探究含阳离子与阴离子的溶液对电化学脱盐效率的影响

王静漪 赵黎丽

1.浙江大学考古与文博系 杭州 310007；2.上海七宝德怀特高级中学 上海 201101；3.思铺学院公众开放实验室 杭州 310007

1 引言

古代砖制文物建筑长期受到自然与人为的损害,可溶盐的侵蚀就是其中之一。地面的可溶盐随着毛细作用渗透进入砖体的孔隙,在砖体内溶解结晶导致砖体的损害,同时可溶盐的析出影响建筑的美观。在以往的脱盐处理中,人们往往采用贴敷的传统方法,即用一种或几种亲水性贴敷材料,涂在文物本体上,溶解可溶盐,并使之吸附在贴敷材料中[1]。但传统贴敷的脱盐方法往往效率不高。于是,也有学者提出使用电化学方法进行除盐,通过在本体两端外设阴极和阳极,施加电压,在电场的作用下,使有害的阴离子,例如氯离子,硫酸根等,向阳极移动,从而提高脱盐效率。然而,通电时间过长存在安全隐患,且通电参数会对脱盐效率产生影响。为了进一步提高电化学脱盐的效率,冯伟等人提出添加有机或无机物到电解液中改变砖表面的性质,使其对脱盐效率产生影响。他指出阴、阳离子的加入会提升砖表面的ZETA电势,同时也会降低表面张力,加强电动作用(电泳＋电渗),从而加快阳极氯离子排出的速度[3]。本研究通过使用分别含有不同电荷数的阳离子和阴离子的电解液探究其对电化学脱盐效率的影响,脱盐效率将通过析出的硫酸根的量来表征。

2 实验部分

2.1 试件 将烧制好的5cm×5cm×3cm的青砖浸泡在1mol/L的硫酸钠溶液中,浸泡时间为1天,模拟被可溶盐侵蚀的砖,将青砖样块放入烘箱,温度为60℃,直到质量几乎不再增加以确保所有硫酸钠渗入砖。

2.2 选用材料 考虑到离子的电荷对砖表面性质改变的不同,选用了去离子水(DI,代号为B)作为对照组,以及四丁基氟化铵(TDFA,阳离子型,代号为F)和磷酸钠(Na3PO4,阴离子型,代号为P)两种不同的电解液。每种电解液的浓度均为1mol/L。

2.3 实验方法 将配置好的电解液倒入烘干的砖,使用热缩纸包裹砖块使电解液充满砖的孔隙。同时准备24片纱布,均分成6组分别浸入四种不同的电解质中,待电解质完全渗入砖后贴敷在砖块表面,压上铁片后放置在培养皿中的钛网上。为了避免砖与钛网的接触导致两者粘连,加入橡皮小块避免直接接触。往每个培养皿中分别倒入100m L对应的电解液并画上刻度线,以确保砖块在通电过程中与相同量的电解液接触。连接串联电路,以10毫安的恒流通电,每24小时测量一次电解液的p H值以及硫酸根的含量。

硫酸根测定方法：取1m L电解液加入铬酸钡的悬浊液,加入按1：1稀释的氨水以确保溶液保持碱性。将以上反应所得液体过滤,得到100m L的溶液,通过紫外分光光度计测量硫酸根含量。

另外,通电试验后,切割砖块,取3g砸碎的砖粉,加入去离子水,溶出所含硫酸根,测算出3g砖粉中硫酸根的含量,根据剩余硫酸根的含量判断脱盐效率。

3 结果和讨论

去离子水(DI),四丁基氟化铵(TDFA)和磷酸钠(Na3PO4)均有脱盐效果,且三者脱盐效率趋势基本相近。TDFA和Na3PO4脱盐量均大于去离子水,这是因为离子的存在会使砖表面Zeta电势加强,加快电迁移速度,增强电渗作用,使硫酸根离子在相同的通电条件下更易析出,提高脱盐效率。在前四天,DI,TDFA析出的硫酸根含量稳步提升,而TDFA在第二天到第三天时从187.088mg/mol激增为346.050mg/mol。在第四天到第五天时,三种离子添加剂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。由表一可见,Na3PO4在第六天后脱盐量相对稳定,增幅较小,甚至低于去离子水对照组。尽管TDFA初始脱盐量比Na3PO4低,但其最终脱盐量是最高的。

总体来看,加入适当的电解液的砖块比仅加入去离子水的砖块脱盐效率更高。加入TDFA的砖块比加入Na3PO4的砖块脱盐效率更高。相比阴离子,阳离子可能改变了原本带负电荷的青砖表面,是的表面的zeta电位发生改变,影响了阴离子与青砖表面的相互作用,使得硫酸根离子更容易析出。

砖内孔壁表面带有负电荷,在电场作用下,溶液中会发生电渗流,溶液由阳极往阴极流动,带动硫酸根离子从阴极排出。本研究也测量了阴极析出的硫酸根含量,其脱盐效率结果与阳极类似。四丁基氟化铵(TDFA)和磷酸钠(Na3PO4)比去离子水对照组硫酸根浓度高,说明了阴、阳离子均对提升脱盐效率有效。加入TDFA的砖块阴极检测出的硫酸根浓度(377.439mg/mol)远大于加入Na3PO4砖块的132.280mg/mol。

综上,阴、阳离子都对砖块脱硫酸盐效率有着明显的效果,添加阳离子的砖块由于其阳离子周围静电场的作用,脱盐效率比加入阴离子更高。各个电解液脱盐效率排序为：TDFA＞Na3PO4＞去离子水。

然而七天后,最终析出的硫酸根含量仍小于加入的硫酸盐含量,说明即使添加不同电解液,改变砖表面性质也无法使硫酸盐完全析出砖块。

通过不同电解液七天的PH和电压变化可以看到,每组电解液PH逐渐变低,(除了第三实验组的PH一直小于1,无法测得)说明随着通电时间的增加,电解液逐渐变为酸性溶液。每组电解液的电压变化规律不明显,基本趋势为逐天增大,然而每组之间差距略大,需要进一步的研究。

4 结论

4.1 含阴、阳离子的电解质溶液都对砖块脱硫酸盐效率有着明显的效果,阳离子电解液的脱盐效率比阴离子更高。各个电解液脱盐效率排序为：TDFA＞Na3PO4＞去离子水。

4.2 加入电解质溶液无法使硫酸盐完全析出,仍需寻找其它方法增加脱盐量,如钱玲等人提出的将电化学脱盐法与传统泥敷法结合,增强脱盐效果。后续实验可以测算不同贴敷材料与电解液的搭配对脱盐效果的影响。