（化学工艺专业论文）环境友好、作物营养型融雪剂开发研究.pdf

摘要 世界上大多数城市冬天下雪。随着时代的发展，城市规模的不断扩大和城市 功能的日渐繁复，冬季雪天对城市道路交通进而对城市生活造成的影响越来越突 出，大量积雪阻塞了铁路和公路交通，而且冰雪路面也是冬季里交通事故多发的 重要原因。用一种安全可靠的方法除去积雪从而使人们兔受积雪之害成了冬季大 多数城市的当务之急。 在所有的除雪措施中，融雪剂除雪以其简便的操作方式、低廉的价格及优良 的融雪效果，成为近年来城市除雪的新宠。融雪剂融雪的原理在于融雪剂的冰点 比水的冰点( 0 c ) 要低得多，故而在比较低的温度下雪能够融化。以前人们常 用的融雪剂是氯化钠溶液，但由于融过雪的氯化钠溶液对环境及生态所带来的种 种弊端，作为传统融雪剂的氯化钠将逐渐被其他更环保、更安全的新型融雪剂所 代替。 “环境友好、作物营养型”融雪剂是一种新型环保型融雪剂。这种新型环保 型融雪剂为k c l 。m g c l 2 l u x 。系列，经实验证明：混合物中物质的比例为k c i ： m g c l 2 ：l u x = 4 0 ：5 0 ：1 0 、2 0 ：7 0 ：1 0 及1 0 ：8 0 ：1 0 的三种混合物符合融 雪能力 氯化钠的融雪能力的9 0 的要求，又含有k 、c a 、m g 、n 等作物所需 要的营养成分。这三种融雪剂中，第一种由于成本高暂不予考虑，第三种对作物 的危害较大也被排除，第二种产品经一系列的毒性试验，可以认为是较理想的环 保型融雪剂产品。( 注。：l u x 是一种由尿素、硝酸铵钙、硝酸铵镁及亲水型表面活性剂 所组成的低熔点、高渗透性复合物) 为定量地评价融雪剂的融雪能力及融雪速度，根据s h a u ns e l l e r s 的“雪融化 过程中的水流动理论”一文，本研究探讨了雪融化的动力学模型。 c o l b e c k 认为，地面上的雪层是一种多孔介质，它是由三部分所组成的：冰、 水和空气。其中冰是固体骨架，而水和空气在其中流动。当t = 0 时刻，在雪表 面z = h 上给予一定的热量g ( r ) ，此时雪表面上的雪开始融化，融化后的水由于 重力和毛细管力的作用开始下渗，产生了一个渗滤面或湿界面z 。( f ) ，这个界丽 把湿雪区与干雪区分离开来：同时，由于表面融化，雪表面自身也要向下运动 这个移动的表面称为融化面z 。( f ) 。能反映水的流动情况的是随深度和时间而变 化的两个量：水的体积流量u 。和有效的含水饱和度s + 。由d a r c y 定理和水的基 本的三相平衡关系可推导出带有边界条件的该过程的主方程。 水的三相平衡方程、d a r c y 定理联合基本的关系式，就得出了关于有效的含 水饱和度s + 的运动方程，即f o k k e r - p l a n k 方程 譬等= d i v 一。口a a s - p 。扩) ( 1 ) 该方程是从相平衡的主方程中解出的，因此，只要解出了f o k k e r p l a n k 方 程( 1 ) ，就可以求出有效饱和度f ，求出了s + ，从而就可以根据d a r c y 定理和 基本的关系式求出水的体积流量u 。而要解方程式( 1 ) ，需要知道边界条件 这些边界条件可以从相平衡定理中得出。为此把边界看作是单一的表面，通过这 些单一表面的相关量可以是不连续的。 方程( i ) 的边界条件为： p ! 型：竺璺坚二旦! 墅：呈：巫尘 “ 1 + p 。，9 ，- i ( s + s 。) ( 谚一1 ) l p 。k s 。伽- ( y - ：- o g r a d s + - p 。g ) r n = 0 在此过程中融化面的运动速度为： j ：一堑尘 曲? l 而渗滤面的运动方程则分为两种情况： 1 ) 含水饱和度连续时，渗滤面的运动方程为 铲镂警 2 ) 含水饱和度不连续时，渗滤面的运动方程为 铲鲥暖麓g 驴r a d 1 。见n + 6 1 1 z = 0 时 ( 2 ) ( 3 ) ( 4 ) ( 5 ) ( 6 ) 尽管边界条件即界面的位置z 。( ，) 可以通过方程式( 4 ) 来解决，但因为表面 有可能处于格点的位置，所以这类问题用数学的方法处理起来仍然是很棘手的， 用一种变量转变的方法可以把这种问题简化处理。也就是把依时间的边界条件转 化为固定的、不依时间的边界条件。 令z ：三一经过这样的变量代换，f o k k o r - p l a n k 方程( 1 ) 也转化为 三。u ) 百c 3 s 刮d 壶p ”川鲁 + c 肌炉州州衄，鲁 c ， 方程的边界条件为 驴h ( f ) 一州鲁卜讣) z 删 ( 8 ) 驴1 + 8 ( t 川，鲁1 z ：。时 ( 9 ) 通过融雪动力学实验装置测定从含融雪剂与不含融雪剂的雪层中，不同高度融 化雪的量，并绘出不同深度雪中的有效含水饱和度随时间的变化曲线，从而可定 量地比较不同融雪剂的融雪速度。 