復(fù)合型環(huán)保融冰雪劑的制備及性能研究

王鴻運(yùn)，吳紅梅，鄭婉婷，王琦，信宇新，姜萌萌

（遼寧工業(yè)大學(xué)化學(xué)與環(huán)境工程學(xué)院，遼寧錦州 121001）

本文主要研究復(fù)合型融冰雪劑的制備條件，使其既環(huán)保又具有較高融雪能力，為其進(jìn)一步推廣應(yīng)用奠定基礎(chǔ)。

1 實(shí)驗(yàn)

1.1 原料和儀器

乙酸鈉（分析純，天津市光復(fù)精細(xì)化工研究所）；苯甲酸鈉（分析純，天津市光復(fù)精細(xì)化工研究所）；乙酸鈣（分析純，天津市光復(fù)科技發(fā)展有限公司）；蒸餾水（自制）。

恒溫水浴鍋（DZKW-D-2，金壇市榮華儀器制造有限公司）；增力電動(dòng)攪拌器（JJ-1，金壇市榮華儀器制造有限公司）；酸度計(jì)（PHS-25，哈爾濱東聯(lián)電子技術(shù)有限公司）； 數(shù)控超聲波清洗器（KH3200E，昆山禾創(chuàng)超聲儀器有限公司）；電熱鼓風(fēng)干燥箱（XRD-HR760IN，哈爾濱東聯(lián)電子技術(shù)有限公司）。

1.2 融冰雪劑的制備

稱取一定量的乙酸鈉、 乙酸鈣和苯甲酸鈉（緩蝕劑）放入燒杯中，再加入150 mL 蒸餾水使其全部溶解，在加熱條件下進(jìn)行反應(yīng)，反應(yīng)結(jié)束后蒸干溶液，最后將得到的固體用研缽研磨成粉末狀，放入干燥箱中干燥，得到復(fù)合型融冰雪劑。

1.3 融冰雪效率的計(jì)算

本實(shí)驗(yàn)采用與氯化鈉相對(duì)比的融冰能力來測(cè)試復(fù)合型融冰雪劑的融雪化冰能力，計(jì)算公式如下：

式中：m1:未加入融冰雪劑時(shí)燒杯和冰塊的質(zhì)量；

m2:加入融冰雪劑后燒杯和剩余冰塊的質(zhì)量；M1:未加入氯化鈉時(shí)燒杯和冰塊的質(zhì)量；

M2:加入氯化鈉后燒杯和剩余冰塊的質(zhì)量。

2 結(jié)果與討論

2.1 融冰雪劑原料的確定

常見融冰雪劑性能對(duì)比見表1。

從表1 可知：氯化鈉降低冰點(diǎn)的效果最好，但是對(duì)基礎(chǔ)設(shè)施、植被和水質(zhì)具有破壞作用；乙酸鈉冰點(diǎn)降低值僅比傳統(tǒng)氯鹽融冰雪劑稍低，且其不含氯離子，對(duì)混凝土和碳鋼的腐蝕性小，對(duì)周圍植被的影響較小；乙酸鈣中既不含有氯離子也不含有鈉離子， 而且能夠一定程度地降低冰點(diǎn)。因此，本文主要研究以乙酸鈉和乙酸鈣為主要原料利用復(fù)合技術(shù)制備融冰雪劑，并且添加少量緩蝕劑苯甲酸鈉降低其腐蝕性。

表1 常見融冰雪劑性能與影響評(píng)價(jià)表

2.2 乙酸鈉用量對(duì)融冰雪劑融冰效率的影響

在其它原料一定的條件下，稱取含乙酸鈉2.0g、4.0 g、6.0 g、8.0 g、10.0 g 的融冰雪劑各2.0 g 進(jìn)行融冰效率測(cè)試， 結(jié)果如圖1 所示。 從圖1 中可以看出：5 種融冰雪劑相對(duì)融冰效率在一定范圍內(nèi)，隨著自制融冰雪劑中乙酸鈉質(zhì)量的增加而增加。 當(dāng)乙酸鈉質(zhì)量達(dá)到6 g、8 g、10 g 時(shí)，該融冰雪劑的相對(duì)融冰能力變化不大。 這是由于乙酸鈉的含量影響著融冰雪劑的冰點(diǎn)，含量越高，制備的融冰雪劑冰點(diǎn)值越低，從而融冰雪效果越好，但當(dāng)達(dá)到一定值時(shí)，乙酸鈉用量對(duì)融冰雪劑冰點(diǎn)降低達(dá)到了極限，繼續(xù)增加乙酸鈉的用量對(duì)融冰雪效果影響不大， 故乙酸鈉的質(zhì)量選取范圍為4 ～8 g（68.9%～84.1%）。

