溶液冰點(diǎn)，當(dāng)冰點(diǎn)低于氣溫時(shí)，雪即可由固相轉(zhuǎn)為液相融化流走。不同濃度的溶質(zhì)其冰點(diǎn)下降值也不同，因此選擇適用的融雪劑，必先測(cè)試其降低冰點(diǎn)性能?？晒┻x用溶質(zhì)的主要為無(wú)水氯化鈣、無(wú)水氯化鎂、氯化鈉、亞硝酸鈉、工業(yè)氯化鈣、醋酸鈣、尿素、硝酸鈣、碳酸鈉(純堿)、甲醇、乙醇、乙二醇、甘油。經(jīng)過(guò)實(shí)驗(yàn)可以看出，降低冰點(diǎn)性能最好的是氯化鈉、氯化鈣和氯化鎂，三者都為氯鹽。低濃度時(shí)三者效果差不多，高濃度或氣溫極低時(shí)，氯化鎂、氯化鈣要優(yōu)于氯化鈉。其次為亞硝酸鈉。亞硝酸鈉又是很好的阻銹劑，與氯鹽共用既可降低冰點(diǎn)，又可防止鋼筋銹蝕。醋酸鈣、硝酸鈣和尿素的降低冰點(diǎn)性能均遜于氯鹽，用量大且只能用于不太冷的條件下，如-5℃以上降雪時(shí)使用。其中，尿素融于水即成為氨水與碳酸的混合溶液，pH值為7，呈弱堿性，被機(jī)械行業(yè)做緩蝕劑使用，且對(duì)人和植物無(wú)害，是最清潔的融雪化學(xué)物質(zhì)。

1.2 相對(duì)融冰能力測(cè)試

由資料可知，融雪劑的融雪化冰能力由其使用濃度和環(huán)境溫度決定，所以，為直觀準(zhǔn)確地反映出不同物質(zhì)的融冰能力，根據(jù)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB/T23851-2017中規(guī)定的方法，借用冷凍機(jī)，用1∶1乙二醇：水配制防凍液倒入冷凍機(jī)中，采用50 mL燒杯盛裝反應(yīng)物，在不同溫度和不同濃度下探究各物質(zhì)的相對(duì)于NaCl的融雪化冰能力。試驗(yàn)分別考察氯化鎂(MgCl2)、氯化鈣(CaCl2)、氯化鉀(KCl)、尿素((NH2)2CO)、硫酸鎂(MgSO4)、醋酸鈉(CH3COONa)、醋酸鈣(Ca(CH3COO)2)、亞硝酸鈉(NaNO2)、硝酸鈉(NaNO3)這幾種物質(zhì)在18%的溶液-10 ℃、29%的溶液-10 ℃和-15 ℃的條件下相對(duì)于氯化鈉的融冰試驗(yàn)，其結(jié)果可知，18%的物質(zhì)溶液在-10 ℃的條件下不具備融冰能力，當(dāng)濃度增加至29%時(shí)氯化鈣(CaCl2)、亞硝酸鈉(NaNO2)和氯化鉀(KCl)具有一定的融冰能力，但在-15 ℃時(shí)只有氯化鈣(CaCl2)仍具有融冰能力，但效果有所下降。

1.3 緩蝕能力測(cè)試

根據(jù)《融雪劑》(GB/T23851-2017)中規(guī)定使用《水處理劑緩釋性能的測(cè)定》(GB/T18175-2014)中的試驗(yàn)步驟測(cè)定不同融雪劑溶液對(duì)碳鋼的緩釋率。采用恒溫水浴鍋，使用標(biāo)準(zhǔn)20#Ⅰ型碳鋼(密度為7.85 g/cm3)作為腐蝕片，每種物質(zhì)以兩塊試片為基數(shù)做平行試驗(yàn)，測(cè)試質(zhì)量分?jǐn)?shù)為5%的溶液對(duì)碳鋼試片的緩蝕性。試驗(yàn)采用的1 000 mL1∶4的鹽酸溶液加8 g六次甲基四胺作為酸洗溶液，60 g/L氫氧化鈉溶液為堿洗溶液。

