高效環(huán)保復合型氯化鈣鎂鹽融雪劑的制備及性能研究

張躍偉，韓廣文，高宏達，于雪

(1.吉林化工學院 化學與制藥工程學院，吉林 吉林 132022；2.吉林化工學院 科學技術處，吉林 吉林 132022)

使用融雪劑是目前普遍采用的融雪方法，融雪劑可以分為含氯型和非含氯型兩大類[1-2]。含氯型融雪劑會給環(huán)境、道路和車輛帶來很大的危害，還會使土壤鹽堿化，植物生長遭到破壞，同時對人體健康造成危害[3]。目前傳統(tǒng)的環(huán)保型融雪劑主要有CMA、MG-104、尿素等[4]，環(huán)保型融雪劑雖然對金屬、植物及混凝土的腐蝕性相對較小，存在價格昂貴和融雪效率較低等缺點。因此，含氯型融雪劑仍然占主導地位。

本研究以除雪能力強、對公路設施腐蝕性小以及對環(huán)境污染小的氯化鈣鎂鹽為主物料，添加復合型緩蝕劑，進而提高融雪劑的環(huán)保性和融雪性能。

1 實驗部分

1.1 試劑與儀器

無水氯化鈣、無水氯化鎂、磷酸二氫鈉、十二烷基硫酸鈉、鉬酸鈉、硫脲、亞硝酸鈉、尿素、鎢酸鈉均為化學純。

FA2004A分析天平；CHI660E型電化學工作站；BCD-251WBCY冰箱；BHS-4恒溫水浴鍋等。

1.2 融雪劑制備

將CaCl2和MgCl2以摩爾比7∶3混合，用研缽研磨成粉末狀，制成融雪劑，放入干燥器內(nèi)備用。在小燒杯中加入5 g碎冰，放置于(-10±1)℃的冰箱中備用。 將融雪劑均勻散布在碎冰上，然后放到恒溫箱中。每隔1 min收集融化掉的水并測其體積。當冰完全融化時取出燒杯并記錄時間。

1.3 緩蝕劑篩選實驗

通過正交實驗和失重法[5]，篩選出有效的緩蝕劑，進而對其進行優(yōu)化復配設計。采用間浸懸掛失重法，在室溫條件下，將同一規(guī)格鐵釘打磨、沖洗、烘干(24 h)后稱重，精確到0.1 mg。按照正交實驗方案，配制融雪劑溶液(1 g/mL)。將預處理的鐵釘懸掛浸漬到融雪劑溶液中72 h，在大氣中暴露10 h。實驗結束后，將鐵釘浸入到除銹液(0.5%聚磷酸鈉+5%鹽酸)中除盡鐵銹。然后，用蒸餾水洗滌、擦干、晾干，稱重，計算緩蝕率。

η=(ΔG0-ΔG1)/ΔG0

式中 ΔG0——未加緩蝕劑的對照組小鐵釘?shù)馁|(zhì)量差；

ΔG1——加入緩蝕劑的對照組小鐵釘?shù)馁|(zhì)量差。

1.4 電化學測試

電化學測試實驗采用CHI660E 電化學工作站，以N80鋼為工作電極，鉑電極為輔助電極，飽和甘汞電極為參比電極。極化曲線測試掃描電壓范圍為-0.2～-0.5 V，電位掃描速率為 0.5 mV/s[6]。

2 結果與討論

2.1 融雪劑主物料CaCl2和MgCl2復配比例的篩選

融雪劑的主要性能之一是降低冰點作用。作為融雪劑的溶質(zhì)溶于水時，通過降低水的蒸汽壓從而降低溶液的冰點，當冰點低于氣溫時，雪就可以溶化為液態(tài)。因此，選擇降低冰點性能優(yōu)異的氯鹽對制備出融雪效果好的融雪劑十分關鍵。根據(jù)文獻的冰點降低實驗結果[7]，本研究選用CaCl2和MgCl2作為融雪劑的主物料。將CaCl2和MgCl2以9種摩爾比例分別進行混合，制成固體融雪劑[8]。其融雪化冰能力，見表1。

