在線監(jiān)測可編組移動(dòng)式文物脫鹽裝置及其應(yīng)用

（海上絲綢之路博物館，廣東 陽江 529536）

“南海I號”是環(huán)中國海區(qū)域水下考古重大發(fā)現(xiàn)[1]，其船載貨物以瓷器和金屬（鐵器）為主。其中，船載陶瓷器在海水浸泡的環(huán)境下，內(nèi)部滲透有大量的鹽分，經(jīng)800余年的海水浸泡已達(dá)到飽和平衡狀態(tài)。當(dāng)瓷器打撈離水后，瓷器內(nèi)部鹽分會(huì)因環(huán)境濕度的變化，發(fā)生結(jié)晶—潮解的交替變化[2]，長期作用的結(jié)果會(huì)導(dǎo)致器物釉面和胎體的損壞。所以，脫除陶瓷器內(nèi)部的鹽分，是海洋出水陶瓷器最重要的保護(hù)工作環(huán)節(jié)[3]。

1 陶瓷器脫鹽的主要方法

1.1 去離子水浸泡[4]

利用離子具有由高濃度向低濃度區(qū)擴(kuò)散的物理原理，將含鹽陶瓷器浸泡在去離子水中，陶瓷器內(nèi)部的鹽分會(huì)逐漸溶出進(jìn)入浸泡液，浸泡一定時(shí)間后，隨著浸泡液中鹽分濃度升高，浸泡液鹽分濃度曲線上升變緩時(shí)，排掉浸泡液，更換新的去離子水繼續(xù)浸泡，經(jīng)過多次更換去離子水后，陶瓷器內(nèi)部鹽分逐漸被脫除，達(dá)到長期安全保存的要求。該方案實(shí)施簡便，是最常用的脫鹽辦法，特別適合在發(fā)掘現(xiàn)場條件下應(yīng)用，由于用水量較大，需要配備大型的去離子水制備設(shè)備，以滿足脫鹽用水要求。

1.2 超聲波震蕩脫鹽

頻率高于2萬赫茲以上的聲波震動(dòng)為超聲波，超聲波具有聲能集中、方向性好、穿透能力強(qiáng)的特點(diǎn)。在振幅相同的條件下，物體振動(dòng)的能量與振動(dòng)頻率成正比，超聲波的振幅小、頻率高，因此超聲波與一般聲波相比能量大。超聲波的空化作用，就是當(dāng)超聲波在液體中傳播時(shí)，由于超聲波的“推動(dòng)”，使得液體微粒產(chǎn)生劇烈振動(dòng)，導(dǎo)致液體內(nèi)部產(chǎn)生小空洞。這些小空洞迅速脹大和閉合，會(huì)使液體微粒之間發(fā)生猛烈的撞擊作用，從而產(chǎn)生幾千到上萬個(gè)大氣壓的瞬時(shí)壓強(qiáng)，同時(shí)會(huì)使液體中的空化點(diǎn)溫度陡然升高。

超聲波清洗機(jī)[5]用于陶瓷器的脫鹽，就是利用了超聲波空化作用原理和陶瓷器在高能聲場中的受迫振動(dòng)，將陶瓷器內(nèi)部的鹽分加速溶解、擴(kuò)散進(jìn)入脫鹽浸泡液中[2]。

但是，超聲波是高能量密度的高頻振動(dòng)，對于釉面和胎體有裂隙損傷的陶瓷器存在一定的安全隱患，長時(shí)間的超聲處理，有進(jìn)一步擴(kuò)大陶瓷器釉面和胎體剝離、開片、裂縫擴(kuò)展延伸的風(fēng)險(xiǎn)，使其在瓷器脫鹽的實(shí)施應(yīng)用受到一定的限制。

1.3 電場加速脫鹽

在脫鹽浸泡液中對置兩塊電極，利用正負(fù)離子分別向異性電場遷移的原理，在電場的作用下加速陶瓷器內(nèi)部鹽分的脫離溶出。該方案雖然可以極大地提高文物的脫鹽效率，但是設(shè)備能耗大，并且存在一定的安全隱患。

1.4 加熱加速脫鹽

通過加熱浸泡陶瓷器的去離子水，提高鹽分在水中的溶解度，并加速陶瓷器內(nèi)部鹽分子的滲透析出，提高脫鹽效率，縮短脫鹽浸泡時(shí)間。該方案與電場加速脫鹽相比，脫鹽效率沒有電場加速脫鹽效率高，并且能耗也相對較高，利用大量的熱水脫鹽，脫鹽池中的熱水加速蒸發(fā)到室內(nèi)空間，實(shí)驗(yàn)室的濕度控制也是要考慮解決的問題。

2 脫鹽效果評價(jià)

