摘 要

本研究通过寻找几种廉价的废料或废弃副产品作为原料，研制出一种环保型融雪剂，其融雪化冰能力及技术指标均达到现行融雪剂标准和规范，且通过在本融雪剂中加入少量缓蚀剂进一步减少了融雪剂对环境的影响和污染，在减少融雪剂对环境污染的同时,又使废弃物得到综合利用变废为宝,符合我国循环经济的战略国策,且该融雪剂的性价比略优传统融雪剂,具有环保、高效、价廉三大特点。本文以性价比为目标，通过正交试验和影响因素研究获得到该融雪剂最佳制备工艺和配方，并对该融雪剂的使用工艺和方法进行了详细论述，为该融雪剂的的实际应用提供了科学依据和重要参考。论文最后对该融雪剂的作用机理和环保效应等进行了理论研究。

关键词：环保型；融雪剂；氯化镁；缓蚀剂；废物利用

Abstract

This study by looking for some cheap waste or waste by-product as raw materials, developed a kind of environment-friendly snowmelt agent, the melting ice ability and technical indexes reach the standard of snowmelt agent and the specification, and through the add a small amount of corrosion inhibitor in the snowmelt agent to further reduce the influence of the snowmelt agent to the environment and pollution, while reduce the snowmelt agent to the environment pollution, and make comprehensive use of the waste, waste conforms to the strategic policy of circular economy in our country, and the traditional superior cost-effective snowmelt agent slightly snowmelt agent, with environmental protection, high efficiency, low price three characteristics.In this paper, the optimal preparation process and formula of the snowmelt agent were obtained through orthogonal test and influence factor research, and the use process and method of the snowmelt agent were discussed in detail, which provided scientific basis and important reference for the practical application of the snowmelt agent.Finally, the mechanism and environmental protection effect of the deicing agent are studied theoretically.

Keywords: Environmental protection; Snowmelt agent; Magnesium chloride; Corrosion inhibitor; Recycling