关键词：融雪剂环保营养 模型 i i i a b s t r a c t s n o wi sv e r yp o p u l a ri nm a n yc i t i e sa l lo v e rt h ew o r l d w i mt h ed e v e l o p m e n to f t i m e s ，e x p a n s i o no f c i t i e s s c a l ea n d b o o m i n go fc i t i e s c o m p e t e n c e ，c o m m t m i c a t i o n s a n dt r a n s p o r t a t i o na n di na d d i t i o nc i t i e s l i f ei ss e r i o u s l ya f f e c t e db ys n o wi nw i n t e r t h er a i l r o a da n dh i g h w a ya r eb l o c k e d b yb u l ks n o w , f u r t h e r m o r e ，r o a dc o v e r e dw i t h i c ea n ds n o wi sav e r yi m p o r t a n tr e a s o nt ot h et r a f i l ea c c i d e n t si nw i n t e r s oi ti sa p r i m a r yt a s ko fm a n yc i t i e st oe l i m i n a t es n o ww i t has a f e t ym e t h o dt h u st or e l i e v e p e o p l eo fs n o w h a r m i nr e c e n ty e a r s ，s n o w m e l t i n ga g e n ti saf a v o r i t em e t h o di na l ls n o w e l i m i n a t i n g m e t h o d so v e rc i t i e sb e c a u s eo fi t s s i m p l eo p e r a t i n g , l o wp r i c e sa n de x c e l l e n ts n o w m e l t i n ge f f e c t s t h ep r i n c i p l eo fs n o w m e l t i n ga g e n tm e l t i n gs n o w i st h a tt h em e l t i n g p o i n to fs n o w - m e l t i n ga g e n ti s l o w e rt h a nt h a to fw a t e r , s ot h es n o wm i x e dw i t l l s n o w - m e l t i n ga g e n ti sa b l et om e l t a tl o w e r t e m p e r a t u r e n a c ls o l u t i o ni sa t r a d i t i o n a l s n o w - m e l t i n ga g e n t u s e d b yp e o p l ei np r e v i o u s l yt i m e s ，h o w e v e r , b e c a u s en a c i s o l u t i o na f t e rm e l t i n gs n o wh a sb r o u g h tl o t so fa b u s et ot h ee n v i r o n m e n ta n de c o l o g y , i ti sg r a d u a l l yr e p l a c e db yo t h e rm o r ef r i e n d l ye n v k o n m e n t a la n dm o r es a f e t yn e w s n o w m e l t i n ga g e n t t h e “a m i c a b l et oe n v i r o n m e n ta n dn u t r i t i o u st oc r o p s ”s n o w m e l t i n ga g e n ti sa k i n do fn e we n v i r o n m e n t a l p r o d u c t s i t sm a i ni n g r e d i e n ti sk c i m g c l 2 - l u xs e r i e s i ti st e s