利用電石渣生產(chǎn)醋酸鈣融雪劑工藝條件研究

張巨功

（山西省交通科學(xué)研究院，山西 太原 030006）

0 引言

公路積雪結(jié)冰是影響我國北方地區(qū)冬季交通運(yùn)行與安全的重要因素，輕則造成交通中斷，重則引發(fā)交通事故。道路融雪劑具有使用簡便、融雪效果好、價格低廉等優(yōu)點(diǎn)，在高速公路除雪保暢工作中得到了廣泛應(yīng)用[1]。目前最常用的融雪劑是以氯化鈉為代表的氯鹽型融雪劑，由于氯離子的存在，其使用中存在腐蝕道路橋梁、影響植物生長、污染水體、破壞臭氧層等缺點(diǎn)[2]。為了根除氯鹽類融雪劑的危害，國內(nèi)外開展了無氯環(huán)保型融雪劑的研究工作。20世紀(jì)80年代，美國DOT公司首次研究成功CMA（醋酸鈣鎂鹽）環(huán)保型融雪劑，其綠色環(huán)保性得到世界的公認(rèn)，但由于原材料的價格問題,使CMA融雪劑難以進(jìn)行工業(yè)化應(yīng)用和推廣[3]。

電石渣是電石生產(chǎn)乙炔時產(chǎn)生的廢渣，主要成分是 Ca（OH）2，還含有少量 Fe2O3、SiO2、Al2O3等金屬的氧化物、氫氧化物及少量有機(jī)物[4]。電石渣存放不僅占用土地資源，還對土壤、水體造成污染。本工作探討以電石渣為原料制備醋酸鈣融雪劑的方法，系統(tǒng)研究工藝條件對醋酸鈣收率的影響，為電石渣的治理提供參考。

1 實(shí)驗(yàn)

1.1 試劑與設(shè)備

電石渣取自電石生產(chǎn)乙炔現(xiàn)場，組成：Ca（OH）2，89.8% ；MgO，2.8% ；Al2O3，2.4% ；SiO2，3.3% ；其 他 ，1.7%。醋酸為市售化學(xué)試劑。

電子天平（0.1 g）：上海精科天平；恒溫水?。汉幽响柫x；恒溫鼓風(fēng)干燥箱：上海一恒；冰箱：新飛BCD 195 kN。

1.2 中和反應(yīng)及醋酸鈣收率計(jì)算

將電石渣研細(xì)，加入一定量蒸餾水，制成石灰乳，在水浴加熱及攪拌條件下緩慢加入一定濃度的醋酸溶液，一定時間后，停止反應(yīng)。待醋酸鈣溶液冷卻后過濾,濾液移入蒸發(fā)皿中蒸發(fā)濃縮至溶液黏稠,置于干燥箱中于120℃下干燥，得白色粉末狀醋酸鈣。

醋酸鈣收率的計(jì)算方法：

取30 g電石渣，則醋酸鈣理論產(chǎn)量：30 g×89.8%×158/74=57.5 g

醋酸鈣收率：x/57.5，其中“x”為 30 g電石渣生產(chǎn)的醋酸鈣質(zhì)量。

1.3 產(chǎn)品的TG分析與融冰實(shí)驗(yàn)

TG分析采用德國Netzsch Sta 449C熱重分析儀對樣品失重進(jìn)行分析，氣氛N2，升溫速率10℃/min。融冰實(shí)驗(yàn)：取相同質(zhì)量的冰，分別加入相同質(zhì)量的氯化鈉及醋酸鈣融雪劑，觀察融解冰塊所需時間的差別，記錄冰塊融解的時間與相應(yīng)的水量。

2 結(jié)果與討論

2.1 反應(yīng)溫度對醋酸鈣收率的影響

圖1 醋酸鈣收率隨反應(yīng)溫度變化圖

圖1為經(jīng)不同溫度反應(yīng)后醋酸鈣的收率，可以看出，隨著反應(yīng)溫度的升高，醋酸鈣收率呈現(xiàn)出先增加后減小的趨勢，反應(yīng)溫度50℃時醋酸鈣收率達(dá)最大值。50℃為該反應(yīng)的最佳溫度。

