【微課堂】海砂淡化關(guān)鍵工藝參數(shù)的研究

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林?慧

1995-

作者簡(jiǎn)介：

林慧（1995-），女，海南昌江人，碩士，主要研究方向：新型建筑材料。

通信作者：

宋新樂（1989-），男，山西平陸人，碩士，工程師，主要研究方向：新型建筑材料。

內(nèi)容導(dǎo)讀：

水洗法降低海砂氯離子含量最為明顯。水洗法關(guān)鍵工藝參數(shù)是：水洗次數(shù)，清洗海砂不低于3次；擾動(dòng)方式，轉(zhuǎn)速是關(guān)鍵參數(shù)；水洗時(shí)間，延長(zhǎng)清洗時(shí)間，有利于海砂氯離子的釋放。

海砂淡化關(guān)鍵工藝參數(shù)的研究

林 慧1，宋新樂1*，馬 龍1，孫發(fā)圣1，王登科2，康秀晗1

1.海南省眾邑新材料研究院有限公司，海南 三亞 572024;

2.海南瑞澤雙林建材有限公司，海南 三亞 572024

摘 要：文中通過化學(xué)分析法研究水洗法中水洗次數(shù)、擾動(dòng)方式以及水洗時(shí)間對(duì)海砂氯離子含量的影響。除此之外，還研究了臭氧法以及電離法對(duì)海砂氯離子含量的影響，以得到最佳淡化海砂的工藝參數(shù)。結(jié)果表明：水洗法降低海砂氯離子含量最為明顯。水洗法關(guān)鍵工藝參數(shù)是：水洗次數(shù)，清洗海砂不低于3次；擾動(dòng)方式，轉(zhuǎn)速是關(guān)鍵參數(shù)；水洗時(shí)間，延長(zhǎng)清洗時(shí)間，有利于海砂氯離子的釋放。

關(guān)鍵詞：化學(xué)分析法；海砂氯離子含量；水洗法；臭氧法；電離法

Research on Key Process Parameters of Marine Sand Desalination

Lin Hui1， Song Xinle1*， Ma Long1， Sun Fasheng1， Wang Dengke2， Kang Xiuhan1

1. Hainan Ruize Shuanglin Building Materials Co. Ltd.， Sanya， Hainan 572024；

2. Hainan Zhongyi New Material Research Institute Co. Ltd.， Sanya， Hainan 572024

Abstract: In this paper， the chemical analysis method is used to study the influence of washing times， disturbance mode and washing time on the chloride ion content of sea sand. In addition， the influence of ozone method and ionization method on the chloride ion content of sea sand is also studied to obtain Process parameters for optimal desalination of sea sand. Studies have shown that the water washing method reduces the chloride ion content of sea sand most significantly.The key process parameters of the water washing method are: washing times， cleaning sea sand not less than 3 times; disturbance mode， rotation speed is the key parameter; washing time， prolonging the cleaning time， the more conducive to the release of sea sand chloride ions.

Key words: Chemical analysis method; Chloride ion content of sea sand; Water washing method; Ozone method; Ionization method

0 引言

河砂是一種重要的建筑材料，需求量與日俱增，但河砂的儲(chǔ)量是有限的，且大量采集河砂對(duì)生態(tài)環(huán)境造成了破壞。我國是一個(gè)擁有遼闊海域的國家，使用淡化海砂替代河砂在混凝土中的應(yīng)用，是緩解用砂緊張局面的有效措施。

英國、日本、加拿大等國家以及我國的臺(tái)灣地區(qū)在海砂應(yīng)用于工程建設(shè)方面有多年的歷史［1］。近十年我國海砂的利用獲得快速的發(fā)展，國內(nèi)大規(guī)模使用海砂的是寧波、舟山以及深圳等地區(qū)［2］，海南三亞新機(jī)場(chǎng)、儋州海花島等海砂填海工程也在建設(shè)之中［3］。但國內(nèi)外因?yàn)E用或誤用海砂出現(xiàn)了海砂屋，造成嚴(yán)重的經(jīng)濟(jì)損失［4-5］。這是因?yàn)楹Ｉ爸泻杏泻ξ镔|(zhì)，例如氯離子以及貝殼等，它們不能直接用于建筑中。氯離子的存在會(huì)破壞鋼筋表面的鈍化膜，造成鋼筋銹蝕，嚴(yán)重影響了鋼筋混凝土的耐久性；貝殼的存在使混凝土和易性變差，強(qiáng)度降低，從而影響了混凝土的各方面性能［5］。對(duì)于貝殼含量，可以通過篩選而降到無害水平。而對(duì)于海砂的淡化，現(xiàn)階段已開展一些有意義的試驗(yàn)，但有很多關(guān)鍵工藝參數(shù)仍未能得到研究［6-8］。