t e dt h a tw h e nt h ep r o p o r t i o no f k c i ：m g c l 2 ：l u xi s 4 0 ：5 0 ：1 0 ，2 0 ：7 0 ：1 0a n d 1 0 ：8 0 ：1 0 ，t h ea b i l i t yo fm e l t i n gs n o wi nt h es e r i e sa c h i e v e s9 0 o f n a c ii nt h e s a m ec o n d i t i o n s ，i tc o n t a i n sk ，c a ，m g na n ds oo nn u t r i t i o nw h i c ht h ec r o p sn e e dt o g r o w t h ef i r s ti se l i m i n a t e db e c a u s eo f i t se x p e n s i v ec o s t s ，t h et h i r di sm o r eh a r m f u l t oc r o p st h u si ti sa l s oe l i m i n a t e d ；t h es e c o n di sam o r ei d e a le n v i r o n m e n t a lp r o d u c t s v i aas e r i e so f t o x i c i t yt e s t s i no r d e rt oe v a l u a t et h ea b i l i t ya n dv e l o c i t yo fm e l t i n gs n o wi ns n o w - m e l t i n g a g e n t ，t h i sr e s e a r c hd i s c u s s e sd y n a m i c s m o d e li ns n o wm e l t i n gp r o c e s so nt h eb a s i so f s h a u ns e l l a r sa r t i c l e t h e o r yo fw a t e rt r a n s p o r ti nm e l t i n gs n o ww i t ham o v i n g s u r f a c e ” t v c o l b e c k st h e o r yt r e a t st h es n o wc o v e ra sap o r o u sm e d i u m c o n s i s t i n go ft h r e e p h a s e s ：i c ec r y s t a l s ，w a t e r , a n da i r t h ei c ec r y s t a l sf o r mar i g i dp o r o u sm a t r i xt h r o u g h w h i c ht h ew a t e ra n da i rc a r lf l o w a tt i m et = 0 ，h e a t ( q ( t ) ) i s s u p p l i e dt ot h es u r f a c e z2h ，r e s u l t i n gi ns u r f a c em e k i n go ft h ei c e c r y s t a l s t h em e l t w a t e rp e r c o l a t e s d o w n w a r d sd u et og r a v i t ya n dc a p i l l a r ye f f e c t s ，p r o d u c i n gap e r c o l a t i o no rw e t t i n g f r o n t z p ( t ) ，w h i c hs e p a r a t e s t h ew e ts n o wr e g i o nf r o mt h e d r y s n o w r e g i o n a d d i t i o n a l l y , d u e t ot h es u r f a c em e l t i n g ，t h es n o ws u r f a c ei t s e l f w i l lm o v ed o w n w a r d s a sam e l tf r o n tz m ( t ) t h ew a t e rv o l u m ef l u x ( u w ) a n de f f e c t i v es a t u r a t i o n ( s ) a s f u n c t i o n so fd e p t ha n dt i m em i r r o rt h e t r a