复合型环保融冰雪剂的制备及性能研究

王鸿运，吴红梅，郑婉婷，王琦，信宇新，姜萌萌

（辽宁工业大学化学与环境工程学院，辽宁锦州 121001）

本文主要研究复合型融冰雪剂的制备条件，使其既环保又具有较高融雪能力，为其进一步推广应用奠定基础。

1 实验

1.1 原料和仪器

乙酸钠（分析纯，天津市光复精细化工研究所）；苯甲酸钠（分析纯，天津市光复精细化工研究所）；乙酸钙（分析纯，天津市光复科技发展有限公司）；蒸馏水（自制）。

恒温水浴锅（DZKW-D-2，金坛市荣华仪器制造有限公司）；增力电动搅拌器（JJ-1，金坛市荣华仪器制造有限公司）；酸度计（PHS-25，哈尔滨东联电子技术有限公司）； 数控超声波清洗器（KH3200E，昆山禾创超声仪器有限公司）；电热鼓风干燥箱（XRD-HR760IN，哈尔滨东联电子技术有限公司）。

1.2 融冰雪剂的制备

称取一定量的乙酸钠、 乙酸钙和苯甲酸钠（缓蚀剂）放入烧杯中，再加入150 mL 蒸馏水使其全部溶解，在加热条件下进行反应，反应结束后蒸干溶液，最后将得到的固体用研钵研磨成粉末状，放入干燥箱中干燥，得到复合型融冰雪剂。

1.3 融冰雪效率的计算

本实验采用与氯化钠相对比的融冰能力来测试复合型融冰雪剂的融雪化冰能力，计算公式如下：

式中：m1:未加入融冰雪剂时烧杯和冰块的质量；

m2:加入融冰雪剂后烧杯和剩余冰块的质量；M1:未加入氯化钠时烧杯和冰块的质量；

M2:加入氯化钠后烧杯和剩余冰块的质量。

2 结果与讨论

2.1 融冰雪剂原料的确定

常见融冰雪剂性能对比见表1。

从表1 可知：氯化钠降低冰点的效果最好，但是对基础设施、植被和水质具有破坏作用；乙酸钠冰点降低值仅比传统氯盐融冰雪剂稍低，且其不含氯离子，对混凝土和碳钢的腐蚀性小，对周围植被的影响较小；乙酸钙中既不含有氯离子也不含有钠离子， 而且能够一定程度地降低冰点。因此，本文主要研究以乙酸钠和乙酸钙为主要原料利用复合技术制备融冰雪剂，并且添加少量缓蚀剂苯甲酸钠降低其腐蚀性。

表1 常见融冰雪剂性能与影响评价表

2.2 乙酸钠用量对融冰雪剂融冰效率的影响

在其它原料一定的条件下，称取含乙酸钠2.0g、4.0 g、6.0 g、8.0 g、10.0 g 的融冰雪剂各2.0 g 进行融冰效率测试， 结果如图1 所示。 从图1 中可以看出：5 种融冰雪剂相对融冰效率在一定范围内，随着自制融冰雪剂中乙酸钠质量的增加而增加。 当乙酸钠质量达到6 g、8 g、10 g 时，该融冰雪剂的相对融冰能力变化不大。 这是由于乙酸钠的含量影响着融冰雪剂的冰点，含量越高，制备的融冰雪剂冰点值越低，从而融冰雪效果越好，但当达到一定值时，乙酸钠用量对融冰雪剂冰点降低达到了极限，继续增加乙酸钠的用量对融冰雪效果影响不大， 故乙酸钠的质量选取范围为4 ～8 g（68.9%～84.1%）。

图1 乙酸钠用量对融冰雪剂融冰效率的影响

2.3 乙酸钙用量对融冰雪剂融冰效率的影响

分 别 称 取 含 乙 酸 钙2.0 g、4.0 g、6.0 g、8.0 g、10.0 g 的融冰雪剂各2.0 g， 测量自制融冰雪剂的融冰效率，结果如图2 所示。从图2 中可以看出：5种融冰雪剂的相对融冰能力在一定范围内，随着自制融冰雪剂中乙酸钙质量的增加而增加。 当融冰雪剂中乙酸钙的质量达到10 g 时，该融冰雪剂的相对融冰效率与乙酸钙质量为8 g 时的相似，这是由于相同质量融冰雪剂中乙酸钙的含量增加，溶解后水中的离子浓度增大，饱和蒸气压下降，溶剂的凝固点会降低，因而融冰雪剂的融冰效果增强。 当乙酸钙的用量达到一定程度后，融冰雪剂中乙酸钙的含量达到饱和，溶解后水中离子浓度变化不大，故随着乙酸钙质量的增加相对融冰效率基本没有变化。 即乙酸钙含量越高，冰点值越低，融冰雪效果越好。 但当乙酸钙的用量达到8 g 左右时， 乙酸钙的用量对融冰雪剂冰点降低程度变化不大，因此，乙酸钙的质量选取范围为6～10 g（84.6%～92.3%）。

