生物完全降解型除冰雪溶液的研究

□□ 李 銘 (天津市住總集團(tuán)有限公司，天津 300300)

引言

在冬季，除冰雪是城市道路、機(jī)場(chǎng)、高速公路以及市政建筑等領(lǐng)域經(jīng)常需要采取的措施，尤其在我國(guó)的北方地區(qū)應(yīng)用更為普遍。我國(guó)目前經(jīng)常使用的除冰雪劑主要分為三大類:氯鹽類(NaCl、CaCl2、MgCl2等)和非氯鹽類(有機(jī)鹽或無(wú)機(jī)鹽、胺、醇等)以及混合型氯鹽類。氯鹽類除冰雪劑除冰效果較好，但對(duì)環(huán)境污染較大，尤其對(duì)橋梁、混凝土路面以及瀝青道面的腐蝕較嚴(yán)重；非氯鹽類除冰雪劑雖對(duì)環(huán)境污染較小，但其融雪除冰效果較差且價(jià)格較高。不論哪一種融雪劑使用過(guò)后產(chǎn)生的廢液體均會(huì)流入到道面附近的土壤之中，使土壤酸堿性失衡，造成植物吸收水分困難，最終植被因生理干旱而亡[1]。同時(shí)除冰液的殘留水濺到汽車(chē)輪胎和金屬上，都會(huì)造成一定的腐蝕現(xiàn)象。

本文采用生物質(zhì)多糖類物質(zhì)作為除冰劑(以下簡(jiǎn)稱“生物基”)，該物質(zhì)來(lái)源于植物和糧食加工的副產(chǎn)物，是一種不含任何有害化學(xué)成分的粘稠溶液，其冰點(diǎn)低(-30～-40 ℃)，無(wú)味無(wú)毒，完全生物降解，對(duì)環(huán)境無(wú)污染，但該物質(zhì)生產(chǎn)成本高，單獨(dú)使用的話，性價(jià)比不高；而醋酸鉀(CH3COOK)是有機(jī)酸鹽，與水溶解性能好，其溶液具有成本低，降冰點(diǎn)效果好，對(duì)周?chē)h(huán)境影響小等優(yōu)點(diǎn)，將其用于改性生物基溶液，制成除冰液，減少對(duì)土壤、道路路面、鋼鐵金屬的腐蝕性，降低對(duì)土壤植物環(huán)境的危害，實(shí)現(xiàn)了在降低成本的同時(shí)，提高了其環(huán)保性。

1 試驗(yàn)部分

1.1 試驗(yàn)儀器與試劑

1.1.1 試驗(yàn)儀器

SWC-Ⅱ型數(shù)字貝克曼溫度計(jì)(南京桑力電子設(shè)備廠)、pH211酸堿度離子測(cè)定儀(上海精密科學(xué)儀器有限公司)、DSY-021 A冰點(diǎn)測(cè)試儀(大連石油儀器有限公司)、摩阻系數(shù)測(cè)試車(chē)(Mμ)。

1.1.2 試劑

蒸餾水：自制。

醋酸鉀(CH3COOK)：干燥品，純度為99.0%～100.5%，工業(yè)優(yōu)級(jí)，市售。

生物基多糖溶液：蘇州綠朗有限公司提供。

1.2 試驗(yàn)方法

1.2.1 配比

分別配制溶液濃度為10%、15%、20%、25%的醋酸鉀溶液，將其與生物基純?nèi)芤喊凑毡?的比例混合配制16種除冰液，配方見(jiàn)表1。

表1 配方及編號(hào)

1.2.2 表征方法

分別測(cè)試16個(gè)配方溶液的pH值、溶解速率和冰點(diǎn)值，選出最佳配方，并對(duì)最佳配方溶液的金屬腐蝕性和摩擦系數(shù)及生物降解性進(jìn)行測(cè)試。

pH值和溶解速率試驗(yàn)是制備同等質(zhì)量的冰塊，在相同條件下觀察測(cè)試。金屬腐蝕試驗(yàn)根據(jù)民航適航標(biāo)準(zhǔn)ASTMF 483—2009《飛機(jī)化學(xué)維護(hù)全浸腐蝕試驗(yàn)常規(guī)標(biāo)準(zhǔn)》進(jìn)行全浸腐蝕試驗(yàn)，24 h后，試件的平均質(zhì)量變化不應(yīng)超過(guò)適航要求。冰點(diǎn)采用DSY-021 A測(cè)試儀進(jìn)行測(cè)試，摩擦系數(shù)使用機(jī)場(chǎng)摩阻系數(shù)測(cè)試車(chē)(Mμ)在規(guī)定的100 m進(jìn)行測(cè)試，生物降解試驗(yàn)委托國(guó)家塑料制品質(zhì)量監(jiān)督檢測(cè)中心檢測(cè)。