n s p o r t a t i o n o fw a t e r t h eg o v e r n i n g e q u a t i o n sf o rt h i sp r o b l e ma l ed e v e l o p e d t h e ya r eb a s e do nd a r c y sl a wa n dt h e m a s sb a l a n c eo f t h ew a t e r p h a s e ，s u p p l e m e n t e d w i t h a p p r o p r i a t eb o u n d a r y c o n d i t i o n s t h ew a t e rm a s sb a l a n c ea n dd a r c y sl a wi nc o n j u n c t i o nw i t ht h ec o n s t i t u t i v e r e l a t i o ny i e l da ne v o l u t i o ne q u a t i o nf o rt h ee f f e c t i v es a t u r a t i o ns + ，t h en o n l i n e a r f o k k e r - p l a n ke q u a t i o n 竿等= d i v 一。1 酬s - p w 扩 ( 1 ) t h i se q u a t i o ni su n c o u p l e df r o mt h ee q u a t i o n sg o v e r n i n gt h eo t h e rp h a s e s t h u s t od e t e r m i n et h ee f f e c t i v ew a t e rs a t u r a t i o ns + i nt h eb u l kr e g i o n ，i ti so n l yn e c e s s a r yt o s o l v et h ef o k k e r - p l a n ke q u a t i o n ( 1 ) t h ec o r r e s p o n d i n gw a t e rf l u xu wi st h e n d e t e r m i n e db y d a r c y sl a w a n dt h ec o n s t i t u t i v er e l a t i o n s e q u a t i o n ( 1 ) f o r t h eb u l kr e g i o nm u s tb es u p p l e m e n t e db yb o u n d a r yc o n d i t i o n s ， t h e s ec o n d i t i o n sw i l lb eo b t a i n e df r o mt h eb a l a n c el a w sb yt r e a t i n gt h eb o u n d a r i e sa s s i n g u l a rs u r f a c e s ，a c r o s sw h i c h r e l e v a n tq u a n t i t i e sm a yb ed i s c o n t i n u o u s t h eb o u n d a r yc o n d i t i o n so f e q u a t i o n ( 1 ) i s ： s 。拱1 筹烹ss 意= 案k ，咆 + p 。n “( + 。) ( 谚一1 ) z 护。 。 s 叶( 。d - ( ，“) g r a d s 一尸。g ) n = 0 a t= = 0( 3 ) i nt h i sp r o c e s s ，t h em e l tf r o n t v e l o c i t y 。i s ： v ：一巫尘 一 触l ( 4 ) t h ee q u a t i o n sg o v e r n i n gt h ee v o l u t i o no ft h e s i n g u l a rp e r c o l a t i o ns u r f a c ei s d e v e l o p e df r o mt w o g a s e s ： 】) d i s c o n t i n u o u ss a t u r a t i o n 毛：掣丛靼 ( 5 ) 。9 纯心s + + v 2 ) c o n t i n u o u ss a t u r a t i o n j 。