本文通過對(duì)海南島海岸海砂采取水洗法、臭氧法［9］以及電離法，著重研究了水洗法中水洗次數(shù)、擾動(dòng)方式、清洗時(shí)間等因素對(duì)海砂中氯離子的影響，為后續(xù)研究與應(yīng)用提供技術(shù)支持。

1 淡化試驗(yàn)

1.1 試驗(yàn)材料

試驗(yàn)分別選取了河砂和海南海岸的海砂。海砂以及河砂的基本物理性能見表1，海砂以及河砂主要成分見表2。

表1    海砂基本物理性能

從表1可以看出，海砂與天然河砂的主要區(qū)別在于貝殼含量和氯離子含量，而其它的物理性能基本上一致，且滿足GB/T 14684-2011《建設(shè)用砂》的要求。

表2    海砂及河砂主要成分(XRF)            %

表2的結(jié)果表明，海砂的Cl-、SO42-以及CaO、CO2含量比河砂的高。原因在于：CaO、CO2含量是海砂中貝殼引入的；Cl-、SO42-是海水中結(jié)晶沉淀在砂表面及孔隙中的可溶性離子。

1.2 測(cè)試方法

測(cè)試方法：海砂氯離子含量的測(cè)試方法參照了GB/T 14684-2011《建設(shè)用砂》以及JGJ 52-2006《普通混凝土用砂、石質(zhì)量及檢驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》［10］。

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 水洗法對(duì)海砂氯離子含量的影響

2.1.1 水洗次數(shù)對(duì)海砂氯離子含量的影響

在水砂質(zhì)量比1:1的條件下，研究海砂在亞甲藍(lán)攪拌機(jī)水洗3min下不同次數(shù)的氯離子含量，并按照測(cè)試方法對(duì)砂子的氯離子含量進(jìn)行測(cè)試，具體試驗(yàn)結(jié)果如圖1所示。

圖1    不同水洗次數(shù)對(duì)Cl-含量的影響

試驗(yàn)表明：隨著水洗次數(shù)的增加，海砂的氯離子含量先呈現(xiàn)顯著下降后逐漸趨于平緩的趨勢(shì)。原因在于：清洗海砂3次基本把覆蓋在海砂表面以及接觸海砂表面孔隙的氯鹽結(jié)晶清洗掉，而3次之后的氯離子需從海砂內(nèi)部遷移擴(kuò)散出來，遷移速度較慢且遷移量較小。在實(shí)驗(yàn)清洗時(shí)間內(nèi)，清洗3次后氯離子降低水平不再顯著，故初步海砂清洗3次比較經(jīng)濟(jì)。

2.1.2 擾動(dòng)方式對(duì)海砂氯離子含量的影響

目前市面上存在各種各樣的洗砂設(shè)備，例如螺旋洗砂機(jī)、水輪洗砂機(jī)和滾筒洗砂機(jī)等，它們的轉(zhuǎn)速和強(qiáng)制力都不同。它們都是工藝化設(shè)備，考慮到實(shí)驗(yàn)室的條件，研究采用了轉(zhuǎn)速為500r/min的亞甲藍(lán)攪拌機(jī)、高速為285r/min和低速為140r/min雙轉(zhuǎn)速凈漿攪拌機(jī)和手?jǐn)嚢杷捶ǎ謩e實(shí)現(xiàn)不同的轉(zhuǎn)速和強(qiáng)制力。

（1）亞甲藍(lán)攪拌機(jī)水洗法（500r/min），如表3。

表3    亞甲藍(lán)攪拌機(jī)水洗法對(duì)氯離子含量的影響            %

注：采用亞甲藍(lán)攪拌機(jī)進(jìn)行水洗3次，每次清洗3min。為了驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)的準(zhǔn)確性、重復(fù)性和復(fù)現(xiàn)性，對(duì)海砂進(jìn)行反復(fù)測(cè)試，得出數(shù)據(jù)組的平均值。