2.2 氫氧化鈣∶醋酸摩爾比對醋酸鈣收率的影響

圖2 醋酸鈣收率隨Ca（OH）2∶CH3COOH摩爾比變化圖

氫氧化鈣與醋酸反應(yīng)生成醋酸鈣的理論摩爾為1∶2，在實(shí)際反應(yīng)中需要的酸量往往需要稍過量。考察了氫氧化鈣∶醋酸摩爾比對醋酸鈣收率的影響，結(jié)果見圖2?？梢钥闯?，隨酸量的增加，醋酸鈣收率呈增加的趨勢，氫氧化鈣∶醋酸摩爾比達(dá)到1∶2.9時達(dá)到最大的醋酸鈣收率。

2.3 醋酸濃度對醋酸鈣收率的影響

圖3 醋酸鈣收率隨醋酸濃度變化圖

圖3為醋酸鈣收率隨醋酸濃度變化圖?？梢钥闯觯谒x擇的范圍內(nèi)，醋酸濃度對醋酸鈣收率的影響較小，隨醋酸濃度增加，醋酸鈣收率僅出現(xiàn)微弱的增加。醋酸濃度達(dá)到16 mol/L時，醋酸鈣收率達(dá)到最大值。

2.4 加水量對醋酸鈣收率的影響

圖4 醋酸鈣收率隨加水量變化圖

圖4列出了配制石灰乳時單位電石渣加水量對醋酸鈣收率的影響?？梢钥闯觯铀繉Υ姿徕}收率有較大影響，隨加水量增加醋酸鈣收率顯著增大，到加水量16 mol/g電石渣時醋酸鈣收率達(dá)最大值。繼續(xù)增加水量醋酸鈣收率沒有影響。造成這一現(xiàn)象的可能原因，一方面，水量直接影響石灰乳的流動性，水量少時流動性較差，難以保證氫氧化鈣與醋酸的充分接觸，導(dǎo)致醋酸鈣收率較低；另一方面，水的增加有利于氫氧化鈣的溶解，可以促使更多的氫氧化鈣轉(zhuǎn)變?yōu)榇姿徕}。

基于以上分析可以看出，最佳的反應(yīng)條件為反應(yīng)溫度50℃，氫氧化鈣∶醋酸摩爾比1∶2.9，醋酸濃度16 mol/L，加水量16 mol/g電石渣。在此條件下進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，最高收率可達(dá)96.7%。

2.5 醋酸鈣產(chǎn)品的TG分析

圖5 醋酸鈣產(chǎn)品的TG圖

對制備的醋酸鈣產(chǎn)品進(jìn)行了TG分析，結(jié)果見圖5?？梢钥闯?，在135℃左右的失重歸因于樣品表面殘余水的脫除，375℃與400℃處的失重歸為醋酸鈣失去二氧化碳與水，得到碳酸鈣：

2.6 醋酸鈣產(chǎn)品的融冰實(shí)驗(yàn)

圖6 醋酸鈣、氯化鈉在-4～-8℃時的融冰效果

在-4～-8℃時的融冰效果如圖6。隨著時間的延長，醋酸鈣、氯化鈉融冰出水量均增多，但醋酸鈣比氯化鈉融冰的速度慢，30 mL水凍成的冰，采用氯化鈉融冰大約需4 h全部融化，而醋酸鈣融冰約需5.5 h。證明醋酸鈣具有一定的融冰效果,可以作為替代氯系的融雪劑。

3 結(jié)論

研究了以電石渣為原料生產(chǎn)醋酸鈣融雪劑的工藝條件，得出最佳反應(yīng)條件為反應(yīng)溫度50℃，氫氧化鈣∶醋酸摩爾比1∶2.9，醋酸濃度16 mol/L，加水量16 mol/g電石渣。制備樣品的TG分析表明，得到了純度較高的醋酸鈣產(chǎn)品，融雪實(shí)驗(yàn)顯示該產(chǎn)品相對氯鹽融雪劑，環(huán)保型良好具有很好的融雪效果。