：垫鱼盟粤坚磐竺邀 ( 6 ) 9 肌纯n g r a d + s 一 a l t h o u g ht h ei n t e r f a c ep o s i t i o nz 1 1 l ( t ) c a l lb ee x p l i c i t l yd e t e r m i n e dt h r o u g ho n c e t h eh e a t i n gi ss p e c i f i e d ，t h ep r o b l e mi ss t i l l e da w k w a r dt oi m p l e m e n tn u m e r i c a l l y s i n c et h ei n t e r f a c ew i l l g e n e r a l l y b el o c a t e db e t w e e ng r i d p o i n t s o av a r i a b l e t r a n s f o r m a t i o nf o ro n e d i m e n s i o n a lp r o b l e m st h a tm a p st h et i m e - d e p e n d e n tb o u n d a r y t oaf i x e d ，t i m e - i n d e p e n d e n tb o u n d a r y v i at h i st r a n s f o r m a t i o nf o k k e r - p l a n ke q u m i o n ( 1 ) b e c o m e s 竖3 t 训a z c gl ( s ( j - e - oo a z s p r 矿* x - i 州r 弘，瓦a s * t h u s ，t h eg e n e r a lb o u n d a r yc o n d i t i o nb e c o m e s 驴1 + 8 ( t 川割训坝o a tz = ， 驴m 啪叫川剀 a tz = 0 t h ea m o u n to fm e l t e ds n o wa td i f f e r e n tt i m e si ns n o wc o v e rw i ms n o w - m e l t i n g a g e n t o rn os n o w - m e t i n g a g e n t g a l lb et e s t e da td i f f e r e n th e i 出t h r o u g ht h e e x p e r i m e n t a l i n s t a l l a t i o no fd y n a m i c si ns n o wm e l t i n g s ot h ee f f e c t i v e w a t e r s a t u r a t i o ns + a td i f f e r e n th e i g h ti nt h es n o wc o v e rg a l lb ed r a w n t h em e l t i n gv e l o c i t y i ns n o wg o v e rw i t hv a r i o u ss n o w - m e t i n ga g e n tg a l lb ec o m p a r e d t oe a c ho t h e r k e y w o r d s ：s n o w m e l t i n ga g e n t ，e n v i r o n m e n t ，n u t r i t i o u s ，m o d e l 符号说明 g ，g 重力加速度，重力加速度矢鼍丸孔隙率 h 雪的原始厚度 k 物质的渗透率 k 。水的渗透率 n 冰的密度 上潜热 n 面的法线方向 m 。冰转化为水的质量单位面积流最 只毛细管压力 q ( t 、f 时刻时表面上的热量 s 有效含水饱和度 s 。含水饱和度 s 。，束缚水的含水饱和度 s 。流动水的含水饱和度 忪。i l 渗滤面上含水饱和度的差值 g r a d + 瓯单一面上的含水饱和度上极限值梯度 t 时刻 u 。水的体积流量失量 x 渗透率指数 y 毛细管压力 ：垂直方向坐标 z 转化后的垂直方向坐标 z 。( r ) 融化面，时刻时的位置 z 。( f ) 渗滤面f 时刻时的位置 x 以冰的体积分数 丸空气的体积分数 丸水的体积分数 丸，束缚水的体积分数 庐。流动水的体积分数 心水的粘度 p 。水的密度 郑州大学t 学砸i 论文 望! ! 兰壁苎! 竺翌墅! ! 堕些堡! 里! g 堡! 垫兰! g ! ! ! 竺翌g ! ! 兰! ! ! 墨! ! 竺兰堕! ! ：竺! 堕! 第一章引言 1 1 城市道路除雪的必要性 我国北方城市及世界上大多数城市冬天下雪。“忽如一夜春风来，千树万树梨 花开”描写的就是雪后的醉人美景，堆雪人、打雪仗等也都是人们爱玩的雪地里 的游戏。