融雪劑的研究進(jìn)展及發(fā)展方向

崔禹晴，呂 丹，王 威

(沈陽(yáng)工業(yè)大學(xué)環(huán)境與化學(xué)工程學(xué)院，遼寧 沈陽(yáng) 110870)

在我國(guó)的北方(東三省及華北地區(qū))寒冬季節(jié)時(shí)，總會(huì)出現(xiàn)因下雪而引發(fā)路面積雪的問(wèn)題，隨著積雪不斷增加，這會(huì)使人們的日常生活不方便，并且極易引發(fā)交通事故，所以解決道路積雪問(wèn)題迫在眉睫。為解決公路積雪問(wèn)題，融雪方法大致分為三類(lèi)：人工除雪，機(jī)械除雪和融雪劑。人工除雪需要以大量的人力為基礎(chǔ)，對(duì)于城市面積大和公路寬闊的道路來(lái)說(shuō)，人力除雪效率很低且對(duì)于多次被車(chē)輛碾壓過(guò)的積雪，只通過(guò)人力除雪明顯是不適用的。機(jī)械除雪主要通過(guò)利用機(jī)械器具對(duì)冰雪作用以此達(dá)到除雪作用，但國(guó)內(nèi)的機(jī)械除雪器具沒(méi)有得到廣泛使用。融雪劑除雪是一把雙刃劍，它使用相對(duì)簡(jiǎn)單，除雪效果較好，效率高，但其化學(xué)成分對(duì)生態(tài)環(huán)境產(chǎn)生危害作用，尤其是會(huì)對(duì)水泥混凝土材質(zhì)的構(gòu)件產(chǎn)生嚴(yán)重腐蝕，對(duì)道路和生態(tài)環(huán)境破壞性較強(qiáng)，因此解決融雪劑污染腐蝕問(wèn)題至關(guān)重要。

1 融雪劑的開(kāi)發(fā)與進(jìn)展

1.1 傳統(tǒng)型融雪劑的開(kāi)發(fā)與進(jìn)展

我國(guó)最早使用單一食用鹽消融冰雪，后來(lái)結(jié)合尿素生產(chǎn)氯化鈉型融雪劑。其原理降低冰雪的結(jié)冰點(diǎn)并使其加速融化。這些融雪劑價(jià)格低廉，易得；雖然能快速解決積雪問(wèn)題，但是會(huì)帶來(lái)許多負(fù)面效應(yīng)及融化條件限制。

(1)化學(xué)侵蝕

氯化鈉融雪后形成的氯離子伴隨融化的雪水進(jìn)入混凝土中，融雪劑中的氯鹽會(huì)和混凝土中的Ca(OH)2產(chǎn)生化學(xué)反應(yīng)并生成CaCl2，CaCl2可溶于水，當(dāng)CaCl2溶解于水中時(shí)會(huì)使混凝土強(qiáng)度降低，從而造成橋梁、路面高度降低，使用壽命縮短。此外CaCl2還會(huì)與水泥漿中的C3A發(fā)生化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)生重鹽，在混凝土內(nèi)部產(chǎn)生膨脹作用，導(dǎo)致混凝土破壞。并且生成的重鹽具有腐蝕性，會(huì)對(duì)路面起負(fù)面作用，如可導(dǎo)致水泥路面起皮、造成公路兩邊土壤鹽度加大等。

(2)負(fù)影響

融雪劑在融雪后的雪水會(huì)流進(jìn)到地下河道，地下水最終匯入河流，人和動(dòng)物飲用被污染的水會(huì)使身體各項(xiàng)機(jī)能衰退；被污染的水如果被灌溉在土地，果樹(shù)或者農(nóng)作物都會(huì)被污染，當(dāng)這些被污染的植物和水被人或動(dòng)物食用后，會(huì)導(dǎo)致機(jī)體各項(xiàng)機(jī)能衰退。此外，融雪劑還會(huì)對(duì)呼吸道產(chǎn)生不良作用。據(jù)有關(guān)數(shù)據(jù)表明，自從東北下雪以來(lái)尤其是在大量施用融雪劑除雪后，由于融雪劑會(huì)產(chǎn)生飛塵污染，導(dǎo)致上呼吸道感染的患者明顯增加。

(3)破壞臭氧層

早期的融雪劑主要成分是日常生活中常見(jiàn)的食用鹽即氯化鈉，所以人們常常用噴灑鹽水的方式來(lái)融化冰雪，但是水滴中含有的物質(zhì)如溴和氯，它們與雪混合后，等到氣溫升高積雪融化后，這兩種物質(zhì)以氣體形式被釋放出來(lái)，隨著它們的上升破壞了最接近地球表面的一層大氣俗稱(chēng)對(duì)流層，同時(shí)也造成了對(duì)臭氧層的損耗。

