醋酸废液合成融雪剂的方法研究

2019-01-14崔彩花程秀花

当代化工 2019年12期

崔彩花程秀花

摘要：为减少雨雪天气带来的危害，同时加强对竹木的利用，结合融雪剂合成的相关理论，提出一种利用竹醋液合成融雪剂的方法。在该方法中，首先利用竹材干燥的方式制备竹醋液，然后将得到的竹醋液与氧化钙反应，并加入活性炭粉，经脱色干燥得到制备的融雪剂，最后采用试验对比的方式，将制备的融雪剂与氯化钠和氯化钙的融雪性能进行对比，得到在相同摩尔比下，制备的融雪剂其融冰体积最大，具有更好的融雪性能。

关键词：融雪剂;竹醋液;有机酸钙;合成实验

中图分类号：X703 文献标识码： A 文章编号： 1671-0460（2019）12-2777-04

Abstract： In order to reduce the hazards caused by rain and snow， and strengthen the utilization of acetic acid waste liquor， a method of synthesizing snow-melting agent from acetic acid waste liquor was proposed based on the related theory of synthesis of snow-melting agent. In this method， bamboo vinegar was first prepared by drying bamboo， then the bamboo vinegar reacted with calcium oxide， and activated carbon powder was added. The prepared snow-melting agent was obtained by decolorizing and drying. Finally， the snow-melting performance of prepared snow-melting agent was compared with that of sodium chloride and calcium chloride by means of experiment comparison at the same molar ratio. The results showed that the prepared snow-melting agent had the largest volume of melting ice and the best melting snow performance.

Key words： Snow melting agent; Bamboo vinegar; Calcium organic acid; Synthetic experiment

冬季时，经久不化的积雪给人们带来了出行不便等诸多问题，而使用融雪剂是一种简单易行、直接有效的除雪方法。常见的融雪剂以氯化钠为主，虽然具有较好的性能，但是也存在着环境污染、腐蚀道路等问题。目前，有机酸盐融雪剂因为具有能够自然降解等优点，已成为了世界各国相关研究的热点[1，2]。鉴于上述背景，本文针对竹醋液合成融雪剂的方法展开研究，以竹炭生产过程中的副产物—竹醋液作为原材料合成融雪剂，旨在促进融雪剂向更加环保的方向发展。

1 融雪剂融冰雪机理

对融雪剂来讲，在其融化的雪水后，冰点一般会在零度以下。比较典型的就是氯化钠融雪剂，这种融雪剂冰点会在-10 ℃左右，而氯化钙的冰点可以达到-20 ℃左右。研究认为，醋酸类融雪剂的冰点可达到-55 ℃左右，由此看出醋酸类融雪剂体现出良好的融冰性能。通过上述的分析看出，盐类的溶解可起到良好的降低凝固点的作用。而有些盐类，如CaCl2在溶于水之后，会释放出大量的热量，以此使得在加入CaCl2之后，很难形成冰块。另外，融雪剂在溶于水之后，还可以提高水中離子的浓度，进而使水的液相蒸气压降低，但是冰雪的固态蒸气压却没有任何的变化。而为了达到冰水混合物固液蒸汽压相等的局面，此时的冰雪必须要溶化。由此，人们认为这就是融雪剂能够融冰的一个重要原因。

而在实际的应用中，车辆在道路上行驶，会压实路面上的冰雪，并挤压撒在路面的融雪剂。此时融雪剂中的易潮解固态物质在吸收了空气当中的水分之后，会发生潮解现象，进而在冰雪表面出现少量的水。当车轮对冰雪冲击的作用下，会与这些水形成溶液，使得固液相的化学式不等，进而使得两者冰雪不能共存，由此就必须要从一相向另外的一相转换。通常情况下，固相化学势大于液相化学势，从而使得固相朝液相转化，继而使得冰雪开始融化，也就是变为了水。

2 竹醋液主要成分

在秸杆、木屑等生物质的气化转化过程中会产生大量烟气混合物，这些烟气混合物经过冷凝分离处理后可得到醋酸废液，即木醋液。根据生物质原料的不同，我国常见的木醋液以木醋液与竹醋液为主。本文的研究对象为竹醋液，其成分组成如表1所示。