然而，随着时代的发展，人们生活水平的提高，城市规模的不断扩大和 城市功能的日渐繁复，冬季雪天对城市道路交通进而对城市生活造成的影响越来 越突出，曾给人们带来无限欢乐的雪也给人们带来了许多烦恼。大量积雪阻塞了 铁路和公路交通，而且冰雪路面也是冬季北方地区交通事故多发的重要原因。我 国主要城市的有关资料显示： 北京市1 9 8 9 年1 月5 6 日，北京市普降大雪，大部分区县降雪量为有 气象记录以来同期最大值。5 6 日因路滑交通事故及骨折患者增多，据积水潭 医院统计，7 冗急诊人数比平日增加7 0 。另据市长途汽车公司反映，5 9 日平 均每日有1 1 2 条线路停运，8 日最多达1 4 1 条，占总线路的7 0 。1 9 8 7 年2 月1 6 只，北京地区降冻雨，道路结冰，公共汽车运输效率严重下降，交通事故上升， 许多职工不能按时上下班，因摔伤去医院就诊人数比平时大大增加。据统计，北 京市长途汽车公司的2 5 0 条线路，1 6 日停运9 0 条，1 7 日停运1 8 0 条。北京地区 火车站的货物周转时间均比上句长。1 6 日首都机场取消7 0 个航班，约4 0 0 0 人 滞留机场。 上海市1 9 8 9 年2 月2 0 2 5f 1 连降中到大雪，部分地区降大暴雪，上海 市铁路局管内铁路运输受到影响。1 9 9 0 年1 月3 0 日，上海地区普降大雪，3 1 日晨，马路上积雪成冰，路上行走和车辆行驶都十分不便，1 0 小时以前，虹桥 国际机场因跑道结冰，航班停飞，机场关闭。天目路老北站等地区出现车辆“横 溜”，发生前后车辆相撞，造成道路阻塞。不少乘客因局部地区公交车辆阻塞， 马上改为步行踏雪上班。 环境友好、作物营养型融雪剂开发研究 坠! ! ! ! ! 竺! 堕垒! ! 型：竺! 璺! 垒壁坐! 尘里竺旦：! ! 型! ! 竺竺! ! ! ! ! ! ! 生曼! 蔓! ! ! 竺! ! ! 天津市1 9 8 0 】9 9 0 年，平均年降雪闩为8 1 同。1 9 8 6 年1 2 月2 6 2 7 日，市区道路积雪达l o 多c m 厚，接着1 9 8 7 年1 月1 日1 1 日连续降雪，致使 路面积雪越来越厚，使机动车和自行车难以行驶，造成交通堵塞，行人跌跤。据 不完全统计，1 9 8 6 年1 2 月2 6 2 7 同，天津医院骨科急诊室就接收4 1 6 名骨折 患者。1 9 8 7 年2 月1 6 - - 1 7 同天津及各郊县普降小雨夹雪。路面溜滑，使很多人 跌倒摔伤，天津医院从1 7 日晨8 点到9 点接待了因路滑摔伤的病人3 0 多名。1 9 8 9 年一场小雪一天摔伤3 0 0 多人。1 9 9 0 年1 月下旬大雪，市区六区的一些道路雪 板结成冰块，摔伤者人数大增，从2 9 日7 时至3 0r2 时，天津医院骨科急诊市 收治7 0 余名被滑倒摔成骨折的患者，基本上是骑自行车走亲访友的中年男女， 尤以上肢腕关节和肘关节，下肢股骨胫和踝骨骨折最为严重，占全部的8 0 以上； 此外，便是软组织挫伤。3 1 日，供天津铁路分局南曹铁路的一条l o 千伏高压电 力架空线路，因雪后结冰造成高压短路，南仓配电室电源过流闸，致使南曹铁路 全部中断供电，影响了铁路列车的正常运行。 江苏省南京市1 9 8 4 年1 月1 8 日，大雪，南京长江大桥连续三个早晨堵 车8 0 0 9 0 0 辆。1 9 8 9 年2 月2 2 2 4 日，又因大雪冰冻，南京市停发长、短公 共汽车2 4 0 多班次，有6 0 0 0 多旅客滞留车站；南京机场因飞机无法起落而关闭 三天；南京东站因道岔冻结，不能正常作业。1 9 9 0 年1 月3 0 日，普降大雪，并 严重冰冻，南京长途汽车站至长江以北班车全部停开，约1 万名旅客滞留在车站。 南京长江大桥公路桥面暂时封闭，通沙轮渡关闭。少数地方电话线路及供电亦中 断。 黑龙江省哈尔滨市1 9 8 8 年冬季黑龙江省多雪，春季公路翻浆现象严重。 1 9 8 8 年4 月6 月该省出现1 9 4 9 年以来最严重的春涝灾害，导致全省公路大量 翻浆，翻浆总长度达2 0 2 0 k m ，占养护里程的1 2 5 。哈尔滨市通往大庆，齐齐哈 尔，牡丹江，佳木斯，黑河，伊春等中心城市的交通严重受阻。1 9 9 0 年1 月2 6 同开始，哈尔滨铁路局管内大部分地区在一3 0 。c 4 0 。c ，大雪覆盖，运输秩序受 到严重影响。”1 从上述资料可以看出，积雪使人们受伤、交通受阻的同时也不可避免的给国 家和个人经济造成了巨大损失，用一种安全可靠的方法除去积雪从而使人们免受 郑州人学工学硕卜论文 d i s s e f l a t i o n f o r t h em a s t e rd e g r e ei ne n g i n e e r i n go f z h e n g z h o uu n i v e r s i t y 积雪之害成了冬季大多数城市的当务之急。 