目录

第1章 绪论 1

1.1选题背景及意义 1

1.2国内外的研究现状 1

1.2.1我国融雪剂研究发展现状 1

1.2.2国外融雪剂研究发展现状 2

1.3融雪剂融雪化冰机理 4

1.4氯盐类融雪剂的危害 5

1.4.1碳钢腐蚀机理 5

1.4.2混凝土剥蚀机理 5

1.4.3对土壤植物的危害 5

1.4.4其他方面影响 6

1.5缓蚀剂概述 6

1.5.1缓蚀剂定义及分类 6

1.5.2缓蚀剂的作用机理 7

1.5.3缓蚀作用的影响因素 7

1.5.4缓蚀剂在融雪剂中的应用 7

1.6试验内容和目标 8

第2章 试验材料与方法 9

2.1试验材料与仪器 9

2.1.1试验材料 9

2.1.2试验仪器和试验设备 9

2.2试验方法 9

2.2.1相对融雪化冰能力的测定 9

2.2.2缓蚀剂碳钢腐蚀速率的测定 10

2.2.3路面摩擦衰减率的测定 12

第3章 结果与讨论 14

3.1融雪剂相对融雪化冰能力的比较结果与讨论 14

3.2加入缓蚀剂的融雪剂碳钢腐蚀率结果分析 14

3.3融雪剂路面摩擦衰减率结果分析 15

3.4融雪剂成本比较与分析 15

第4章 喷洒设备选型与施用方法 17

4.1该融雪剂喷洒设备选型 17

4.2该融雪剂的施用方法 18

第5章 该融雪剂作用机理及环保效应分析 19

5.1该融雪剂作用机理分析 19

5.2该融雪剂环保效应分析 19

第6章 结论 21

参考文献 22

致谢 24

第1章 绪论

1.1选题背景及意义

我国北方大部分地区和世界上许多其他高纬度地区，冬季气候寒冷，多强降雪，且降雪期较长，如若遇到持续低温天气会造成降雪大量堆积，融化十分困难。积雪过多会使人们生活不便，还会影响交通，降低路面摩擦，增加交通事故发生的机率，导致高速停运，交通堵塞，机场关闭等严重后果。为了将冬季道路上阻碍交通的积雪清除，人们开始在道路上使用融雪剂化冰除雪。融雪剂，就是指能够降低冰雪融化温度，使冰雪可以在较低环境温度下融化的药剂。常用的融雪剂一般为氯盐型固体融雪剂。融雪剂的施用，减少了道路积雪，便于疏通道路，融雪效果明显，大大缓解了冬季有积雪道路的交通压力。

如今现代化生活的节奏越来越快，交通的便捷与否与人们的生活息息相关，这使得融雪剂的应用非常广泛。但是，传统型融雪剂的大量使用对城市基础设施，绿色植被和生态环境的危害较大，然而市面上虽有环保型融雪剂，但其价格较高，仅用于机场等安全系数要求较高的场地使用。因此，环保型、经济型融雪剂的研制才是重中之重。

1.2国内外的研究现状

1.2.1我国融雪剂研究发展现状

目前融雪剂主要分为三个类型：氯盐类，如NaCl、MgCl₂、CaCl₂等；有机或无机盐类、醇类、胺类等，例如乙酸钾、醋酸钙、镁盐；混合型，有氯盐类与非氯盐类混合融雪剂，氯盐类、非氯盐类和阻锈剂混合融雪剂^[1]。由于价格原因，以氯盐类为主要成分的融雪剂被广泛应用。在一些比较发达的国家或地区，使用乙酸盐型的融雪剂进行除雪工作。由于NaCl的价格较为便宜，供应量足够大，冰点也较低融雪化冰的效果较好，到目前仍难以找到可完全取代其的融雪剂。因此，虽然氯化钠腐蚀性较强，环保性较差，但绝大多数国家和地区还是在使用氯化钠型的融雪剂^[2]。

在关于融雪剂的研究中，我国从1995年左右开始，对融雪剂的成分、各种成分的配比以及如何进行添加剂的选择以尽量降低其对自然环境的破坏进行了研究，尽力研制出最佳配比的融雪剂，减少融雪剂对环境的破坏，包括对路面、钢筋的腐蚀和对绿化植被的破坏。直至近年，各种有机酸盐型融雪剂层出不穷，例如醋酸钠复合配方研究，疏水型复合融雪剂，将疏水盐类复合融雪剂、疏水复合缓动剂和疏水复合冰层软化剂混合使用，但是因为其价格较为昂贵在各地区应用较少。同时也有大量自融雪沥青混合料制路面的研究正在进行。

我国也有进行关于醋酸钙镁盐的研究。醋酸钙镁，通常缩写为CMA，是食盐（氯化钠）和其他常用融雪剂（如氯化钙，氯化镁和氯化钾）的环保替代品。与传统的融雪盐不同，CMA对人类和动物既无毒也无腐蚀性。它对植物没有已知的不利影响，因此消除了对路边植被和土壤破坏。它在土壤中的流动性差，减少了地下水污染问题，这是流动性更强的其他盐类所不具备的。由于凝固点为-37℃，CMA在较低温度下具有较高的效率，比食盐低近20度。众所周知，含有氯化物的融雪剂对道路，桥梁和车辆具有很强的腐蚀性，但CMA没有已知的有害影响。纯CMA在铝表面上无污染。 CMA的一个缺点是其价格，成本约为食盐的二十倍。尽管存在这种经济上的缺陷，但CMA通常用作桥梁，道路，停车场，机场跑道和其他结构上的融雪剂，其中腐蚀抑制是主要目标。仅从性能来说，它可以作为传统融雪剂的环保和友好型替代品。

