環保型腐殖酸復合融雪劑的研究

洪 巖，朱寶偉，陳 紅

(營口理工學院 化學與材料工程系，遼寧 營口 115014)

融雪劑是一種以降低冰點來融冰除雪的化學混和物。其具有極強的吸水性和遇水易釋放溶解熱的特性。

我國幅員遼闊，北方冬季降雪頻繁而且單次降雪量大，大量降雪給交通帶來極大不便。雪后除雪工作是一個十分重要的問題，直接關系到行車和行人的安全。為了快速、高效的融冰除雪，人們開始使用融雪劑除雪。隨著氯鹽類融雪劑的大量使用，各種環境問題也接連而至。每年因為融雪劑的大量使用而造成城市綠化植物枯死、路面及橋面破壞、金屬受損壞、地下水受污染等現象日益嚴重[1]。最近美國科學家發現，城市噴灑鹽水化雪還會破壞臭氧層[2]。融雪劑可分為氯鹽型和非氯鹽型兩類。氯鹽型融雪劑價格便宜、融雪效果較好。但隨氯鹽型融雪劑的使用，帶來了一些列“鹽害”問題[3-5]。因此，開發一種替代氯鹽型且高效環保、可修復受損土地、腐蝕性低的融雪劑，已成為當今研究的熱點[6-7]。

本實驗將醋酸鹽、泥炭提取物腐殖酸進行了復配，配制出環保融雪劑并對融雪劑的性能進行了測定。

1 實驗部分

1.1 實驗材料與儀器

1.1.1 材料

雪:自取(天然)； 豆種:市售； 鋅片、銅片:市售。

1.1.2 試劑

醋酸鎂、醋酸鉀、醋酸鈣為均為化學純(天津市大茂化學試劑廠) ；普通融雪劑市售；腐殖酸實驗室自制。

2.1.3 儀器

實驗主要儀器： PHS-3B精密pH計(上海虹益儀器儀表有限公司)；JY系列電子分析天平(上海方瑞儀器有限公司)；BCD-192KTJ冰箱(青島海爾股份有限公司)；4530F原子吸收分光光度計(上海儀電分析儀器有限公司)等。

1.2 實驗方法

1.2.1 復配融雪劑制備的方法

1.2.1.1 單因素實驗

采用醋酸鎂、醋酸鉀、醋酸鈣進行了復配研究，并與普通融雪劑進行了融雪比較，具體操作如下：稱取復配的醋酸鹽融雪劑和普通融雪劑→分別放入已稱量雪的小燒杯→至于-20～-25℃的冰箱內→觀察融雪情況→計算融雪速率。

1.2.1.2 正交實驗

設計因素水平表→數據分析→確定較佳融雪條件及各因素影響大小順序→確定最優方案→計算融雪速率。

1.2.2 環保型雪劑制備的方法

稱取1 g最優配方復配融雪劑→加入泥炭腐殖酸→測pH值→根據國標和實際情況選擇加入腐殖酸的量→得到最終產品。

1.3 性能測試

1.3.1 融雪性能測試

分別稱取不同的融雪劑各1 g，放入已稱量雪的小燒杯中，并置于-20～-25℃冰箱內。記錄已稱量的雪質量和融化所需時間，則單位時間內雪融化的速率計算如下，融化速率=雪質量(g)/融化所需時間(min)。

1.3.2 pH值檢測

用標液校準PHS-3B型精密pH計，稱取1g環保型融雪劑，溶解后用PHS-3B型精密pH計測其pH值。

1.3.3 重金屬含量檢測

將配制的環保型融雪劑產品稀釋，采用4530F型原子吸收分光光度計進行檢測，按國家道路除冰雪融雪劑質量標準(GB/T23851-2009)檢測高效環保型融雪劑中汞、鎘、鉻、鉛、砷的含量。

1.3.4 對金屬的腐蝕性試驗

選取銅片、鋅片各兩片，分別放入環保型融雪劑和普通融雪劑中，浸泡48 h后取出，在空氣中放置48 h，稱量腐蝕前后質量并記錄。

1.3.5 對植物生長影響試驗

選取兩個大小規格相同的盤，盤中種植相同數量的豆子。每天在盤中分別澆等量的水和環保型融雪劑溶液，觀察其生長情況。

2 實驗結果與討論

2.1 單因素實驗及結果分析

2.1.1 融雪劑的復配

1)將醋酸鉀和醋酸鎂以1∶9、2∶8、3∶7、4∶6、5∶5、6∶4、7∶3、8∶2、9∶1(g∶g)的比例混合，并與普通融雪劑相比，實驗結果顯示醋酸鉀和醋酸鎂復配的效果好于傳統的融雪劑，當醋酸鉀∶醋酸鎂為7∶3(g∶g)(I)時融雪效果最好。

