【微課堂】海砂淡化關鍵工藝參數的研究

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林?慧

1995-

作者簡介：

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。

內容導讀：

水洗法降低海砂氯離子含量最為明顯。水洗法關鍵工藝參數是：水洗次數，清洗海砂不低于3次；擾動方式，轉速是關鍵參數；水洗時間，延長清洗時間，有利于海砂氯離子的釋放。

海砂淡化關鍵工藝參數的研究

林 慧1，宋新樂1*，馬 龍1，孫發圣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：文中通過化學分析法研究水洗法中水洗次數、擾動方式以及水洗時間對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海砂氯離子含量的影響，以得到最佳淡化海砂的工藝參數。結果表明：水洗法降低海砂氯離子含量最為明顯。水洗法關鍵工藝參數是：水洗次數，清洗海砂不低于3次；擾動方式，轉速是關鍵參數；水洗時間，延長清洗時間，有利于海砂氯離子的釋放。

關鍵詞：化學分析法；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，但河砂的儲量是有限的，且大量采集河砂對生態環境造成了破壞。我國是一個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灣地區在海砂應用于工程建設方面有多年的歷史［1］。近十年我國海砂的利用獲得快速的發展，國內大規模使用海砂的是寧波、舟山以及深圳等地區［2］，海南三亞新機場、儋州海花島等海砂填海工程也在建設之中［3］。但國內外因濫用或誤用海砂出現了海砂屋，造成嚴重的經濟損失［4-5］。這是因為海砂中含有有害物質，例如氯離子以及貝殼等，它們不能直接用于建筑中。氯離子的存在會破壞鋼筋表面的鈍化膜，造成鋼筋銹蝕，嚴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，強度降低，從而影響了混凝土的各方面性能［5］。對于貝殼含量，可以通過篩選而降到無害水平。而對于海砂的淡化，現階段已開展一些有意義的試驗，但有很多關鍵工藝參數仍未能得到研究［6-8］。

本文通過對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、擾動方式、清洗時間等因素對海砂中氯離子的影響，為后續研究與應用提供技術支持。

1 淡化試驗

1.1 試驗材料

試驗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《建設用砂》的要求。

表2    海砂及河砂主要成分(XRF)            %

表2的結果表明，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-是海水中結晶沉淀在砂表面及孔隙中的可溶性離子。

1.2 測試方法

測試方法：海砂氯離子含量的測試方法參照了GB/T 14684-2011《建設用砂》以及JGJ 52-2006《普通混凝土用砂、石質量及檢驗方法標準》［10］。

2 試驗結果與分析

2.1 水洗法對海砂氯離子含量的影響

2.1.1 水洗次數對海砂氯離子含量的影響

在水砂質量比1:1的條件下，研究海砂在亞甲藍攪拌機水洗3min下不同次數的氯離子含量，并按照測試方法對砂子的氯離子含量進行測試，具體試驗結果如圖1所示。

圖1    不同水洗次數對Cl-含量的影響

試驗表明：隨著水洗次數的增加，海砂的氯離子含量先呈現顯著下降后逐漸趨于平緩的趨勢。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晶清洗掉，而3次之后的氯離子需從海砂內部遷移擴散出來，遷移速度較慢且遷移量較小。在實驗清洗時間內，清洗3次后氯離子降低水平不再顯著，故初步海砂清洗3次比較經濟。

2.1.2 擾動方式對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備，例如螺旋洗砂機、水輪洗砂機和滾筒洗砂機等，它們的轉速和強制力都不同。它們都是工藝化設備，考慮到實驗室的條件，研究采用了轉速為500r/min的亞甲藍攪拌機、高速為285r/min和低速為140r/min雙轉速凈漿攪拌機和手攪拌水洗法，分別實現不同的轉速和強制力。