圖1 乙酸鈉用量對(duì)融冰雪劑融冰效率的影響

2.3 乙酸鈣用量對(duì)融冰雪劑融冰效率的影響

分 別 稱 取 含 乙 酸 鈣2.0 g、4.0 g、6.0 g、8.0 g、10.0 g 的融冰雪劑各2.0 g， 測(cè)量自制融冰雪劑的融冰效率，結(jié)果如圖2 所示。從圖2 中可以看出：5種融冰雪劑的相對(duì)融冰能力在一定范圍內(nèi)，隨著自制融冰雪劑中乙酸鈣質(zhì)量的增加而增加。 當(dāng)融冰雪劑中乙酸鈣的質(zhì)量達(dá)到10 g 時(shí)，該融冰雪劑的相對(duì)融冰效率與乙酸鈣質(zhì)量為8 g 時(shí)的相似，這是由于相同質(zhì)量融冰雪劑中乙酸鈣的含量增加，溶解后水中的離子濃度增大，飽和蒸氣壓下降，溶劑的凝固點(diǎn)會(huì)降低，因而融冰雪劑的融冰效果增強(qiáng)。 當(dāng)乙酸鈣的用量達(dá)到一定程度后，融冰雪劑中乙酸鈣的含量達(dá)到飽和，溶解后水中離子濃度變化不大，故隨著乙酸鈣質(zhì)量的增加相對(duì)融冰效率基本沒有變化。 即乙酸鈣含量越高，冰點(diǎn)值越低，融冰雪效果越好。 但當(dāng)乙酸鈣的用量達(dá)到8 g 左右時(shí)， 乙酸鈣的用量對(duì)融冰雪劑冰點(diǎn)降低程度變化不大，因此，乙酸鈣的質(zhì)量選取范圍為6～10 g（84.6%～92.3%）。

圖2 乙酸鈣用量對(duì)融冰雪劑融冰能力的影響

2.4 緩蝕劑苯甲酸鈉用量對(duì)融冰雪劑融冰效率的影響

為了降低復(fù)合融冰雪劑的腐蝕性，在復(fù)合過程中加入了緩蝕劑苯甲酸鈉。 緩蝕劑的作用原理為：在金屬表面形成一層薄的氧化膜，將金屬與腐蝕介質(zhì)隔離開來， 從而抑制金屬離子化過程，使金屬電極電位達(dá)到鈍化電位。

稱取含苯甲酸鈉0.5 g、1.0 g、1.5 g、2.0 g、2.5 g的融冰雪劑進(jìn)行融冰效率測(cè)試， 結(jié)果如圖3 所示。 從圖3 中可以看出： 各組融冰雪劑融冰能力基本差不多，說明苯甲酸鈉用量對(duì)融冰雪劑的融冰能力影響并不顯著，可以適當(dāng)?shù)厥褂谩?接下來通過測(cè)量24 h、48 h、72 h、96 h、120 h 內(nèi)自制融冰雪劑對(duì)鐵釘?shù)母g量來確定苯甲酸鈉的用量，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如表2 所示。 從表2 中可知： 在一定范圍內(nèi)， 隨著自制融冰雪劑中苯甲酸鈉用量的增加，自制融冰雪劑對(duì)鐵釘?shù)母g性降低，當(dāng)苯甲酸鈉用量達(dá)到1.5 g 以后，自制融冰雪劑對(duì)鐵釘?shù)母g量基本相同，這是由于苯甲酸鈉作為一種陽離子型緩蝕劑，隨著苯甲酸鈉用量的增加，氧化作用增強(qiáng)， 金屬的電極電位逐漸接近于鈍化電位，對(duì)金屬的腐蝕量逐漸減小， 當(dāng)達(dá)到一定值以后，金屬電極電位達(dá)到鈍化電位，因而苯甲酸鈉用量增加鐵釘腐蝕量基本沒有變化，因此，苯甲酸鈉用量為1.5 g 最為適宜。