1 2 几种主要的除雪措旌 除人工扫雪外，清除道路冰雪的措施主要有以下几种： 机械除雪常用的除雪机械有除雪车、除雪推土机、除雪装载机 以及防冻材料洒布车等； 电热消雪除雪在道路摊铺施工时，将绝缘的电热线按一定间距、 一定深度埋在地下，通电后使路面温度升高来消雪和防止路面冻结 的一种方法。常用在公路隧道、地下道的出入口道路交叉口以及车 站、停车场等场所。它的优点是不使用除雪机械除雪，操作简单， 能实现自动控制；缺点是成本及使用费用高，热效率差，一旦出现 故障将造成整体消雪失灵等； 洒水消雪在道路或场地地下铺设管道，利用地下水、温泉水或 工厂排放的温水在管道中循环来消除积雪，或让温水喷洒出地面洒 落在路面上熔化冰雪； 洒布融雪剂溶液除雪采用冰点比较低的融雪剂溶液喷洒在冰雪 上，使冰雪能够在较低的温度下融化。“1 在所有的这些除雪措施中，融雪剂以其简便的操作方式、低廉的价格及优良 的融雪效果，成为近年来城市除雪的新宠。现在所使用的融雪剂基本上是以氯化 钠为主，即将原盐经粉碎、筛分为一定粒度的颗粒或将盐溶于水成盐水，再用机 械抛洒于路面及其他场地进行融雪作业。因氯化钠对环境会造成污染，对道路设 施会产生腐蚀，及其在高寒地区的使用效果不佳等原因，还因盐水用量大而不适 用长距离融雪作业，故正逐步被其它新型融雪产品所代替。 1 3 融雪剂的起源与分类 融雪剂应该说是应运而生。上世纪四五十年代，以美国为代表的发达国家的 经济与交通取得长足发展，城市间的高速公路甚至逐步取代了铁路的功能而成为 卧境友好、作韧雷乔型黜署剂升芨训笕 ! 坐! ! ! ! ! ! ! 生! ! ! ! ：里! ! ! ! ! 呈垒g ! 坐! ! 些竺! ! 里：! ! ! ! ! ! ! 竺竺! ! 翌! ! 璺坠里! ! ! ! ! ! 竺! 竺! 经济发展的主体命脉，于是保证城市高速公路交通畅达，成为现实而又特别重要 的任务。冬季下雪是公路、铁路交通的“大敌”，于是就有了融雪剂化冰雪的方 法。 融雪剂主要分为氯盐型、非氯盐型及混合型；若按化学组成划分，还可以分 为无机、有机和混合型。3 1 r - 氧盐型( 氯化钠、氯化镁，氧化钙等) 融雪剂卜_ j 氧盐型( 有机或无机盐，胺、醇等) l 混合型厂氧盐叫8 氧盐 l 氯盐+ 非氧盐+ 阻锈荆 以前人们常用的融雪剂是氯化钠溶液，例如，在上个世纪六十年代和七十年 代，美国就主要使用氯化钠作为除雪剂来融冰化雪。但由于融过雪的氯化钠溶液 对环境及生态所带来的种种弊端，作为传统融雪剂的氯化钠逐渐被其他的更环 保、更安全的新型融雪剂所代替。 1 4 融雪剂融雪原理 将一不挥发性溶质溶于某溶剂时，溶液的凝固点比纯溶剂的凝固点降低。 液态物质在一定的外压下逐渐冷却至开始析出固态时的平衡温度，称为该物质的 凝固点。 相平衡的条件指出：一物质多相平衡时，该物质在各项中的化学势相等。 因此物质a 在固一液气三相平衡时，应有下式存在： 式中：儿”a 物质纯固态的化学势 心7 a 物质纯液态的化学势 郑州大学丁学顺i “论文 里i 笋。r t a t i o nf o rt h em a s t e rd e g r e e i ne n g i n e e r i n go f z h e n g z h o uu n i v e r s i t y 心。a 的气态物质在外压p 。下的化学势 - l 。唧a 的气态物质在标准压力p o 下的化学势 可见三相平衡时，液固两相的蒸汽压必然相等。 纯物质在该物质饱和蒸汽压下的凝固点，称为三相点。在大于两相平衡饱和 蒸汽压的外压下，液一固两相平衡时，两相的饱和蒸汽压也必然相等。 液态溶液的凝固点不仅与外压有关，还和液态溶液的组成，以及析出固态物 质的组成有关，在溶质b 与溶剂a 不生成固态溶液的条件下，当溶剂a 中溶有少 量溶质b 后，则从溶液中析出固态纯溶剂的温度，就会低于纯溶剂在同样外压下 的凝固点，这就是凝固点降低。 图1 1 示意地绘出凝固点降低原理：图中三条线为在一定外压下( 如大气压 力) 下凝聚相中溶剂a 的蒸汽压曲线。液态纯溶剂的蒸汽压曲线与固态纯溶剂的 蒸汽压曲线相交于0 点，此点所对应的温度吖为纯溶剂在该外压下的凝固点； 根据拉乌尔定律，溶液中溶剂的蒸汽压曲线位于液态纯溶剂的蒸汽压曲线的下 方，它和固态纯溶剂的蒸汽压曲线相交于a 点，a 点所对应的温度t ，是在同样外 压下溶液的凝固点，t ! 估计以后的1 5 年间( 到, ? , 0 0 0 4 年) ，还要耗费1 2 亿英镑( 累 积接近造价的6 倍) ! ”。 我国近期修建的一些钢筋混凝土结构设施，如北京、天津的一些立交桥，虽 然投入的时间不长，撒盐除冰雪的次数也不如美英北部地区那样频繁，但暴露出 日益严重的钢筋腐蚀破坏现象，有的甚至不得不花费巨资进行修补。例如北京原 西直门桥、东直门桥、三元桥等都曾见到混凝土表面粉化掉皮，钢筋锈蚀导致混 凝土顺钢筋开裂的“盐害”病症；天津建成仅1 0 多年的立交桥，桥梁的边梁已 大面积碱化，两头及帽粱混凝土出现裂缝并剥落，使钢筋外露、锈蚀，桥梁墩柱 严重损坏；又如，哈尔滨一大庆的公路，建成后投入使用仅5 年，钢筋混凝土就 出现了顺筋胀裂，层裂或剥落，造成这些损害的罪魁祸首就是冬季融雪的盐水。 