图2 乙酸钙用量对融冰雪剂融冰能力的影响

2.4 缓蚀剂苯甲酸钠用量对融冰雪剂融冰效率的影响

为了降低复合融冰雪剂的腐蚀性，在复合过程中加入了缓蚀剂苯甲酸钠。 缓蚀剂的作用原理为：在金属表面形成一层薄的氧化膜，将金属与腐蚀介质隔离开来， 从而抑制金属离子化过程，使金属电极电位达到钝化电位。

称取含苯甲酸钠0.5 g、1.0 g、1.5 g、2.0 g、2.5 g的融冰雪剂进行融冰效率测试， 结果如图3 所示。 从图3 中可以看出： 各组融冰雪剂融冰能力基本差不多，说明苯甲酸钠用量对融冰雪剂的融冰能力影响并不显著，可以适当地使用。 接下来通过测量24 h、48 h、72 h、96 h、120 h 内自制融冰雪剂对铁钉的腐蚀量来确定苯甲酸钠的用量，实验结果如表2 所示。 从表2 中可知： 在一定范围内， 随着自制融冰雪剂中苯甲酸钠用量的增加，自制融冰雪剂对铁钉的腐蚀性降低，当苯甲酸钠用量达到1.5 g 以后，自制融冰雪剂对铁钉的腐蚀量基本相同，这是由于苯甲酸钠作为一种阳离子型缓蚀剂，随着苯甲酸钠用量的增加，氧化作用增强， 金属的电极电位逐渐接近于钝化电位，对金属的腐蚀量逐渐减小， 当达到一定值以后，金属电极电位达到钝化电位，因而苯甲酸钠用量增加铁钉腐蚀量基本没有变化，因此，苯甲酸钠用量为1.5 g 最为适宜。

图3 苯甲酸钠用量对融冰雪剂融冰效率的影响

表2 不同苯甲酸钠含量的自制融冰雪剂腐蚀性测试

2.5 制备温度对融冰雪剂融冰效率的影响

称取在50℃、60℃、70℃、80℃和90℃温度下制备的融冰雪剂各2.0g 进行融冰效率测试， 结果如图4 所示。从图4 中可知：当制备温度在50～70℃之间时，自制融冰雪剂的相对融冰能力随着温度的升高而变大，在70℃时自制融冰雪剂的相对融冰能力最好；当制备温度大于70 ℃时，自制融冰雪剂的相对融冰能力随着温度的升高而略有减小，这是由于温度升高促进了反应的进行，因此随着温度的升高，融冰雪剂融冰效率增大。 但当温度达到70 ℃以后，温度过高，导致生成物发生分解，继而随着温度的升高，融冰雪剂的融冰效率降低。 由此，制备融冰雪剂的温度范围可为60～80℃。

图4 制备温度对融冰雪剂融冰效率的影响

2.6 正交试验

根据单因素实验结果，选择影响较大的三个因素做正交试验，确定最佳工艺条件，由于乙酸钠的质量选取范围为4～8 g，乙酸钙的质量选取范围为6～10 g，反应温度选择60～80℃，所以设定正交试验的因素水平表见表3，选择L9(33)正交表，将选择的因素水平列入L9(33)正交表中，最后结果如表4 所示，按正交实验表L9(33)中所对应的条件制备融冰雪剂后，分别测定L9(33)正交表中各试验编号所对应的融冰雪剂的融冰量，同时测定相同质量氯化钠的融冰量，计算出自制融冰雪剂的相对融冰效率填入表4 中。

表3 配方选择因素水平表

表4 L9(33)正交试验结果

从表4 可以看出：A 因素（乙酸钠质量）中A2水平的平均百分数比A1水平和A3水平要高；B因素（乙酸钙质量）中B3水平的平均百分数比B1水平和B2水平要高；C 因素（制备温度）中C2水平的平均百分数比C1水平和C3水平要高； 各因素的各水平之间的极差值R 大小，可以确定哪个因素是主要的，R 大时它便是主要因素，R 小时它便是次要因素。 因此，影响因素的次序是：B>A>C，加上所得各因素的最好水平， 最后得出的最优化工艺方案为：B3A2C2，即：乙酸钙质量10 g、乙酸钠质量6 g、制备温度70 ℃，加上之前单因素考察实验结果得到复合融冰雪剂的最优工艺条件为乙酸钙质量10 g、乙酸钠质量6 g、制备温度70 ℃、苯甲酸钠1.5g。 根据最优工艺条件制备融冰雪剂进行融冰能力占氯化钠融冰能力的98.14%，符合国家标准。

3 结论

本文以乙酸钠和乙酸钙为主要原料，再添加一定量的苯甲酸钠制备了复合型环保融冰雪剂，通过正交试验，得到复合型融雪剂制备的最佳工艺条件为：乙酸钙质量10 g、乙酸钠质量6 g、制备温度70 ℃、苯甲酸钠1.5 g，融冰能力占氯化钠融冰能力的98.14%。