圖3 苯甲酸鈉用量對(duì)融冰雪劑融冰效率的影響

表2 不同苯甲酸鈉含量的自制融冰雪劑腐蝕性測(cè)試

2.5 制備溫度對(duì)融冰雪劑融冰效率的影響

稱取在50℃、60℃、70℃、80℃和90℃溫度下制備的融冰雪劑各2.0g 進(jìn)行融冰效率測(cè)試， 結(jié)果如圖4 所示。從圖4 中可知：當(dāng)制備溫度在50～70℃之間時(shí)，自制融冰雪劑的相對(duì)融冰能力隨著溫度的升高而變大，在70℃時(shí)自制融冰雪劑的相對(duì)融冰能力最好；當(dāng)制備溫度大于70 ℃時(shí)，自制融冰雪劑的相對(duì)融冰能力隨著溫度的升高而略有減小，這是由于溫度升高促進(jìn)了反應(yīng)的進(jìn)行，因此隨著溫度的升高，融冰雪劑融冰效率增大。 但當(dāng)溫度達(dá)到70 ℃以后，溫度過高，導(dǎo)致生成物發(fā)生分解，繼而隨著溫度的升高，融冰雪劑的融冰效率降低。 由此，制備融冰雪劑的溫度范圍可為60～80℃。

圖4 制備溫度對(duì)融冰雪劑融冰效率的影響

2.6 正交試驗(yàn)

根據(jù)單因素實(shí)驗(yàn)結(jié)果，選擇影響較大的三個(gè)因素做正交試驗(yàn)，確定最佳工藝條件，由于乙酸鈉的質(zhì)量選取范圍為4～8 g，乙酸鈣的質(zhì)量選取范圍為6～10 g，反應(yīng)溫度選擇60～80℃，所以設(shè)定正交試驗(yàn)的因素水平表見表3，選擇L9(33)正交表，將選擇的因素水平列入L9(33)正交表中，最后結(jié)果如表4 所示，按正交實(shí)驗(yàn)表L9(33)中所對(duì)應(yīng)的條件制備融冰雪劑后，分別測(cè)定L9(33)正交表中各試驗(yàn)編號(hào)所對(duì)應(yīng)的融冰雪劑的融冰量，同時(shí)測(cè)定相同質(zhì)量氯化鈉的融冰量，計(jì)算出自制融冰雪劑的相對(duì)融冰效率填入表4 中。

表3 配方選擇因素水平表

表4 L9(33)正交試驗(yàn)結(jié)果

從表4 可以看出：A 因素（乙酸鈉質(zhì)量）中A2水平的平均百分?jǐn)?shù)比A1水平和A3水平要高；B因素（乙酸鈣質(zhì)量）中B3水平的平均百分?jǐn)?shù)比B1水平和B2水平要高；C 因素（制備溫度）中C2水平的平均百分?jǐn)?shù)比C1水平和C3水平要高； 各因素的各水平之間的極差值R 大小，可以確定哪個(gè)因素是主要的，R 大時(shí)它便是主要因素，R 小時(shí)它便是次要因素。 因此，影響因素的次序是：B>A>C，加上所得各因素的最好水平， 最后得出的最優(yōu)化工藝方案為：B3A2C2，即：乙酸鈣質(zhì)量10 g、乙酸鈉質(zhì)量6 g、制備溫度70 ℃，加上之前單因素考察實(shí)驗(yàn)結(jié)果得到復(fù)合融冰雪劑的最優(yōu)工藝條件為乙酸鈣質(zhì)量10 g、乙酸鈉質(zhì)量6 g、制備溫度70 ℃、苯甲酸鈉1.5g。 根據(jù)最優(yōu)工藝條件制備融冰雪劑進(jìn)行融冰能力占氯化鈉融冰能力的98.14%，符合國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)。

3 結(jié)論

本文以乙酸鈉和乙酸鈣為主要原料，再添加一定量的苯甲酸鈉制備了復(fù)合型環(huán)保融冰雪劑，通過正交試驗(yàn)，得到復(fù)合型融雪劑制備的最佳工藝條件為：乙酸鈣質(zhì)量10 g、乙酸鈉質(zhì)量6 g、制備溫度70 ℃、苯甲酸鈉1.5 g，融冰能力占氯化鈉融冰能力的98.14%。