(4)使用環(huán)境限制

氯化鈉的使用冰點(diǎn)>-22 ℃，尿素其環(huán)境使用要求>-10 ℃。但是在我國(guó)北方地區(qū)的12月份，最低溫度可達(dá)-50 ℃，使用溫度的限制往往會(huì)導(dǎo)致除雪效果差。

(5)破壞生態(tài)環(huán)境

雖然尿素的腐蝕性相比其他物質(zhì)小，但隨著排入生態(tài)環(huán)境后，其中大量的氮、磷兩種元素會(huì)導(dǎo)致出現(xiàn)水質(zhì)富營(yíng)養(yǎng)化的現(xiàn)象，如果尿素大量流入池塘?xí)鹪孱?lèi)等水生植物大量繁殖從而導(dǎo)致水中含氧量下降。

1.2 改進(jìn)型型融雪劑的開(kāi)發(fā)與進(jìn)展

改進(jìn)型的融雪劑材料主要為：氯化鈣、氯化鎂或它們與氯化鈉的復(fù)合物。氯化鈣的潮解性比氯化鈉大，冰點(diǎn)低為 -54 ℃，且速效性比氯化鎂好；氯化鎂潮解性大，使用冰點(diǎn)為-32 ℃，速效性比氯化鈉好，但低溫易出現(xiàn)再結(jié)冰；氯化鈉、氯化鎂復(fù)合型融雪劑潮解性小，融雪持久性強(qiáng)，對(duì)環(huán)境腐蝕較小，但價(jià)格略高。為了降低其腐蝕污染等危害作用，在融雪劑中加入緩蝕劑是解決腐蝕危害問(wèn)題的一項(xiàng)有效措施。我們?nèi)粘Ｉ钪薪?jīng)常使用的典型緩蝕劑主要有磷酸鹽、焦磷酸鹽、亞硝酸鹽、硅酸鈉等。郭金禹等[1]為了減少氯化鈣融雪劑對(duì)碳鋼和混凝土的腐蝕危害，研究出了高效的復(fù)配緩蝕劑組方。實(shí)驗(yàn)原料為CaCl2含量91.33%與NaCl含量1.98%的純堿廢液，其次將20%的氯化鈣溶液作為腐蝕介質(zhì)，采用室溫靜態(tài)失重間浸懸掛法，研究單組份緩蝕劑的緩蝕效果，篩選出高效的緩蝕劑，并進(jìn)行最優(yōu)化選擇。實(shí)驗(yàn)表明最佳的復(fù)配組方為磷酸二氫鋅、鎢酸鈉、硫脲和十二烷基苯磺酸鈉的濃度成分是70 mg/L， 150 mg/L，120 mg/L和150 mg/L，可起到明顯的緩蝕作用。添加緩蝕劑的融雪劑融冰融雪能力不僅與氯化鈣相當(dāng)，而且其對(duì)碳鋼的腐蝕效果可減少90%以上，甚至不會(huì)腐蝕混凝土材料的公路，是融雪化冰能力較高、腐蝕效果較低的緩蝕型融雪劑。

除此之外甘油也是一種很好的緩蝕劑。甘油，化學(xué)名為丙三醇，其分子中的非極性基因遠(yuǎn)離金屬表面作定向排布，形成一層疏水性好的薄膜，可產(chǎn)生覆蓋效應(yīng)，從而達(dá)到降低腐蝕的目的。甘油也可以任何比例與水相混合，其在水中的濃度不同，添加不同比例甘油的水溶液的冰點(diǎn)也不同。例如當(dāng)甘油含量為66.7%時(shí)，水溶液的冰點(diǎn)最低，為-46.5 ℃。由于甘油的這一特性，所以具有在氯鹽型融雪劑中降低冰點(diǎn)的本領(lǐng)，提高融雪劑的融雪化冰能力。不同甘油添加量下對(duì)碳鋼產(chǎn)生腐蝕作用也不相同，通過(guò)實(shí)驗(yàn)，可以確定防腐蝕效果最佳甘油添加量為1.0%，融冰融雪能力隨著融雪劑中甘油添加量的增加而增大。甘油在氯鹽型融雪劑中緩蝕效果較好，具有無(wú)毒無(wú)害、價(jià)格低廉、制取工藝簡(jiǎn)單等優(yōu)點(diǎn)，同時(shí)又具有能降低溶液冰點(diǎn)，提高融雪化冰能力的特點(diǎn)。鑒于甘油具有上述在融雪劑中的優(yōu)越性能，可以作為氯鹽型融雪劑中的又一新型高效緩蝕添加劑。加入緩蝕劑后可以有效的保護(hù)鋼鐵，道路。對(duì)融雪劑的發(fā)展有著十分重要的意義。

1.3 非氯復(fù)合型融雪劑的開(kāi)發(fā)與進(jìn)展

1.3.1 復(fù)合型CMA類(lèi)融雪劑的開(kāi)發(fā)