（2）凈漿攪拌機(jī)水洗法，如表4。

表4    凈漿攪拌機(jī)水洗法對(duì)氯離子含量的影響            %

注：采用凈漿攪拌機(jī)進(jìn)行水洗3次，每次清洗3分鐘；自帶轉(zhuǎn)速指的的是凈漿攪拌機(jī)自帶的轉(zhuǎn)速。

（3）手?jǐn)嚢杷捶ǎ绫?。

表5    手?jǐn)嚢杷捶▽?duì)氯離子含量的影響            %

試驗(yàn)表明：①在實(shí)驗(yàn)條件下，清洗海砂的設(shè)備轉(zhuǎn)速越高，海砂氯離子含量越容易釋放，它們的順序是：亞甲藍(lán)攪拌機(jī)淡化后的氯離子含量最低，其次是凈漿攪拌機(jī)，最后是手?jǐn)嚢琛＂谠趯?shí)驗(yàn)條件下，強(qiáng)制力最大的設(shè)備是凈漿攪拌機(jī)，但海砂淡化后的氯離子含量順序是：亞甲藍(lán)攪拌機(jī)攪拌的氯離子含量最低；其次是凈漿攪拌機(jī)；手?jǐn)嚢枳罡摺Ｕf明清洗設(shè)備的強(qiáng)制力對(duì)海砂氯離子含量的影響較小。③三種方式清洗完后氯離子含量都會(huì)降低至0.01%以下。原因在于：轉(zhuǎn)速是影響清洗效果的主要參數(shù)，轉(zhuǎn)換越快，砂表面與水接觸變換的次數(shù)越多，越有利于海砂氯離子含量的清洗。實(shí)驗(yàn)結(jié)果還表明，攪拌機(jī)強(qiáng)制力的大小不是影響清洗海砂的關(guān)鍵工藝參數(shù)，但是需要滿足海砂跟自來水一起被攪動(dòng)。

2.1.3 清洗時(shí)間對(duì)海砂氯離子含量的影響

本次主要研究在水砂質(zhì)量比1：1的條件下，轉(zhuǎn)速285r/min和140r/min下海砂清洗3次的不同攪拌時(shí)間對(duì)氯離子含量的影響。

（1）轉(zhuǎn)速285r/min下不同攪拌時(shí)間對(duì)氯離子含量的影響，如表6。

表6    轉(zhuǎn)速285r/min對(duì)氯離子含量的影響            %

（2）轉(zhuǎn)速140r/min下不同攪拌時(shí)間對(duì)氯離子含量的影響，如表7。

表7    轉(zhuǎn)速140r/min對(duì)氯離子含量的影響            %

試驗(yàn)表明：在實(shí)驗(yàn)的條件下，隨著攪拌時(shí)間的延長(zhǎng)，淡化后的氯離子含量越低，這說明攪拌時(shí)間一定程度上會(huì)影響海砂的氯離子含量。原因在于：隨著清洗時(shí)間的延長(zhǎng)，砂表面與水接觸變換的次數(shù)越多，越有利于海砂表面以及接觸海砂表面空隙氯鹽的清洗。因攪拌時(shí)間涉及到生產(chǎn)效益，可以根據(jù)實(shí)際生產(chǎn)情況選擇最佳的攪拌時(shí)間。

2.2 臭氧法對(duì)海砂氯離子含量的影響

原始海砂在水砂質(zhì)量比1∶1的條件下，研究通入不同時(shí)間臭氧并不斷攪拌和先通入不同時(shí)間臭氧后攪拌這兩種方法對(duì)海砂氯離子含量的影響，試驗(yàn)結(jié)果如表8所示。

表8    臭氧對(duì)氯離子含量的影響

處理一為對(duì)比樣，海砂中加入去離子水采用亞甲藍(lán)攪拌機(jī)清洗3次，每次攪拌5min；處理二為海砂中加去離子水，同時(shí)邊通入臭氧邊用亞甲藍(lán)攪拌機(jī)清洗3次，每次5min、10min以及15min；處理三為海砂中加入臭氧水后采用亞甲藍(lán)攪拌機(jī)清洗3次，每次5min、10min以及15min。