2)將醋酸鉀和醋酸鈣按1)的方法進行實驗，當醋酸鉀∶醋酸鈣為=9∶1(g∶g)(II)時融雪效果最好。

3)以融雪劑(I)中最佳配比為X和融雪劑(II)中最佳配比為Y，X和Y按10∶0、9∶1、8∶2、7∶3、6∶4、5∶5、4∶6、3∶7、2∶8、1∶9、0∶10(g∶g)的比例混合即為融雪劑III。考查了融雪劑III的融雪效果。

結果顯示：采用醋酸鹽復配的融雪劑融雪速率好于普通融雪劑，在配比為醋酸鉀：醋酸鎂：醋酸鈣為16∶3∶1(g∶g∶g)時融雪速率最快，為0.1417g/min，普通融雪劑為0.1227g/min。

2.2 正交實驗及結果分析

根據2.1的單因素實驗，選用三因素三水平的正交實驗考察三種醋酸鹽的最佳配比，因素水平表見表1，正交實驗結果見表2。

表1 正交因素水平表

表2 正交實驗結果

由表2可以看出，以上三個因素對融雪速率的影響的主次順序依次為A>C>B ，即：醋酸鉀質量 > 醋酸鈣質量 > 醋酸鎂質量。從極差數據分析，得出融雪速率最佳條件A2B2C2，即：醋酸鉀質量17g、醋酸鎂質量4g、醋酸鈣質量2g。

2.3 含泥炭腐殖酸環保型融雪劑的配制

稱取六份最優配比的融雪劑分別置于1～6號小燒杯中，且每份均稱取1g。在1～6號小燒杯中分別加入0.05g、0.07g、0.09g、0.11 g、0.13 g、015 g腐殖酸。測其pH值分別為6.92、6.85、6.54、6.28、6.22、6.02。

根據國家道路除冰雪融雪劑質量標準(GB/T23851-2009)的pH值范圍，并結合營口地區中土地多為鹽堿地，因此選擇環保型融雪劑中腐殖酸的加入量為0.13g。

2.4 環保型融雪劑的性能測試

2.4.1 pH值檢測及結果分析

根據高效環保型融雪劑的制備過程中PHS-3B型精密pH計的檢測結果，可得到pH值范圍為6.0～7.0。符合國家道路除冰雪融雪劑質量標準(GB/T23851-2009)[8]。

2.4.2 對金屬的腐蝕測試實驗及結果分析

選取兩個銅片和兩個鋅片，銅片標記為1、2號，鋅片標記為3、4號。稱重并記錄。稱取兩份環保型融雪劑分別置于1、3號小燒杯，且每份均稱1g。稱取兩份普通融雪劑分別置于2、4號小燒杯，且每份均稱1g。按實驗1.3.4進行，結果如表3。

表3 銅片、鋅片腐蝕前后對比表

通過腐蝕性實驗觀察，由表中數據得出含泥炭腐殖酸環保型融雪劑腐蝕性明顯低于普通融雪劑的腐蝕性。

2.4.3 對植物生長影響實驗及結果分析

按實驗1.3.5進行植物生長分析，觀察含泥炭腐殖酸融雪劑對大豆生長的影響，結果如圖1所示。通過觀察盆中豆種生長情況可以看出含腐殖酸環保型融雪劑對植物生長無不良影響，且生長較快。

3 結論

(1)通過單因素實驗和正交實驗，得出含腐殖酸環保型融雪劑的組成為醋酸鉀、醋酸鎂、醋酸鈣和腐殖酸，其中醋酸鉀、醋酸鎂、醋酸鈣、腐殖酸復配比為17∶4∶2∶3(g∶g∶g∶g)。

(2)分別考察了含腐殖酸環保型融雪劑的融雪性能、pH值等性能指標，結果顯示含腐殖酸環保型融雪劑符合國家道路除冰雪融雪劑質量標準(GB/T23851-2009)；腐殖酸融雪劑pH顯弱酸性對鹽堿地有益對周圍環境沒有損害。