許英梅等[2]為了減少氯元素對(duì)植物及建筑的危害，由生物質(zhì)氣化、干餾產(chǎn)生的廢液即木醋液為主要原料制備了價(jià)廉CMA類(lèi)融雪劑，實(shí)驗(yàn)通過(guò)白云石粉與生物廢液反應(yīng)、脫色、過(guò)濾等過(guò)程，尋找出了其中主要發(fā)揮作用的成分是含量較大的乙酸，并找到了較理想的脫色方法，這種變廢為寶的新型研究也是對(duì)現(xiàn)有資源的有效利用。

趙音延等[3]為了對(duì)生物質(zhì)資源的有效利用采用醋酸廢水及其稀溶液，利用三種不同的溶劑作為萃取劑，將醋酸富集于萃取劑相，再用鈣鎂氧化物作為反萃取劑，反萃取生成了CMA，對(duì)此進(jìn)行了負(fù)荷醋酸有機(jī)相反萃取性能的研究。系統(tǒng)地表明了采用醋酸稀溶液通過(guò)化學(xué)反萃取生成CMA技術(shù)可行性，并得出生產(chǎn)中應(yīng)保持反萃液中最佳的鈣鎂比例應(yīng)注意起始的鈣鎂含量。除此之外，使用氧化鎂催化臭氧化降解脫色木醋液轉(zhuǎn)化液幫助木醋液脫色[4]，可幫助生產(chǎn)環(huán)保融雪劑。

趙國(guó)明等[5]利用糠醛廢水，加入白云石等材料先對(duì)其進(jìn)行中和，其次進(jìn)入雙效蒸發(fā)系統(tǒng)得到濃縮液，最后進(jìn)行提純凈化工藝：將制得的濃縮液移入反應(yīng)釜中，同時(shí)加入活性炭，并對(duì)其進(jìn)行加熱、攪拌，吸附出來(lái)的液體經(jīng)離心機(jī)過(guò)濾，再經(jīng)液體噴霧干燥后得成品CMA。數(shù)據(jù)表明：當(dāng)活性炭的使用量占液體質(zhì)量的10%，吸附時(shí)間為30 min，吸附次數(shù)為6次。這樣得到的CMA的產(chǎn)量最高，純度可92%以上。此方法不僅解決了糠醛生產(chǎn)廢水無(wú)法處理的環(huán)保問(wèn)題，同時(shí)又為CMA類(lèi)融雪劑提供了一個(gè)新的價(jià)格低廉的生產(chǎn)途徑。

1.3.2 其他環(huán)保型融雪劑的開(kāi)發(fā)

林永波等[6]采用氯化鈣為主要原料，添加對(duì)金屬防腐蝕較好的安息香酸鈉、一種對(duì)植物生長(zhǎng)有益的植物生長(zhǎng)調(diào)節(jié)劑——甲酸鈣，并用酚酞做指示劑制備固體顯色型環(huán)保融雪劑并對(duì)其顯色性能、融冰融雪性能、對(duì)金屬腐蝕性、對(duì)植物危害性等綜合性能進(jìn)行試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果表明：顯色環(huán)保型融雪劑使用量在 20 g以下時(shí)，融冰融雪能力隨著融冰時(shí)間的增加而增加，在反應(yīng)80 min后，其隨著時(shí)間的增加而降低。研究制備顯色融雪劑可減少路面腐蝕、植物損害，同時(shí)可通過(guò)融雪劑顏色變化控制顯色融雪劑的用量，節(jié)約成本。

王東等[7]為了解決傳統(tǒng)除雪技術(shù)的滯后性和低效性等問(wèn)題，研發(fā)了一種環(huán)保型融雪劑(ZRX).實(shí)驗(yàn)表明：融雪瀝青混合料的穩(wěn)定度較低，受壓達(dá)到破壞點(diǎn)的垂直變形量偏大即流值偏大，但依然能夠滿(mǎn)足標(biāo)準(zhǔn)要求; ZRX在混合料中前48 h的鹽分析出速率最快，且在加速試驗(yàn)中能持續(xù)析出;在持續(xù)大雪條件下ZRX試件的融雪化冰能力有待提升，但在中雪條件下融冰融雪效果明顯，所以建議添加融雪瀝青混合料的環(huán)保型融雪劑(ZRX)使用環(huán)境最佳為小雪到中雪。

