在线监测可编组移动式文物脱盐装置及其应用

（海上丝绸之路博物馆，广东 阳江 529536）

“南海I号”是环中国海区域水下考古重大发现[1]，其船载货物以瓷器和金属（铁器）为主。其中，船载陶瓷器在海水浸泡的环境下，内部渗透有大量的盐分，经800余年的海水浸泡已达到饱和平衡状态。当瓷器打捞离水后，瓷器内部盐分会因环境湿度的变化，发生结晶—潮解的交替变化[2]，长期作用的结果会导致器物釉面和胎体的损坏。所以，脱除陶瓷器内部的盐分，是海洋出水陶瓷器最重要的保护工作环节[3]。

1 陶瓷器脱盐的主要方法

1.1 去离子水浸泡[4]

利用离子具有由高浓度向低浓度区扩散的物理原理，将含盐陶瓷器浸泡在去离子水中，陶瓷器内部的盐分会逐渐溶出进入浸泡液，浸泡一定时间后，随着浸泡液中盐分浓度升高，浸泡液盐分浓度曲线上升变缓时，排掉浸泡液，更换新的去离子水继续浸泡，经过多次更换去离子水后，陶瓷器内部盐分逐渐被脱除，达到长期安全保存的要求。该方案实施简便，是最常用的脱盐办法，特别适合在发掘现场条件下应用，由于用水量较大，需要配备大型的去离子水制备设备，以满足脱盐用水要求。

1.2 超声波震荡脱盐

频率高于2万赫兹以上的声波震动为超声波，超声波具有声能集中、方向性好、穿透能力强的特点。在振幅相同的条件下，物体振动的能量与振动频率成正比，超声波的振幅小、频率高，因此超声波与一般声波相比能量大。超声波的空化作用，就是当超声波在液体中传播时，由于超声波的“推动”，使得液体微粒产生剧烈振动，导致液体内部产生小空洞。这些小空洞迅速胀大和闭合，会使液体微粒之间发生猛烈的撞击作用，从而产生几千到上万个大气压的瞬时压强，同时会使液体中的空化点温度陡然升高。

超声波清洗机[5]用于陶瓷器的脱盐，就是利用了超声波空化作用原理和陶瓷器在高能声场中的受迫振动，将陶瓷器内部的盐分加速溶解、扩散进入脱盐浸泡液中[2]。

但是，超声波是高能量密度的高频振动，对于釉面和胎体有裂隙损伤的陶瓷器存在一定的安全隐患，长时间的超声处理，有进一步扩大陶瓷器釉面和胎体剥离、开片、裂缝扩展延伸的风险，使其在瓷器脱盐的实施应用受到一定的限制。

1.3 电场加速脱盐

在脱盐浸泡液中对置两块电极，利用正负离子分别向异性电场迁移的原理，在电场的作用下加速陶瓷器内部盐分的脱离溶出。该方案虽然可以极大地提高文物的脱盐效率，但是设备能耗大，并且存在一定的安全隐患。

1.4 加热加速脱盐

通过加热浸泡陶瓷器的去离子水，提高盐分在水中的溶解度，并加速陶瓷器内部盐分子的渗透析出，提高脱盐效率，缩短脱盐浸泡时间。该方案与电场加速脱盐相比，脱盐效率没有电场加速脱盐效率高，并且能耗也相对较高，利用大量的热水脱盐，脱盐池中的热水加速蒸发到室内空间，实验室的湿度控制也是要考虑解决的问题。

2 脱盐效果评价

在陶瓷器脱盐效果评定上，最直接的方法是对脱盐的瓷器进行采样分析，由于属于“有损”检测，在实际工作中受到一定程度的限制，这种检测评定方法通常用于实验室研究。在实际工作中，可以通过检测脱盐浸泡液氯离子含量的办法，间接判断器物的脱盐效果。不过，由于氯离子检测设备和操作程序仍然相对复杂繁琐，在陶瓷器脱盐效果评定实际应用中，最常采用的是测定脱盐浸泡液电导率来判定器物的脱盐进程。

电导率是以数字表示的溶液传送电流的能力，电导率的单位是用西门子每米（S/m）来表示，由于S单位太大，通常采用微西门子每厘米或毫西门子每厘米。液体的电导率在数值上其实就是液体电阻率的倒数，液体的电导率能够反映出液体中存在的电解质浓度，溶液中电解质浓度越高，其电导率数值也就相应越大。

例如，陶瓷器脱盐使用的是电导率为5μS/ cm的去离子水，含盐的陶瓷器浸泡入水后，浸泡液的电导率会有一个较快升高的过程，之后电导率的上升速度逐渐减慢，此时应该排掉浸泡液，更换新的去离子水重新浸泡，经过反复多次浸泡，直至浸泡液电导率不再随着浸泡脱盐时间的延长而持续大幅升高，此时可以判定器物已经达到脱盐保护的要求。