（1）亞甲藍攪拌機水洗法（500r/min），如表3。

表3    亞甲藍攪拌機水洗法對氯離子含量的影響            %

注：采用亞甲藍攪拌機進行水洗3次，每次清洗3min。為了驗證實驗的準確性、重復性和復現性，對海砂進行反復測試，得出數據組的平均值。

（2）凈漿攪拌機水洗法，如表4。

表4    凈漿攪拌機水洗法對氯離子含量的影響            %

注：采用凈漿攪拌機進行水洗3次，每次清洗3分鐘；自帶轉速指的的是凈漿攪拌機自帶的轉速。

（3）手攪拌水洗法，如表5。

表5    手攪拌水洗法對氯離子含量的影響            %

試驗表明：①在實驗條件下，清洗海砂的設備轉速越高，海砂氯離子含量越容易釋放，它們的順序是：亞甲藍攪拌機淡化后的氯離子含量最低，其次是凈漿攪拌機，最后是手攪拌。②在實驗條件下，強制力最大的設備是凈漿攪拌機，但海砂淡化后的氯離子含量順序是：亞甲藍攪拌機攪拌的氯離子含量最低；其次是凈漿攪拌機；手攪拌最高。說明清洗設備的強制力對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降低至0.01%以下。原因在于：轉速是影響清洗效果的主要參數，轉換越快，砂表面與水接觸變換的次數越多，越有利于海砂氯離子含量的清洗。實驗結果還表明，攪拌機強制力的大小不是影響清洗海砂的關鍵工藝參數，但是需要滿足海砂跟自來水一起被攪動。

2.1.3 清洗時間對海砂氯離子含量的影響

本次主要研究在水砂質量比1：1的條件下，轉速285r/min和140r/min下海砂清洗3次的不同攪拌時間對氯離子含量的影響。

（1）轉速285r/min下不同攪拌時間對氯離子含量的影響，如表6。

表6    轉速285r/min對氯離子含量的影響            %

（2）轉速140r/min下不同攪拌時間對氯離子含量的影響，如表7。

表7    轉速140r/min對氯離子含量的影響            %

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

2.2 臭氧法對海砂氯離子含量的影響

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

表8    臭氧對氯離子含量的影響

處理一為對比樣，海砂中加入去離子水采用亞甲藍攪拌機清洗3次，每次攪拌5min；處理二為海砂中加去離子水，同時邊通入臭氧邊用亞甲藍攪拌機清洗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攪拌機清洗3次，每次5min、10min以及15min。

試驗表明，相對水洗法來說，通入臭氧并沒有明顯降低海砂中的氯離子含量。除此之外，通入臭氧的時間對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過程為：O3+Cl-→O2+Cl2或O3+Cl-→O2+ClO-，查閱電極電勢表：在酸性環境下，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，在酸性環境下發生2O3+2Cl-→3O2+Cl2（E= +0.65V）；在堿性環境下發生O3+Cl-→O2+ClO-（E=+0.4V），在酸性和堿性環境下反應電勢均大于零，可知這兩個反應可以自發發生。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會發生。當采用處理二以及處理三時，反應產生的是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反應時間內反應速率不高；②ClO-溶于水中會產生Cl-，小部分殘留于海砂表面；③臭氧水的濃度沒達到，發生部分反應。因此，從試驗的方法可以看出，臭氧法降低氯離子含量不明顯，且通臭氧的方法不經濟，比較耗時。除此之外，在試驗中還發現，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 電離法對海砂氯離子含量的影響

海砂中富含負價氯離子，根據異性電荷相吸的原理，在水砂質量比1∶1的條件下采用亞甲藍攪拌機水洗三次后通24V直流電。具體試驗結果見表9。

表9    電離法對氯離子含量的影響            %

實驗表明，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：通過外加電場調整了離子的運動方向并加大離子運動的速度，使得海砂中富含的氯離子以及硫酸根離子向電極板運動。同時，隨著時間變化，海砂中會逐步緩釋少量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，而隨著時間的變化，主要清洗的是海砂內部慢慢遷移的氯離子。除此之外，采用此方法成本較高，經濟及質量無法得以保證。

3 結論與展望

（1）海砂和河砂物理性質：海砂的氯離子含量和貝殼含量高于河砂，而其他的物理性質基本一致；化學性質：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，當水砂質量比在1∶1的條件下，隨著清洗次數逐漸增加，海砂的氯離子含量先逐漸的降低后趨于平緩；攪動轉速越快，越有利于氯離子的清洗；隨著清洗時間的延長，海砂的氯離子含量會逐漸減低。

（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。水洗法中關鍵工藝參數為：水洗次數，清洗海砂3次較為經濟；擾動方式，轉速是關鍵參數，轉速越快，海砂氯離子含量越容易釋放；水洗時間，延長清洗時間，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，后續的研究中將從不同水洗次數、不同擾動方式和不同清洗時間等方面研究淡化海砂中氯離子緩釋規律。

參考文獻

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［10］張宏宇.海砂氯離子檢測技術研究與快速淡化處理探索［J］.黑龍江交通科技，2020，43（6）：54-55，57.

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