在陶瓷器脫鹽效果評定上，最直接的方法是對脫鹽的瓷器進(jìn)行采樣分析，由于屬于“有損”檢測，在實(shí)際工作中受到一定程度的限制，這種檢測評定方法通常用于實(shí)驗(yàn)室研究。在實(shí)際工作中，可以通過檢測脫鹽浸泡液氯離子含量的辦法，間接判斷器物的脫鹽效果。不過，由于氯離子檢測設(shè)備和操作程序仍然相對復(fù)雜繁瑣，在陶瓷器脫鹽效果評定實(shí)際應(yīng)用中，最常采用的是測定脫鹽浸泡液電導(dǎo)率來判定器物的脫鹽進(jìn)程。

電導(dǎo)率是以數(shù)字表示的溶液傳送電流的能力，電導(dǎo)率的單位是用西門子每米（S/m）來表示，由于S單位太大，通常采用微西門子每厘米或毫西門子每厘米。液體的電導(dǎo)率在數(shù)值上其實(shí)就是液體電阻率的倒數(shù)，液體的電導(dǎo)率能夠反映出液體中存在的電解質(zhì)濃度，溶液中電解質(zhì)濃度越高，其電導(dǎo)率數(shù)值也就相應(yīng)越大。

例如，陶瓷器脫鹽使用的是電導(dǎo)率為5μS/ cm的去離子水，含鹽的陶瓷器浸泡入水后，浸泡液的電導(dǎo)率會(huì)有一個(gè)較快升高的過程，之后電導(dǎo)率的上升速度逐漸減慢，此時(shí)應(yīng)該排掉浸泡液，更換新的去離子水重新浸泡，經(jīng)過反復(fù)多次浸泡，直至浸泡液電導(dǎo)率不再隨著浸泡脫鹽時(shí)間的延長而持續(xù)大幅升高，此時(shí)可以判定器物已經(jīng)達(dá)到脫鹽保護(hù)的要求。

3 “南海I號”出水陶瓷器脫鹽方案

3.1 脫鹽方法的選擇

脫鹽方案的選擇至少需要考慮的因素應(yīng)該包括實(shí)驗(yàn)場地（位置、面積）、場地水電容量、器物保存狀況、器物前期保護(hù)處理情況等。

3.1.1 實(shí)驗(yàn)場地

根據(jù)博物館建筑規(guī)劃，文物脫鹽實(shí)驗(yàn)室位于博物館辦公區(qū)2樓，3樓為行政辦公區(qū)，1樓為展廳，2樓的實(shí)驗(yàn)室為臨時(shí)性規(guī)劃，未來有可能進(jìn)行調(diào)整?？紤]到當(dāng)前實(shí)驗(yàn)室的位置，實(shí)驗(yàn)設(shè)備工作時(shí)不宜產(chǎn)生過大的噪聲污染，脫鹽設(shè)備應(yīng)便于移動(dòng)，以便于將來實(shí)驗(yàn)室調(diào)整時(shí)，脫鹽設(shè)備方便移出。

3.1.2 場地水電容量

計(jì)劃用于脫鹽的實(shí)驗(yàn)室空間規(guī)格為10 m×8 m，場地面積較??；樓層所在平面原設(shè)計(jì)用途為辦公空間，樓板承重能力有限，查閱原始建筑設(shè)計(jì)資料，樓板最大承重能力為500 kg/m2；不適合安置體積和重量過大的設(shè)備。

3.1.3 器物保存狀況

“南海I號”出水陶瓷器均有不同程度的病害，很多陶瓷器存在釉面開裂（開片）、驚紋、裂縫、釉層剝離等病害（圖1），對陶瓷器釉層、胎體強(qiáng)度有不同程度的影響，如果采用超聲波震蕩脫鹽方案，極有可能造成釉層開裂剝離、驚紋和裂縫的擴(kuò)展等二次損傷，不適合采用超聲波進(jìn)行脫鹽處理。

3.1.4 器物前期保護(hù)處理情況

“南海I號”陶瓷器在發(fā)掘現(xiàn)場提取后，首先清洗去除表面泥沙，再浸泡在脫鹽池中，進(jìn)行初步脫鹽處理，根據(jù)所測的脫鹽浸泡液電導(dǎo)率變化情況，一般經(jīng)過2～3次換水后，將瓷器提出浸泡池自然干燥移入臨時(shí)庫房保存。

3.2 脫鹽方案的確定

針對大部分陶瓷器已經(jīng)過初步脫鹽處理，結(jié)合實(shí)驗(yàn)室區(qū)劃及空間條件、陶瓷器保存狀況等因素，“南海I號”陶瓷器脫鹽方案確定主要采用去離子水循環(huán)浸泡作為首選方案。