欒國(guó)顏等[8]以工業(yè)醋酸廢液和玉米秸稈燃燒后的秸稈灰為原料制備了主要成分為醋酸鉀的環(huán)保型融雪劑。此醋酸鉀類(lèi)融雪劑不僅比CMA類(lèi)融雪劑價(jià)格低廉，并且在融雪速率、pH值、對(duì)碳鋼和混凝土的腐蝕效果優(yōu)于CMA類(lèi)融雪劑。此實(shí)驗(yàn)不僅有效利用了工業(yè)生產(chǎn)中的廢水，而且還利用了日常生活中的廢渣，達(dá)到了資源的有效利用的同時(shí)，還為低成本、工業(yè)化生產(chǎn)環(huán)保型融雪劑提供了有力的理論數(shù)據(jù)。

2 未來(lái)融雪劑發(fā)展方向

2.1 研究有機(jī)融雪劑

傳統(tǒng)型和改進(jìn)融雪劑主要以氯化物為主原料，但其腐蝕性強(qiáng)，且對(duì)環(huán)境污染嚴(yán)重，所以應(yīng)拓寬非氯化合物融雪劑的研究市場(chǎng)。20 世紀(jì)90年代末，我國(guó)開(kāi)始逐漸重視對(duì)非氯型融雪劑產(chǎn)品的研究，主要是針對(duì)有機(jī)酸鹽類(lèi)融雪劑如醋酸鈉復(fù)合融雪劑的制備等。隨著科學(xué)的進(jìn)步和社會(huì)的發(fā)展，對(duì)融雪劑新的規(guī)范要求應(yīng)是對(duì)公共設(shè)施基本無(wú)腐蝕，對(duì)生態(tài)環(huán)境基本無(wú)污染，對(duì)人體基本無(wú)損害，并且能廣泛應(yīng)用的。因此，從源頭上，研發(fā)出低成本且高效環(huán)保的融雪劑就成為目前生活中迫在眉睫的重大課題。在資源上，可以利用工業(yè)廢水廢液廢物結(jié)合過(guò)濾技術(shù)生產(chǎn)出有機(jī)融雪劑。隨著科技的發(fā)達(dá)，人們已經(jīng)運(yùn)用糠醛廢水、木醋酸廢液、垃圾廢物生產(chǎn)出無(wú)氯環(huán)保融雪劑。

2.2 政府嚴(yán)格把控

政府應(yīng)制定融雪劑的生產(chǎn)標(biāo)準(zhǔn)，嚴(yán)格把控每一融雪劑對(duì)環(huán)境的污染和對(duì)生態(tài)的損耗。2002年北京市質(zhì)量技術(shù)監(jiān)督局公布了對(duì)融雪劑要求的生產(chǎn)標(biāo)準(zhǔn)，首先要求融雪劑等融雪產(chǎn)品不能低于傳統(tǒng)鹽水的融雪速度，其次特別強(qiáng)調(diào)了環(huán)保性能方面的標(biāo)準(zhǔn)：第一要求氣味不能令人不舒服、第二要求對(duì)公共設(shè)施的腐蝕率必須低于傳統(tǒng)氯化鈉型融雪劑腐蝕率的50%、 第三要求酸堿度適中等。另外對(duì)于融雪劑中5種具有腐蝕性的重金屬含量百分比也做了嚴(yán)格標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)融雪劑的生產(chǎn)，加工和品質(zhì)測(cè)控起到了管束作用，更好地保證了融雪劑的品質(zhì)、生態(tài)資源的和諧以及人們?nèi)粘Ｉ畹慕】怠?/p>

在應(yīng)用范圍上，政府應(yīng)加大宣傳力度，鼓勵(lì)市場(chǎng)生產(chǎn)環(huán)保型融雪劑和融雪劑的大范圍應(yīng)用。在適當(dāng)條件下，政府可以發(fā)放關(guān)于應(yīng)用環(huán)保型融雪劑的經(jīng)濟(jì)補(bǔ)貼，彌補(bǔ)環(huán)保型融雪劑的價(jià)格劣勢(shì)，最終實(shí)現(xiàn)環(huán)保有機(jī)融雪劑替代無(wú)機(jī)融雪劑的使用。

3 結(jié) 語(yǔ)

融雪劑的開(kāi)發(fā)經(jīng)歷了從單一的傳統(tǒng)型氯化鈣，到加入緩蝕劑、氯化鈣和氯化鎂的改進(jìn)型融雪劑，再到目前的環(huán)保型CMA類(lèi)融雪劑和非氯復(fù)合型融雪劑；減少使用了傳統(tǒng)的氯化物無(wú)機(jī)原料，開(kāi)發(fā)了新型有機(jī)融雪劑；目的是生產(chǎn)真正環(huán)保、無(wú)污染、無(wú)腐蝕、無(wú)毒無(wú)害、價(jià)格低廉能得到廣泛應(yīng)用的融雪劑。在不久的將來(lái)，我國(guó)會(huì)迎來(lái)研發(fā)有機(jī)融雪劑的市場(chǎng)多元化，實(shí)現(xiàn)真正環(huán)保、價(jià)廉易得的融雪劑廣泛普及。