試驗(yàn)表明，相對(duì)水洗法來說，通入臭氧并沒有明顯降低海砂中的氯離子含量。除此之外，通入臭氧的時(shí)間對(duì)海砂氯離子含量影響較小。原因在于：氯離子與臭氧分子的反應(yīng)過程為：O3+Cl-→O2+Cl2或O3+Cl-→O2+ClO-，查閱電極電勢(shì)表：在酸性環(huán)境下，E（O3/O2）= +2.08V，E（Cl-/Cl2）= –1.36V；在堿性條件下，E（O3/O2） = +1.24V，E（Cl-/ClO-）=-0.84。因此，在酸性環(huán)境下發(fā)生2O3+2Cl-→3O2+Cl2（E= +0.65V）；在堿性環(huán)境下發(fā)生O3+Cl-→O2+ClO-（E=+0.4V），在酸性和堿性環(huán)境下反應(yīng)電勢(shì)均大于零，可知這兩個(gè)反應(yīng)可以自發(fā)發(fā)生。而海水一般呈弱堿性，海砂水洗溶液也呈中性偏弱堿性，因此臭氧氧化氯離子的反應(yīng)會(huì)發(fā)生。當(dāng)采用處理二以及處理三時(shí)，反應(yīng)產(chǎn)生的是ClO-，但是通入臭氧并沒有明顯降低海砂中的氯離子含量，這可能是①反應(yīng)時(shí)間內(nèi)反應(yīng)速率不高；②ClO-溶于水中會(huì)產(chǎn)生Cl-，小部分殘留于海砂表面；③臭氧水的濃度沒達(dá)到，發(fā)生部分反應(yīng)。因此，從試驗(yàn)的方法可以看出，臭氧法降低氯離子含量不明顯，且通臭氧的方法不經(jīng)濟(jì)，比較耗時(shí)。除此之外，在試驗(yàn)中還發(fā)現(xiàn)，處理二和處理三海砂的海腥味明顯變淡，這可能是由于臭氧氧化了海砂中的部分微生物。

2.3 電離法對(duì)海砂氯離子含量的影響

海砂中富含負(fù)價(jià)氯離子，根據(jù)異性電荷相吸的原理，在水砂質(zhì)量比1∶1的條件下采用亞甲藍(lán)攪拌機(jī)水洗三次后通24V直流電。具體試驗(yàn)結(jié)果見表9。

表9    電離法對(duì)氯離子含量的影響            %

實(shí)驗(yàn)表明，通電后氯離子含量與水洗三次后相比略有降低，但變化不明顯。原因在于：通過外加電場(chǎng)調(diào)整了離子的運(yùn)動(dòng)方向并加大離子運(yùn)動(dòng)的速度，使得海砂中富含的氯離子以及硫酸根離子向電極板運(yùn)動(dòng)。同時(shí)，隨著時(shí)間變化，海砂中會(huì)逐步緩釋少量Cl-。前期清洗海砂，基本把海砂表面的氯鹽以及硫酸鹽清洗掉，而隨著時(shí)間的變化，主要清洗的是海砂內(nèi)部慢慢遷移的氯離子。除此之外，采用此方法成本較高，經(jīng)濟(jì)及質(zhì)量無法得以保證。

3 結(jié)論與展望

（1）海砂和河砂物理性質(zhì)：海砂的氯離子含量和貝殼含量高于河砂，而其他的物理性質(zhì)基本一致；化學(xué)性質(zhì)：海砂的Cl-、SO42-以及CaO、CO2含量比河砂的高。

（2）在水洗法的淡化工藝中，當(dāng)水砂質(zhì)量比在1∶1的條件下，隨著清洗次數(shù)逐漸增加，海砂的氯離子含量先逐漸的降低后趨于平緩；攪動(dòng)轉(zhuǎn)速越快，越有利于氯離子的清洗；隨著清洗時(shí)間的延長(zhǎng)，海砂的氯離子含量會(huì)逐漸減低。

（3）在臭氧法的淡化工藝中，臭氧法沒有明顯降低海砂中的氯離子含量；在電離法的淡化工藝中，采用電離法能降低海砂的氯離子含量，但是變化不是很明顯，且成本較高。

（4）水洗法、臭氧法以及電離法這三種方法中，水洗法淡化海砂的效果最為明顯。水洗法中關(guān)鍵工藝參數(shù)為：水洗次數(shù)，清洗海砂3次較為經(jīng)濟(jì)；擾動(dòng)方式，轉(zhuǎn)速是關(guān)鍵參數(shù)，轉(zhuǎn)速越快，海砂氯離子含量越容易釋放；水洗時(shí)間，延長(zhǎng)清洗時(shí)間，越利于海砂氯離子的釋放。

（5）展望：本文暫未考慮海砂的緩釋，后續(xù)的研究中將從不同水洗次數(shù)、不同擾動(dòng)方式和不同清洗時(shí)間等方面研究淡化海砂中氯離子緩釋規(guī)律。

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