3 “南海I号”出水陶瓷器脱盐方案

3.1 脱盐方法的选择

脱盐方案的选择至少需要考虑的因素应该包括实验场地（位置、面积）、场地水电容量、器物保存状况、器物前期保护处理情况等。

3.1.1 实验场地

根据博物馆建筑规划，文物脱盐实验室位于博物馆办公区2楼，3楼为行政办公区，1楼为展厅，2楼的实验室为临时性规划，未来有可能进行调整。考虑到当前实验室的位置，实验设备工作时不宜产生过大的噪声污染，脱盐设备应便于移动，以便于将来实验室调整时，脱盐设备方便移出。

3.1.2 场地水电容量

计划用于脱盐的实验室空间规格为10 m×8 m，场地面积较小；楼层所在平面原设计用途为办公空间，楼板承重能力有限，查阅原始建筑设计资料，楼板最大承重能力为500 kg/m2；不适合安置体积和重量过大的设备。

3.1.3 器物保存状况

“南海I号”出水陶瓷器均有不同程度的病害，很多陶瓷器存在釉面开裂（开片）、惊纹、裂缝、釉层剥离等病害（图1），对陶瓷器釉层、胎体强度有不同程度的影响，如果采用超声波震荡脱盐方案，极有可能造成釉层开裂剥离、惊纹和裂缝的扩展等二次损伤，不适合采用超声波进行脱盐处理。

3.1.4 器物前期保护处理情况

“南海I号”陶瓷器在发掘现场提取后，首先清洗去除表面泥沙，再浸泡在脱盐池中，进行初步脱盐处理，根据所测的脱盐浸泡液电导率变化情况，一般经过2～3次换水后，将瓷器提出浸泡池自然干燥移入临时库房保存。

3.2 脱盐方案的确定

针对大部分陶瓷器已经过初步脱盐处理，结合实验室区划及空间条件、陶瓷器保存状况等因素，“南海I号”陶瓷器脱盐方案确定主要采用去离子水循环浸泡作为首选方案。

去离子水浸泡脱盐主要设备为浸泡脱盐池，浸泡脱盐池结构简单，池体规格设计灵活，既可以制作大型脱盐池，也可以根据场地情况，制作小型脱盐池；脱盐设备在工作中不产生噪声（超声波脱盐设备在工作时会产生刺耳的噪音）；能源消耗小；浸泡脱盐方式处理过程柔和，不会对瓷器产生二次损伤；通过增加脱盐水循环、加热装置，改善瓷器内部盐分溶出扩散过程，提高脱盐效率。

3.3 脱盐设备的组成及功能

脱盐设备由脱盐槽（池）、控制系统、循环管路3个部分组成（图2）。

3.3.1 脱盐槽及脱盐池组

根据实验室空间条件及楼板设计负荷，每个单体脱盐槽规格为1 500 mm×800 mm×500 mm（楼板设计负荷500 kg/m2），脱盐槽底板安装4个加重型万向脚轮（带刹车功能）方便移动，槽底板对角线各有一开口，作为循环水进/出口，并安装水阀，脱盐槽上部设对开式盖板。每个脱盐槽可用水管将其首尾相接串联成由多个脱盐槽组成的脱盐池组，这样就可以根据场地情况进行自由组合。本方案的脱盐池组由3个脱盐槽串联而成，脱盐实验室可容纳3个脱盐池组，按照每平方米可放置25件中等规格的瓷器计算，每个脱盐槽的有效脱盐面积约1 m2。每个脱盐槽分为上下两层摆放脱盐瓷器，脱盐实验室内的整套脱盐系统一次可对450件瓷器进行脱盐处理（图3）。

3.3.2 控制系统

控制系统是脱盐池内水循环控制、过流式紫外线杀菌、电导率监测等的自动控制装置，系统由程序控制器、循环水泵、过流式UV管、电导率记录仪、数据采集电脑组成。可以完成整个脱盐装置的定时循环、定时紫外线杀菌、自动电导率监测及实施同步数据记录等功能（图4）。

3.3.3 循环管路

循环管路提供脱盐槽内去离子水的循环通路，并可将多个脱盐槽串联成一组脱盐池（图5）。

4 脱盐设备的应用

目前已利用该套装置完成了1万多件陶瓷器的脱盐处理。随机提取5个批次样本共计2 000余件瓷器的脱盐监测数据显示（图6），瓷器在最初的浸泡时间段内，浸泡液电导率上升较快，之后电导率的上升速度逐渐趋缓，经过3次换水后，浸泡液电导率上升曲线逐渐接近平直，在最后一个浸泡周期内，电导率累积上升幅度不超过2μs/cm。通常整个浸泡脱盐处理过程需要进行3～4次换水，当浸泡液电导率不再因浸泡时间延长而显著上升时（上升累积值≤1μs/cm），就可以判定该批器物脱盐结束。

5 结束语

脱盐实验室纯水机制备的去离子水出水电导率为5μs/cm，脱盐浸泡通常更换3～4次去离子水，浸泡处理总周期1～2个月，最终浸泡液的电导率持续稳定在7μs/cm以下（图6），不再随浸泡时间的延长而显著上升。通过实践应用，经过该套脱盐装置处理的瓷器，在较短的时间内，可以脱除瓷器内大部分盐分，满足在库房内长期安全保存的要求。