由表1所示的竹醋液成分组成可以看到，竹醋液的主要成分为水分以及醋酸等有机酸，另外还含有少量的醛、酚、酮等[3]。当竹醋液经过蒸馏及脱色等工艺进行处理后，对环境的影响会进一步下降，因此以竹醋液合成的融雪剂更加环保。

3 材料与方法

3.1 实验仪器

本研究中所使用的主要实验仪器如表2所示。

3.2 实验试剂与材料

本研究中所使用的实验试剂与材料如表3所示。

3.3 试验方法

3.3.1 竹醋液的制备与提纯

首先选取竹材并进行清洁处理，干燥后制成条状;将竹条置于炭化炉中，以300 ℃至700 ℃的不同温度条件进行炭化;分别收集竹材在不同温度条件炭化时所产生的竹醋液，静置后提取上清液并以≤118 ℃进行蒸馏精制;最后，以酸度计以及NaOH溶液（浓度C=0.1 mol/L）测定经过蒸馏精制的竹醋液pH值。

3.3.2 竹醋基有机酸钙的制备

首先选取定量经过提纯的竹醋液，加入过量5%的CaO，充分搅拌后置于室温条件下反应40 min;过滤除去不溶物后，以0.002 g/mL的比例加入活性炭粉，再将其置于振荡仪中，在40 ℃条件下脱色40 min;将经过脱色处理后的溶液进行过滤，干燥后得到竹醋基有机酸钙，即CaOA。

3.3.3 性能测定

（1）结冰温度的测定

以0.05 mol/L配置NaCl、CaCl2、CaOA三种盐溶液，分别取400 mL作为样品，对应编号为A1、A2、A3;以0.1 mol/L配置三种盐溶液，分别取400 mL作为样品，对应编号为B1、B2、B3;以3 g/L配置三种盐溶液，分别取400 mL作为样品，对应编号为C1、C2、C3;以6 g/L配置三种盐溶液，分别取400 mL作为样品，对应编号为D1、D2、D3。将上述样品以500 mL塑料瓶密封并置于循环泵中进行冷却，观察样品的结冰情况。

（2）融冰温度的测定

以塑料瓶分别取12份100 mL的自来水，将其置于循环泵中进行冷却直至结冰;以3份自来水为1组，将12份自来水分为4组，分别向4组已经结冰的自来水中加入0.025、0.05 mol， 2、4 g三种融雪剂;在-2 ℃的条件下，每间隔1 h测量一次融水的体积，直至融水的体积不再变化。

3.3.4 冻融实验

融雪剂的制备，在实际的使用中是否会对路面混凝土存在伤害，是当前思考的重点。对此，本文构建冻融实验，以验证本实验制备的醋酸融雪剂对混凝土的伤害。对此，本文采用图1所示的实验装置。

具体实验步骤为：

（1）选取P.042.5水泥、粗骨料、细骨料、减水剂等作为原材料，制备大小为100 mm×100 mm×100 mm的混凝土试件;

（2）配置竹醋基有机酸钙盐溶液，并将配制好的盐溶液放入图1装置中;

（3）在（20±3）oC的盐溶液温度中，对混凝土试件进行浸泡，在浸泡4 d后，取出试件，然后擦去试件表面水分。称重并测定混凝土试件的抗压强度;

（4）将混凝土试件放入冰进行冷冻实验，冷冻时间为6 h，取出然后浸泡4 h。由反复对混凝土时间进行冻融。直到混凝土试件的质量损失率达到5%，此时冻融实验结束，计算强度损失率。具体计算为：

4 结果与讨论

4.1 竹醋液的制备与提纯

根据前文所述方法制备竹醋液，并对其进行蒸馏提纯后，以酸度计以及NaOH滴定方法测定竹醋液中醋酸含量[4]，结果如表4所示。

根据观察可知，自炭化炉收集得到的竹醋液呈深褐色，且炭化温度越高则竹醋液颜色越深，而经过蒸馏精制后的竹醋液则呈浅黄色。由此可以确定，炭化过程中的温度越高，所产生的竹醋液中焦油等成分的含量越多。