去離子水浸泡脫鹽主要設(shè)備為浸泡脫鹽池，浸泡脫鹽池結(jié)構(gòu)簡單，池體規(guī)格設(shè)計(jì)靈活，既可以制作大型脫鹽池，也可以根據(jù)場地情況，制作小型脫鹽池；脫鹽設(shè)備在工作中不產(chǎn)生噪聲（超聲波脫鹽設(shè)備在工作時(shí)會(huì)產(chǎn)生刺耳的噪音）；能源消耗?。唤菝擕}方式處理過程柔和，不會(huì)對瓷器產(chǎn)生二次損傷；通過增加脫鹽水循環(huán)、加熱裝置，改善瓷器內(nèi)部鹽分溶出擴(kuò)散過程，提高脫鹽效率。

3.3 脫鹽設(shè)備的組成及功能

脫鹽設(shè)備由脫鹽槽（池）、控制系統(tǒng)、循環(huán)管路3個(gè)部分組成（圖2）。

3.3.1 脫鹽槽及脫鹽池組

根據(jù)實(shí)驗(yàn)室空間條件及樓板設(shè)計(jì)負(fù)荷，每個(gè)單體脫鹽槽規(guī)格為1 500 mm×800 mm×500 mm（樓板設(shè)計(jì)負(fù)荷500 kg/m2），脫鹽槽底板安裝4個(gè)加重型萬向腳輪（帶剎車功能）方便移動(dòng)，槽底板對角線各有一開口，作為循環(huán)水進(jìn)/出口，并安裝水閥，脫鹽槽上部設(shè)對開式蓋板。每個(gè)脫鹽槽可用水管將其首尾相接串聯(lián)成由多個(gè)脫鹽槽組成的脫鹽池組，這樣就可以根據(jù)場地情況進(jìn)行自由組合。本方案的脫鹽池組由3個(gè)脫鹽槽串聯(lián)而成，脫鹽實(shí)驗(yàn)室可容納3個(gè)脫鹽池組，按照每平方米可放置25件中等規(guī)格的瓷器計(jì)算，每個(gè)脫鹽槽的有效脫鹽面積約1 m2。每個(gè)脫鹽槽分為上下兩層擺放脫鹽瓷器，脫鹽實(shí)驗(yàn)室內(nèi)的整套脫鹽系統(tǒng)一次可對450件瓷器進(jìn)行脫鹽處理（圖3）。

3.3.2 控制系統(tǒng)

控制系統(tǒng)是脫鹽池內(nèi)水循環(huán)控制、過流式紫外線殺菌、電導(dǎo)率監(jiān)測等的自動(dòng)控制裝置，系統(tǒng)由程序控制器、循環(huán)水泵、過流式UV管、電導(dǎo)率記錄儀、數(shù)據(jù)采集電腦組成?？梢酝瓿烧麄€(gè)脫鹽裝置的定時(shí)循環(huán)、定時(shí)紫外線殺菌、自動(dòng)電導(dǎo)率監(jiān)測及實(shí)施同步數(shù)據(jù)記錄等功能（圖4）。

3.3.3 循環(huán)管路

循環(huán)管路提供脫鹽槽內(nèi)去離子水的循環(huán)通路，并可將多個(gè)脫鹽槽串聯(lián)成一組脫鹽池（圖5）。

4 脫鹽設(shè)備的應(yīng)用

目前已利用該套裝置完成了1萬多件陶瓷器的脫鹽處理。隨機(jī)提取5個(gè)批次樣本共計(jì)2 000余件瓷器的脫鹽監(jiān)測數(shù)據(jù)顯示（圖6），瓷器在最初的浸泡時(shí)間段內(nèi)，浸泡液電導(dǎo)率上升較快，之后電導(dǎo)率的上升速度逐漸趨緩，經(jīng)過3次換水后，浸泡液電導(dǎo)率上升曲線逐漸接近平直，在最后一個(gè)浸泡周期內(nèi)，電導(dǎo)率累積上升幅度不超過2μs/cm。通常整個(gè)浸泡脫鹽處理過程需要進(jìn)行3～4次換水，當(dāng)浸泡液電導(dǎo)率不再因浸泡時(shí)間延長而顯著上升時(shí)（上升累積值≤1μs/cm），就可以判定該批器物脫鹽結(jié)束。

5 結(jié)束語

脫鹽實(shí)驗(yàn)室純水機(jī)制備的去離子水出水電導(dǎo)率為5μs/cm，脫鹽浸泡通常更換3～4次去離子水，浸泡處理總周期1～2個(gè)月，最終浸泡液的電導(dǎo)率持續(xù)穩(wěn)定在7μs/cm以下（圖6），不再隨浸泡時(shí)間的延長而顯著上升。通過實(shí)踐應(yīng)用，經(jīng)過該套脫鹽裝置處理的瓷器，在較短的時(shí)間內(nèi)，可以脫除瓷器內(nèi)大部分鹽分，滿足在庫房內(nèi)長期安全保存的要求。