1.4 二元復(fù)配

在配制溶液時(shí)發(fā)現(xiàn)氯化鈣(CaCl2)和硫酸鎂(MgSO4)在溶于水時(shí)會(huì)放熱，并且硫酸鎂(MgSO4)放熱劇烈?？紤]到氯化鈣(CaCl2)中仍含有氯離子，所以采用硫酸鎂(MgSO4)與氯化鈉(NaCl)復(fù)配，測(cè)試其粉末的融雪能力。

設(shè)計(jì)預(yù)實(shí)驗(yàn)：打開(kāi)冷凍機(jī)，調(diào)至-13 ℃，將氯化鈉(NaCl)與硫酸鎂(MgSO4)的質(zhì)量比為6：4的比例的配方調(diào)配完成并混勻，分別稱取7.255 2 g(相當(dāng)于25.00 mL 29%溶液中含有物質(zhì)的質(zhì)量)和7.262 4 g配方與2#，3#樣品瓶中，向1#樣品瓶中加入7.281 8 g氯化鈉(NaCl)，向1#，2#，3#燒杯中加入15.0 mL水，待冷凍機(jī)到達(dá)指定溫度時(shí)，將三個(gè)燒杯和三個(gè)樣品瓶同時(shí)放入冷凍機(jī)中3 h，3 h后按照序號(hào)將粉末倒入指定燒杯中反應(yīng)30 min，30 min后倒出溶液和融化的冰。30 min后發(fā)現(xiàn)2#，3#燒杯中的冰均無(wú)融化現(xiàn)象。所以，硫酸鎂與冰接觸不如與水接觸放熱嚴(yán)重，甚至可以說(shuō)幾乎不能使冰融化，沒(méi)有達(dá)到理想中的劇烈放熱加速冰融化的現(xiàn)象，因此認(rèn)為以硫酸鎂復(fù)配的配方不可行。

1.5 三元復(fù)配

雖然在融冰試驗(yàn)中觀察到?jīng)]有某種單獨(dú)的物質(zhì)比氯化鈉(NaCl)的融雪效果好，但是在做腐蝕試驗(yàn)時(shí)發(fā)現(xiàn)亞硝酸鈉(NaNO2)具有一定的防腐作用，并且還有一定的融冰效果，所以可以考慮在氯化鈉(NaCl)配方中加入一定的亞硝酸鈉(NaNO2)來(lái)緩解氯鹽的腐蝕作用，但亞硝酸鈉(NaNO2)具有一定的毒性，所以要少量加入，但可以選擇加入一些尿素，為土壤缺乏N元素的地區(qū)補(bǔ)充N元素。

正交實(shí)驗(yàn)的設(shè)計(jì)：本部分采用正交實(shí)驗(yàn)的設(shè)計(jì)方法來(lái)確定融雪劑的配方，選擇使用三因素三水平的正交試驗(yàn)表，以正交試驗(yàn)表中各因素的比例為依據(jù)進(jìn)行試驗(yàn)。

正交試驗(yàn)結(jié)果如表1所示。

表1 正交試驗(yàn)結(jié)果表

在正交試驗(yàn)表的基礎(chǔ)上進(jìn)行單指標(biāo)直觀分析法數(shù)據(jù)分析，由此得到極差、實(shí)驗(yàn)影響因素的主次和試驗(yàn)最佳配比，根據(jù)要求確定最終配比，結(jié)果如表2所示。

表2 正交試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析

圖1表示同一因素不同水平對(duì)試驗(yàn)指標(biāo)的影響。

圖1 同一因素不同水平對(duì)試驗(yàn)指標(biāo)的影響

由表和圖可知：各個(gè)因素的水平變動(dòng)對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果有影響，因此根據(jù)kA1、kA2、kA3的大小可以判斷A1、A2、A3對(duì)試驗(yàn)指標(biāo)的影響大小。由于試驗(yàn)指標(biāo)為相對(duì)融冰能力，而kA2>kA3>kA1，所以可以判斷A2為A因素的優(yōu)水平。同理，可以確定B2、C1分別為B、C因素的優(yōu)水平，三個(gè)因素的優(yōu)水平組合A2B2C1為本試驗(yàn)的最優(yōu)水平組合。