早在20世纪80年代中期，CMA首次被提出并作为食盐的替代品进行了测试。从那时起，大量报告已经研究了其各种用途的合成和生产，性质和性能。1996年，美国联邦公路管理局报告称CMA的成分“主要是醋酸钙和镁的混合物，以3/7 Ca / Mg比率生产”。CMA是一个独特且定义明确的物质，与镁和钙的其他乙酸盐分开。例如，Dionysiou及其同事认为CMA是一种无水复盐，其中镁与钙的比例为2：1，优先在高温和不存在水（例如来自热无水乙酸）下形成。

1.2.2国外融雪剂研究发展现状

在美国，有学者尝试研制出一种阻锈型（缓蚀型）氯盐融雪剂，该种融雪剂是一种复合型、较为环保型的融雪化冰制剂。各个地区现在仍然还在采用CaCl₂与MgCl₂复合制成的除冰剂，在应用范围和数量上都会进行较为严格的控制。在早期时各国都把融雪剂的研制局限在氯盐型的融雪剂上，致力于研究此种融雪剂的成分配比的改进、无机复合盐型融雪剂的研究及其替代品的研究。后来，欧美的一部分发达国家开始了醋酸盐型融雪剂的研究。德国赫彻斯特股份公司用醋酸盐溶液进行液体除雪为基础并借助于此醋酸盐溶液制剂的除雪方式申请了此项目专利，该融雪剂的主要成分为醋酸钠、醋酸钾或者是二者一定比例的混合物。无论是在融雪剂的使用范围、使用数量还是施用时间上，美国对加入了添加剂的钙盐类、镁盐类、醋酸盐类的融雪剂，都采取了较为严格的控制措施^[3]。

自20世纪40年代以来，道路盐一直在帮助美国清除冰雪，每年使用的道路盐吨数都在增加。2005年，美国道路上以融雪剂的形式使用了2300万吨盐。十年来，道路盐的使用量稳步增长。在全国范围内，氯化钠（NaCl）是应用最广泛的融雪剂，因为它的成本低、效率高，但其他无机盐(如CaCl₂, MgCl₂和KCl)也常被使用。所有的道路盐都很容易在水中以同样的方式分解，并带有各自的阳离子（Na , Ca² ,Mg² 和K ）和Cl^-阴离子。科罗拉多州（美国）主要使用NaCl和MgCl₂的混合物，并以每年55493吨的产量成为美国第二大液态MgCl₂融雪剂的使用者。

氯盐型融雪剂对道路的路面，尤其是桥面里的结构支撑用钢筋、路两侧的绿地植物等的消极影响是肯定存在的。西方的发达国家除了采用尽量减少氯盐类融雪剂的施用量之外，还采用了以下举措来降低氯盐类融雪剂对路面及其周边环境的破坏。

一是广泛使用添加有缓蚀剂的阻锈型除冰剂，以确保氯盐类融雪除冰剂中Cl^-对设施及生物的破坏作用尽量减轻；二是在修建道路或桥梁时，就在其下设置隔离层，以防止Cl^-渗透进入路面或桥体对其造成腐蚀，同时，道路和桥梁结构中修建有合理的排水管道系统，使含有融雪剂的雪水溶液能够尽快排走，尽可能地减少路面或桥体与融雪剂的接触时间；三是为了防止融雪剂对沿道路两侧绿化植物的危害，在可能会接触到融雪剂的道路两侧及中央隔离带中，选择种植对盐类有耐受性的植物，也可以在冬季对植物进行遮挡掩盖，用此类方法防止氯盐型融雪剂沾染在绿化植物上^[4]。

为了保证融雪剂撒布到道路上能够快速有效地发挥作用。西方发达国家广泛采用预湿撒布的施用方式，即将融雪剂撒布到积雪上之前，撒布设备将一部分融雪剂预先溶解。撒布到积雪上的融雪剂实际上是溶解一部分后的糊状融雪剂。干式融雪剂（如氯化钠）为颗粒状，将其撒布到积雪上后，在溶解过程中，颗粒状的融雪盐需要从地面吸收大量热能，这会引起路面的湿度急剧下降致其开裂，从而减少路面的使用寿命^[5]。而预湿撒布，在融雪剂被撒布设备撒布到积雪上之前，就提前将融雪剂进行了融化。这样，由于融雪剂在溶解时所吸收的热量大部分来自于大气和溶解设备的机械部分中，融雪剂对路面的破坏就会在一定程度上降低。