由表1可知，氯化鈣與氯化鎂摩爾比例為7∶3時，融雪劑的融冰效果最好。

表1 不同配比的氯化鈣鎂鹽的融雪化冰效果Table 1 Snow melting effects of magnesium chloride with different ratios

注：①冰塊在-10 ℃冰箱中完全融化所需時間。

2.2 緩蝕劑的篩選[5]

對磷酸二氫鈉、十二烷基硫酸鈉、鉬酸鈉、硫脲、亞硝酸鈉、尿素、鎢酸鈉7種緩蝕劑進行正交復配篩選實驗，因素水平見表2，結果見表3。

表2 因素水平Table 2 Factors and levels

注：A.磷酸二氫鈉；B.十二烷基硫酸鈉；C.鉬酸鈉；D.硫脲；E.亞硝酸鈉；F.尿素；G.鎢酸鈉；單位：mg/L。

表3 L8 (27) 正交實驗結果Table 3 The result of orthogonal experiment(L8 (27))

由表3可知，磷酸二氫鈉、鎢酸鈉、鉬酸鈉3種腐蝕劑對鐵釘?shù)木徫g效果相對最好，硫脲和尿素的緩蝕作用其次，十二烷基硫酸鈉和亞硝酸鈉的緩蝕作用較小。因此，選用磷酸二氫鈉、鎢酸鈉、鉬酸鈉作為三元緩蝕劑的主要成分。

2.3 緩蝕劑配方的優(yōu)化

選擇L9(34)正交表做正交實驗[9-10]，因素水平見表4，結果見表5。

表4 配方選擇因素水平Table 4 Factors and levels of recipe selection

注：A.磷酸二氫鈉；B.鎢酸鈉；C.鉬酸鈉，單位：mg/L。

表5 L9 (34)正交實驗結果Table 5 The result of orthogonal experimental(L9 (34))

由表5可知，最佳緩蝕劑組成為A2B2C2，即磷酸二氫鈉300 mg/L，鎢酸鈉50 mg/L，鉬酸鈉100 mg/L。據(jù)此可以確定以上3個組分的最佳配比為：m(磷酸二氫鈉)∶m(鎢酸鈉)∶m(鉬酸鈉)=6∶1∶2。根據(jù)此配比作驗證實驗，其緩蝕率為92.03%，大于實驗5的緩蝕率(91.1%)。

2.4 電化學測試

圖1為碳鋼電極在3種不同融雪劑溶液(氯化鈉、未加緩蝕劑的氯化鈣鎂鹽、加入緩蝕劑的氯化鈣鎂鹽)中的塔菲爾曲線。

圖1 不同融雪劑的塔菲爾(Tafel)極化曲線圖Fig.1 Tafel polarization curves of different snow melting agents

由圖1可知，碳鋼電極在氯化鈣鎂鹽溶液中的腐蝕電位比在氯化鈉溶液中的腐蝕電位高，當向氯化鈣鎂鹽溶液中加入緩蝕劑后，腐蝕電位進一步提高。說明緩蝕劑的加入，可以有效提高融雪劑的緩蝕率[11-12]，添加緩釋劑的氯化鈣鎂鹽的防腐蝕性能優(yōu)于氯化鈉和氯化鈣鎂鹽，大大提高了融雪劑的防腐蝕作用。

3 結論

氯化鈣鎂鹽融雪劑的最佳配比為氯化鈣與氯化鎂摩爾比為7∶3。緩蝕劑的添加可以大大提高融雪劑的防腐蝕作用。緩蝕劑成分最佳配比為：m(磷酸二氫鈉)∶m(鎢酸鈉)∶m(鉬酸鈉)=6∶1∶2。