2 結(jié)果與討論

2.1 溶解速率

為了更準(zhǔn)確模擬自然凍冰條件，選擇室外溫度條件為-10 ℃左右的環(huán)境下進(jìn)行。制備相同體積質(zhì)量的冰塊放入250 mL的玻璃燒杯內(nèi)，分別倒入同等體積的16種除冰液，觀察其溶解速度，直至全部溶解為止，以秒計(jì)時(shí)(目測(cè))，測(cè)試結(jié)果見(jiàn)表2。試驗(yàn)觀察到冰塊在初期融化較快，隨著時(shí)間延長(zhǎng)，融冰能力慢慢減小。溶解速率最佳的除冰劑為13號(hào)，其次為7、11、10號(hào)，此處產(chǎn)生誤差的原因主要是由于其在容器內(nèi)進(jìn)行，冰塊溶解到一定時(shí)間時(shí)會(huì)浮于液面之上，造成除冰液和冰塊表面不能充分接觸，降低了除冰的速率。

表2 各個(gè)配比的溶解速率

2.2 pH測(cè)定

上述試驗(yàn)結(jié)束后，對(duì)融冰前和融冰后16種配方的融冰液做pH值測(cè)試，結(jié)果見(jiàn)表3，從中發(fā)現(xiàn)，融冰前后溶液的pH值均在8～9范圍，符合我國(guó)道路除冰融雪劑標(biāo)準(zhǔn)GB/T 23851—2009《道路除冰融雪劑》中融雪劑的pH在6～10的要求[2]。

表3 不同配比除冰液在融冰前后的pH變化

2.3 冰點(diǎn)值

除冰液冰點(diǎn)越低，可以確保其在較低的溫度環(huán)境下除冰雪而不結(jié)冰。各配方除冰液的冰點(diǎn)見(jiàn)表4。從表4的試驗(yàn)數(shù)據(jù)看，醋酸鉀溶液濃度增加，生物基溶液的質(zhì)量比例增加，除冰液冰點(diǎn)降低，可見(jiàn)這兩個(gè)因素對(duì)冰點(diǎn)的影響均是顯著的。從表4中看出，冰點(diǎn)最低的是13號(hào)，其次為7、11、10號(hào)。為了更好地保護(hù)環(huán)境，適量控制醋酸鉀溶液的比例，在控制成本的前提下盡可能提高生物基溶液的含量，可達(dá)到成本低、除冰雪效果好的雙重效果。

表4 各個(gè)配方的冰點(diǎn)溫度

2.4 腐蝕性

選取最佳配方13號(hào)，采用以下試件分別進(jìn)行試驗(yàn)，測(cè)試其腐蝕性。

所用試件：a為AMS 4037鋁合金，按照AMS2470陽(yáng)極化處理(2024-T3無(wú)包覆層鋁合金，并按MIL-A-8625I型進(jìn)行陽(yáng)極化處理)；b為AMS 4911或MAM4911鈦合金(6AI-4 V鈦合金)；c為AMS 47376鎂合金，按AMS2475重鉻酸鹽處理(AZ31B無(wú)包覆層鎂合金)；d為符合MIL-S-18729的4130鋼；e為AMS 4049鋁合金(7075-T6有包覆層鋁合金)。

試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表5，從表中數(shù)據(jù)來(lái)看，其結(jié)果均符合民用航空的適航標(biāo)準(zhǔn)。

表5 金屬腐蝕失重

2.5 摩擦系數(shù)

選取最佳配方13號(hào)，利用機(jī)場(chǎng)的摩阻系數(shù)測(cè)試車(chē)(Mμ)在規(guī)定的100 m進(jìn)行測(cè)試，測(cè)得摩擦系數(shù)值(Mμ)為0.89，高于機(jī)場(chǎng)跑道對(duì)摩擦系數(shù)0.54的要求。

2.6 生物降解性能

選取最佳配方13號(hào)，委托國(guó)家塑料制品質(zhì)量監(jiān)督檢測(cè)中心檢測(cè)，受堆肥條件下材料最終需氧生物分解和崩解能力的測(cè)定。依據(jù)標(biāo)準(zhǔn)：GB/T 19276.1—2003《水性培養(yǎng)液中材料最終需氧生物分解能力的測(cè)定采用測(cè)定密閉呼吸計(jì)中需氧量的方法》。參比樣品材料性質(zhì)是纖維素，采用堆肥狀態(tài)的腐熟方法，其結(jié)果見(jiàn)表6。

表6 生物降解性能

3 結(jié)論

3.1 生物質(zhì)多糖類物質(zhì)與醋酸鉀具有很好的相容性，能夠達(dá)到降低冰點(diǎn)的效果，其pH值、摩擦系數(shù)值符合除冰融雪劑國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)，除冰雪效果好，且生物完全降解，從環(huán)保角度來(lái)看，有較好的前景。

3.2 根據(jù)各類不同行業(yè)與場(chǎng)所要求指標(biāo)，配制不同比例的融冰劑，既達(dá)到除冰雪的要求又可以使產(chǎn)品的價(jià)格控制在可接受范圍內(nèi)，便于推廣應(yīng)用。