融雪剂只有在溶解后呈溶液状态，才会具有融雪的作用。颗粒状的固态融雪盐抛撒到道路上后，还需在路上过往车辆的反复碾压的帮助下才能融化。这样融雪剂发挥功效非常慢，尤其是在一些车流量较小的道路。干式颗粒状融雪剂的自然溶解速率很慢，前期不具备融雪功能。此外，颗粒状的固体融雪盐抛撒在道路上后，极其容易被来往的车辆轮胎和大风卷走，使融雪剂大量堆积在道路两侧的绿化带中。此时，急需融雪剂进行融雪化冰的路面内又缺少必要的融雪剂。再者许多撒布融雪剂的工作人员不明白其中融雪化冰的原理，认为融雪剂施用越多越好，一味的增加融雪剂的撒布量。以上种种极大地浪费了融雪剂的用量，对道路路面、沿线植物及周围的环境等造成了严重影响。

西方发达国家的相关试验表明，为了达到同等的融雪化冰效率，运用具有预湿能力的设备进行撒布作业，与不具有预湿能力的设备进行撒布作业相比，至少能够节省 50％的融雪剂使用量。这对降低除雪作业的总费用和满足环境保护要求而言都是极其重要的。若某一地区干式颗粒状融雪剂的使用量为2万吨/年，如果采用具有预湿撒布功能的撒布设备进行除雪作业，就可以节约1万吨的干式融雪剂。目前市场上融雪剂的价格一般在900元/吨～1500元/吨之间。采用预湿撒布的施用方式每年仅融雪剂的花费就可以节约900万元～1500万元，这远不包含由于融雪剂使用过量造成的道路破环和植物死亡所产生的额外附加维护费用^[6]。

为了消除NaCl型融雪剂对环境的危害，各国纷纷致力于新型环保融雪剂的研究。新型融雪剂应具备下述条件：1、对人体健康没有损害；2、降低对绿化植物的消极影响程度；3、具有较好的融雪化冰效果，可以作为以氯化钠为主要成分的融雪剂的替代品；4、减少对道路混凝土的侵蚀以及降低对钢筋等设施的腐蚀性；5、较好的性能价格比^[7]。

1.3融雪剂融雪化冰机理

氯盐型融雪剂融雪化冰的机理是其溶解于水或雪后，凝固点在0℃以下，例如，我们常见的食盐，其主要成分为NaCl，溶解于水后溶液的凝固点在零下十摄氏度，氯化钙和乙酸盐溶解于水后的凝固点要更低，分别为零下二十和零下三十摄氏度左右。水的冰点要高于盐溶液，因此水比盐溶液更容易结冰，而盐溶解于水后可降低混合液的凝固点，使其与原来相比更不易结冰。融雪剂中的主要成分溶解于水中会导致其离子浓度升高，随之而来的是水的蒸发能力减弱，溶液中水的蒸气压降低，但是冰的固态蒸气压是恒定不变的。为了达到稳定平衡状态，即水的液相蒸气压与冰的固相蒸气压相等的状态，冰就会融化，从而稀释融雪剂溶液，提高溶液中水的蒸气压^[8]。这一原理也能较合理地解释盐水不容易结冰的机理。简而言之，就是，融雪剂使冰或雪的凝固点降低，使其更易融化而不再结冰。

水与其他一些液体不同，其凝结成冰后内部疏松多孔隙，因此密度会减小，而大部分液体凝结为固体后分子排列更为紧密，密度会增加。因此，水的凝固点会随着压强的不断增加而逐渐降低。我们常常注意到，被车辆碾压过的地方，上面的积雪往往更容易融化，以上原理即可解释这一现象。有积雪的路面撒上融雪剂后，再经车辆的碾压就更易使其融化。

