探究含陽離子與陰離子的溶液對電化學脫鹽效率的影響

王靜漪 趙黎麗

1.浙江大學考古與文博系 杭州 310007；2.上海七寶德懷特高級中學 上海 201101；3.思鋪學院公眾開放實驗室 杭州 310007

1 引言

古代磚制文物建筑長期受到自然與人為的損害,可溶鹽的侵蝕就是其中之一。地面的可溶鹽隨著毛細作用滲透進入磚體的孔隙,在磚體內溶解結晶導致磚體的損害,同時可溶鹽的析出影響建筑的美觀。在以往的脫鹽處理中,人們往往采用貼敷的傳統方法,即用一種或幾種親水性貼敷材料,涂在文物本體上,溶解可溶鹽,并使之吸附在貼敷材料中[1]。但傳統貼敷的脫鹽方法往往效率不高。于是,也有學者提出使用電化學方法進行除鹽,通過在本體兩端外設陰極和陽極,施加電壓,在電場的作用下,使有害的陰離子,例如氯離子,硫酸根等,向陽極移動,從而提高脫鹽效率。然而,通電時間過長存在安全隱患,且通電參數會對脫鹽效率產生影響。為了進一步提高電化學脫鹽的效率,馮偉等人提出添加有機或無機物到電解液中改變磚表面的性質,使其對脫鹽效率產生影響。他指出陰、陽離子的加入會提升磚表面的ZETA電勢,同時也會降低表面張力,加強電動作用(電泳＋電滲),從而加快陽極氯離子排出的速度[3]。本研究通過使用分別含有不同電荷數的陽離子和陰離子的電解液探究其對電化學脫鹽效率的影響,脫鹽效率將通過析出的硫酸根的量來表征。

2 實驗部分

2.1 試件 將燒制好的5cm×5cm×3cm的青磚浸泡在1mol/L的硫酸鈉溶液中,浸泡時間為1天,模擬被可溶鹽侵蝕的磚,將青磚樣塊放入烘箱,溫度為60℃,直到質量幾乎不再增加以確保所有硫酸鈉滲入磚。

2.2 選用材料 考慮到離子的電荷對磚表面性質改變的不同,選用了去離子水(DI,代號為B)作為對照組,以及四丁基氟化銨(TDFA,陽離子型,代號為F)和磷酸鈉(Na3PO4,陰離子型,代號為P)兩種不同的電解液。每種電解液的濃度均為1mol/L。

2.3 實驗方法 將配置好的電解液倒入烘干的磚,使用熱縮紙包裹磚塊使電解液充滿磚的孔隙。同時準備24片紗布,均分成6組分別浸入四種不同的電解質中,待電解質完全滲入磚后貼敷在磚塊表面,壓上鐵片后放置在培養皿中的鈦網上。為了避免磚與鈦網的接觸導致兩者粘連,加入橡皮小塊避免直接接觸。往每個培養皿中分別倒入100m L對應的電解液并畫上刻度線,以確保磚塊在通電過程中與相同量的電解液接觸。連接串聯電路,以10毫安的恒流通電,每24小時測量一次電解液的p H值以及硫酸根的含量。

硫酸根測定方法：取1m L電解液加入鉻酸鋇的懸濁液,加入按1：1稀釋的氨水以確保溶液保持堿性。將以上反應所得液體過濾,得到100m L的溶液,通過紫外分光光度計測量硫酸根含量。

另外,通電試驗后,切割磚塊,取3g砸碎的磚粉,加入去離子水,溶出所含硫酸根,測算出3g磚粉中硫酸根的含量,根據剩余硫酸根的含量判斷脫鹽效率。

3 結果和討論

去離子水(DI),四丁基氟化銨(TDFA)和磷酸鈉(Na3PO4)均有脫鹽效果,且三者脫鹽效率趨勢基本相近。TDFA和Na3PO4脫鹽量均大于去離子水,這是因為離子的存在會使磚表面Zeta電勢加強,加快電遷移速度,增強電滲作用,使硫酸根離子在相同的通電條件下更易析出,提高脫鹽效率。在前四天,DI,TDFA析出的硫酸根含量穩步提升,而TDFA在第二天到第三天時從187.088mg/mol激增為346.050mg/mol。在第四天到第五天時,三種離子添加劑析出的硫酸根量均大幅提升100mg/mol左右：DI由326.737mg/mol到420.596mg/mol；Na3PO4由387.920mg/mol到483.247mg/mol；TDFA由340.491mg/mol到548.621mg/mol。由表一可見,Na3PO4在第六天后脫鹽量相對穩定,增幅較小,甚至低于去離子水對照組。盡管TDFA初始脫鹽量比Na3PO4低,但其最終脫鹽量是最高的。

總體來看,加入適當的電解液的磚塊比僅加入去離子水的磚塊脫鹽效率更高。加入TDFA的磚塊比加入Na3PO4的磚塊脫鹽效率更高。相比陰離子,陽離子可能改變了原本帶負電荷的青磚表面,是的表面的zeta電位發生改變,影響了陰離子與青磚表面的相互作用,使得硫酸根離子更容易析出。

磚內孔壁表面帶有負電荷,在電場作用下,溶液中會發生電滲流,溶液由陽極往陰極流動,帶動硫酸根離子從陰極排出。本研究也測量了陰極析出的硫酸根含量,其脫鹽效率結果與陽極類似。四丁基氟化銨(TDFA)和磷酸鈉(Na3PO4)比去離子水對照組硫酸根濃度高,說明了陰、陽離子均對提升脫鹽效率有效。加入TDFA的磚塊陰極檢測出的硫酸根濃度(377.439mg/mol)遠大于加入Na3PO4磚塊的132.280mg/mol。

綜上,陰、陽離子都對磚塊脫硫酸鹽效率有著明顯的效果,添加陽離子的磚塊由于其陽離子周圍靜電場的作用,脫鹽效率比加入陰離子更高。各個電解液脫鹽效率排序為：TDFA＞Na3PO4＞去離子水。

然而七天后,最終析出的硫酸根含量仍小于加入的硫酸鹽含量,說明即使添加不同電解液,改變磚表面性質也無法使硫酸鹽完全析出磚塊。

通過不同電解液七天的PH和電壓變化可以看到,每組電解液PH逐漸變低,(除了第三實驗組的PH一直小于1,無法測得)說明隨著通電時間的增加,電解液逐漸變為酸性溶液。每組電解液的電壓變化規律不明顯,基本趨勢為逐天增大,然而每組之間差距略大,需要進一步的研究。

4 結論

4.1 含陰、陽離子的電解質溶液都對磚塊脫硫酸鹽效率有著明顯的效果,陽離子電解液的脫鹽效率比陰離子更高。各個電解液脫鹽效率排序為：TDFA＞Na3PO4＞去離子水。

4.2 加入電解質溶液無法使硫酸鹽完全析出,仍需尋找其它方法增加脫鹽量,如錢玲等人提出的將電化學脫鹽法與傳統泥敷法結合,增強脫鹽效果。后續實驗可以測算不同貼敷材料與電解液的搭配對脫鹽效果的影響。