根据表4所示的测定结果可知，以酸度计测定的竹醋液中H+浓度均高于以NaOH滴定方法测定的竹醋液中H+浓度。由此可知，经过蒸馏精制后的竹醋液中仍含有醋酸以外的其他有机酸。表4所示结果显示，在300～600 ℃的温度条件下，炭化温度越高则竹醋液的pH值越高，说明化温度越高则竹醋液中的醋酸含量越低。分析其原因，是因为温度越高则醋酸溶解度越小[5]。综上，在300～500 ℃的温度条件下进行竹材炭化所得到的竹醋液中醋酸含量最大。

4.2 竹醋基有机酸钙的制备

取1 000 mL经过蒸馏处理后的竹醋液，根据前文所述的制备方法，最终制得的CaOA量如表5所示。

根据观察可知，以活性炭粉对竹醋基有机酸钙制品进行脱色处理后，其颜色由深褐色变为浅黄色。由此可知，经过脱色处理的竹醋基有机酸钙制品基本不会对环境造成污染。由表5所示的结果可以看到，1 000 mL经过蒸馏处理后的竹醋液可以制得46.35 g CaOA。

4.3 竹醋基有机酸钙结冰和融冰性能的测定

4.3.1 竹醋基有机酸钙结冰性能的测定

由6所示的结果可知，在相同的温度条件下，融雪剂的浓度会影响其结冰性能，浓度越高则开始结冰的温度越高;在等物质浓度条件下，不同融雪剂的结冰性能有一定的差异，本文所制备的竹醋基有机酸钙CaOA溶液的开始结冰温度与完全结冰温度均低于其他几种融雪剂。由此可得出结论，竹醋基有机酸钙CaOA的完全结冰温度较低，是一种具备较好融雪性能的融雪剂。

4.3.2 竹醋基有机酸钙融冰性能的測定

根据前文中所述的融雪剂融冰温度测定方法，将三种盐溶液样品进行编号并进行测定，每次记录的间隔为1 h，最终的测定结果如表7中所示。

根据表7所示的融冰性能测定结果可知，三种融雪剂在等摩尔条件下，质量越大则融冰性能越好，并且在等质量条件下也是如此。通过对比三种融雪剂的融雪性能，发现在相同质量条件下，NaCl溶液的融冰性能最好[6];而本文所制备的竹醋基有机酸钙CaOA，则在相同摩尔条件下的融冰体积最大，表现出较好的融雪性能。综上所述，竹醋基有机酸钙CaOA的融冰性能稍弱于NaCl以及CaCl2。

4.3.3 冻融实验结果

通过上述的冻融实验，从外形来看，经过CaOA冻融后的混凝土试件物明显裂纹。得到表8的冻融统计结果。

5 结论

本文研究以醋酸废液-竹醋液作为原料的融雪剂的合成方法，通过将经过蒸馏精制后的竹醋液与氧化钙进行反应，在脱色等工艺处理后最终制得竹醋基有机酸钙CaOA。本文对CaOA融雪剂的融冰性能进行了实验研究，通过与NaCl等若干种常见融雪剂进行对比，最终得到以下几点结论：

（1）竹炭生产过程中，温度越高则产生的竹醋液浓度越低;

（2）经过蒸馏精制后的竹醋液pH值约为3;

（3）1 000 mL精制竹醋液与过量5%（摩尔）的氧化钙反应后，可得到46.35 g竹醋基有机酸钙;

（4）相较于NaCl等其他融雪剂，竹醋基有机酸钙的结冰温度更低;

（5）在等摩尔条件下，竹醋基有机酸钙的单位时间内融冰体积最大，融冰性能最好;

（6）在等质量条件下，竹醋基有机酸钙的融冰性能则稍低于NaCl等其他融雪剂。

综上所述，与NaCl等其他融雪剂相比，本文以醋酸废液-竹醋液合成的竹醋基有机酸钙融雪剂在融雪性能方面并不逊色，并且更加环保，具有较高的应用价值。

参考文献：