融雪剂的融雪行为可以总结为两个方面：一是吸热行为，一千克固态的冰雪融化为相同温度下的液态水需要吸收的热量为335kJ；二是溶解行为，融雪剂作为溶质溶解于雪中成为溶液，或浓溶液融雪后被稀释为稀溶液，使融化后的雪水凝固点降低，在较低气温下流走，不再结为冰块^[9]。

盐类能够融雪化冰还由于冰雪获得了能量，能量来自：（1）人踩在雪上和车辆碾轧的压力；（2）溶液中分子的热运动；（3）抛撒氯化钙等盐类溶解于雪时放出的热量，单位质量的氯化钙融于水可放出246kcal能量，在环境温度为0℃时可以使3千克冰雪融化。冰雪融化过程实质上是以上各种因素共同作用的结果。

1.4氯盐类融雪剂的危害

1.4.1碳钢腐蚀机理

由于目前广泛使用的融雪剂中含有Cl^-，会在铁制的物体表面发生阳极半电池作用，使铁溶解在含有Cl^-的融雪剂溶液中，成为铁离子，并释放电子，使阳极半电池形成氯氧离子，导致铁被氧化形成氢氧化铁，即铁锈。一般情况下，腐蚀会先从表面开始进行，而后逐渐地侵入铁制物体内部，破坏其强度，使其所起作用削弱，降低铁器寿命。当融雪剂融雪化冰后产生的溶液从路面渗透进入桥梁钢筋混凝土结构中，或流入排水管道与金属制路政设施进行直接接触，或在汽车行驶过程中雪水溶液溅至车辆底盘金属部件上时，都会对其产生腐蚀，缩短各金属制件的使用寿命，造成巨大的经济损失 ^[11]。

1.4.2混凝土剥蚀机理

众所周知，在零摄氏度以下的积雪上撒布了融雪剂后，融化后的融雪剂和雪水混合液的凝固点仍在当地环境温度以下时，冰雪就会融化为液体排入地下管道而除去，其中大部分进入管道，另外一部分则会沿道路狭缝、裂缝等渗入道路的混凝土内部，引起该处道路混凝土内结冰，并使其体积产生膨胀，最终造成混凝土被侵蚀。

一般混凝土的表面最先被破坏，具体现象为其表面的砂浆层脱落，内部的骨料被暴露于表层，但是，剥蚀层下面部分的混凝土基本上不会被进一步侵蚀。这是由于融雪剂在进行除冰过程时需吸收很大的热量，而且空气对热量传递具有阻碍作用，融雪剂并不能从空气中吸收足够的热量，大部分的热量还是需要从覆盖着积雪的道路路面中吸收，这样则会导致道路下的混凝土温度急剧下降，在道路板体内部竖直方向上产生较大的温度差，因为这种温度骤降的热冲击，使路面受冷急剧收缩，产生较大的应力，使板体内部撕裂，对路面非常不利，导致其出现开裂和侵蚀 ^[12]。

1.4.3对土壤植物的危害

目前，国土资源部统计的人均耕地面积仅为1.5亩，可耕地面积仅占国土总面积的14％，特别是经济发达的东部地区，因其公路发达，人口密集，可耕地较少。使用雪融剂后，这一比例将会更低，高速公路两侧的生态环境不容忽视，不应该只注重短期融雪行为而不重视其带来的巨大负面影响。在这样严峻的情况下，在使用融雪剂时必须考虑土地盐渍化的问题。大多数目前用于融雪化冰的方法所用的融雪剂是含有氯离子的产品，这会对高速公路和绿化带两侧的土壤产生不利影响，导致土壤盐碱化^[13]。土壤中过度溶解的盐对植物的生长发育有多种危害，其主要危害如下：