2 環(huán)保型道路融雪劑環(huán)保特性研究

2.1 緩蝕能力測(cè)試

試驗(yàn)配制5%的配方溶液和5%氯化鈉溶液并對(duì)其進(jìn)行對(duì)配方進(jìn)行緩蝕能力測(cè)試，最終得出結(jié)論：亞硝酸鈉的加入大大減小了融雪劑的腐蝕效果。配方的緩蝕率明顯低于氯化鈉的緩蝕率，因此得出結(jié)論：亞硝酸鈉的加入使融雪劑的腐蝕速率降低，有效的減少了對(duì)金屬的腐蝕作用。

2.2 冰點(diǎn)的測(cè)定

由GB/T 23851-2017中規(guī)定的，使用GB/T 2430-2008中的步驟進(jìn)行測(cè)定，使用體積比乙二醇∶水=2∶1的防凍液，將冷凍機(jī)溫度調(diào)制-25 ℃，用25 mL比色管、-50 ℃的溫度計(jì)和一個(gè)一段帶有圓圈的長(zhǎng)銅絲分別測(cè)定質(zhì)量分?jǐn)?shù)為6%、10%、18%和29%的配方的冰點(diǎn).具體步驟如下：向比色管中加入25.0 mL溶液，將銅絲的圓圈套在溫度計(jì)上，并一起放入比色管內(nèi)，待冷凍機(jī)到達(dá)指定溫度時(shí)，將比色管放入冷凍液中，上下拉動(dòng)銅絲并觀察比色管中溶液的狀態(tài)，待溶液中出現(xiàn)肉眼能看到的晶體時(shí)，記錄此時(shí)溫度計(jì)的示數(shù)，每組溶液做三組平行試驗(yàn)。

通過(guò)對(duì)四組不同濃度，每組做三次平行試驗(yàn)的數(shù)據(jù)可知：隨著濃度的增加，溶液冰點(diǎn)逐漸降低。所以在溫度不是很低時(shí)，噴灑少量融雪劑即可達(dá)到預(yù)期融雪效果。

2.3 pH值的測(cè)定

pH計(jì)的校正：采用兩點(diǎn)校正法，分別用pH值為6.86和9.18的標(biāo)準(zhǔn)緩釋劑溶液對(duì)pH計(jì)進(jìn)行校正。

分別配制18%和29%的配方溶液并對(duì)其進(jìn)行pH值的測(cè)定，并測(cè)定空白的pH值，最終得出試驗(yàn)配方溶液呈弱堿性，符合國(guó)標(biāo)規(guī)定。

2.4 金屬元素的測(cè)定

試驗(yàn)采用SOLAARS2AA+GFS97型原子吸收光譜儀對(duì)質(zhì)量分?jǐn)?shù)為5%的配方溶液進(jìn)行Pb、Cr和Cd的含量分析。均采用吸收方式，火焰類型為空氣-乙炔，帶寬為0.5 nm，重復(fù)測(cè)定3次，每次4.0 s。

試驗(yàn)首先對(duì)標(biāo)準(zhǔn)系列進(jìn)行檢測(cè)，得到標(biāo)準(zhǔn)系列曲線，再檢測(cè)樣品溶液，從而得到樣品中該元素的濃度。

原子吸收檢測(cè)采用的波長(zhǎng)和其測(cè)定后的回歸方程，試驗(yàn)采用5%的溶液，每組平行測(cè)定三次取平均值進(jìn)行計(jì)算，其結(jié)果可知，配方中三種元素均符合國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)中所規(guī)定的含量，再次驗(yàn)證配方的可行性。

3 結(jié) 語(yǔ)

(1)采用三因素三水平正交試驗(yàn)法得出其影響因素主次關(guān)系為尿素>亞硝酸鈉>氯化鈉，由此得出試驗(yàn)最優(yōu)配方。

(2)試驗(yàn)對(duì)最優(yōu)配方進(jìn)行了緩蝕能力測(cè)試、冰點(diǎn)測(cè)試、pH值測(cè)定、Cr、Cd和Pd的含量測(cè)試。經(jīng)測(cè)試可知，配方不僅融冰能力有所增加，緩蝕能力下降，其他各項(xiàng)也都符合國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)，所以認(rèn)為該配方可行。

(3)試驗(yàn)配方中亞硝酸鈉的加入有效的緩解了融雪劑的腐蝕效果，但亞硝酸鹽可能會(huì)對(duì)環(huán)境和人類的生活有一定的危害，后續(xù)實(shí)驗(yàn)人員會(huì)做深入考察。