【卅 盐水对路面的损坏表现在：由于雪干后柏油路常留下白花花一层盐渍，路面 上的沥青会变得坑坑洼洼，久而久之会加速沥青混凝土路面的老化。一条没经过 防钠盐处理的公路，在经过钠盐融雪后，寿命可减少5 0 以上。如天津市一些新 建不足5 年的道路已经出现大面积“龟裂”。” 1 5 2 以氯化钠为主的融雪剂对交通车辆所带来的损害 盐水对交通车辆的影响主要是由于盐雪水溅到过往车辆上而腐蚀车体。盐在 与金属接触的过程中，会形成电化学腐蚀反应，使汽车底盘的金属生锈甚至形成 严重的腐蚀；而食盐与轮胎橡胶中的高分子长期接触，也会产生定的化学反应， 加速轮胎老化，缩短轮胎的使用寿命；车底盘的球头、拉杆、减震器、油箱底等 多是铁质的，长时间受腐蚀，非常容易生锈并导致零件破损，严重时还会影响到 行车安全。为了增强车辆对氯化钠的抗腐蚀性，大多数汽车生产厂商对车辆采取 环境友好、作物营养型融雪剂开发研究 兰! 竺! ! 竺! 里! 生! ! ! ：竺! ! ! ! ! 曼垒g ! ! ! ! 韭! 竺竺旦：! ! 型! ! ! ! 鲤! 堡! 皇生垦! 兰竺! 竺! 苎 “底盘封塑”的处理方法，“封塑”后的汽车底盘可以有效抵御氯化钠等腐蚀物的侵 害。为此，汽车生产厂商每年花费1 9 亿美元到3 9 亿美元，而汽车使用者为防止 盐的腐蚀每年也要花费1 0 亿美元到2 0 亿美元。这还不止，由于车辆所带的盐对 停车场也有腐蚀，使停车场很快需要修复，在美国，这项损失约为7 5 0 0 万美元 到1 7 5 0 0 万美元之间。”1 1 5 3 以氯化钠为主的融雪剂对环境的危害 把融过雪后含盐水的冰雪水堆放在绿地、树池及其融化后有可能影响植物生 长的地区内，融雪剂就会对路边的植物、土壤、地表水及饮用水等产生不良影响。 氯化钠对路边树木和其它植物的损害为5 一1 0 ，浓度大于0 2 一0 3 的盐水 ( 目前使用的盐水浓度不低于1 5 ) 一旦浸入绿地，会增大土壤的盐碱度，植物 因生理性缺水会产生“渴死”；钠盐化合物还可以破坏土壤的成分，阻止土壤给 养，从而“饿死”植物。这些危害所引起的直接后果是：植物叶黄、枯枝甚至整 株死亡。”1 根据北京市园林局的初步统计，2 0 0 3 年上半年，北京市八区5 1 条( 块) 道路和绿地的3 7 万株绿篱受害枯死，约占全市绿篱总数的5 到1 0 ：草地受 害达3 万多平方米。而从“五一”后，园林部门发现，大树也陆续开始出现问题， 其中毛杨树最多，栾树、油松、大桧柏等也受害严重。“重灾区”主要是北京三 里河路南段、长安街及其延长线、二环路、三环路、四环路等。目前总计有几万 株以上的灌木和乔木枯死，直接损失达数百万元。“0 1 北京市两位中学生在教师指导下曾作过观测，1 9 9 7 年她们在新街口豁口、 雍和宫、西单受盐化雪影响的地段，选取临街树坑( 曾堆积含盐残雪) 设置了取 样点，同时在正常树坑处设置了对比取样点，分别提取土样进行化验。结果是： 受撒盐化雪影响的取样点地表以下2 5 c m 处的土壤含盐量是对比样点的1 0 倍， 含盐量高达o 1 3 ；至雨季过后的9 月，含盐量最高的新街口豁口地段土壤含盐 量还在正常量的3 倍左右。根据国家颁布的土壤含盐量标准，1 9 9 7 年3 月受撒 盐化雪影响地段的含盐量，只有耐盐碱的植物才能够正常生长，而对目前所种的 人行道树木及绿化植物有害。1 盐水使路边的土壤盐分增加的同时，也增加了土壤的密度，造成土壤硬 2 堡! ! 兰苎! ! ! 虫! ! 塑坚! ! ! ! ! 里! g ! 望竺曼! 苎! ! ! ! ! ! ! 苎! ! 兰! ! ! ! ! ! ! 竺坚! ! ! ! ! ! 堕 化贫瘠。盐水对饮用水也有一定的影响，在过去的三十多年中，在美国东北部 大量使用氯化钠融雪剂的地区都报道有关饮用水中盐分增加的例子。高盐度的 饮水对人体健康有害，尤其是导致高血压病，这一点是人所共知的。 综上所述，盐水化雪对环境所带来的危害如此之大，人们迫切需要一种 无污染、环保型融雪剂来代替传统的氯化钠融雪剂。 1 6 环保型融雪荆的研究状况及进展 正是由于以氯化钠为主的融雪剂的负面影响和所造成的巨大经济损失， 促使人们开始努力寻找一种既能尽快地除雪，同时又不至于对环境及道路交 通设施造成危害的环保型融雪剂作为食盐的代替品。 近几年，通过国内外的科学家们的不断努力，环保型融雪剂的研制工作 已取得了一定的进展，几种新型环保型融雪剂相继问世并投入使用。 俄罗斯道路研究所研制出了三种新的融雪剂：一种是以钾醋酸盐为主要 成分的化学合成物：另一种是经过处理的氯化钙溶液：第三种是由尿素、钙 镁硝酸盐等制成的混合物。前两种制剂分别用来融化1 2 0 万平方米和4 2 0 万 平方米的主干道路冰雪，第三种制剂将用于融化人行道、街心花园小区以及 森林公园道路上的冰雪”“。 北京环卫科研所从2 0 0 0 年5 月开始研制环保型融雪剂，他们从6 0 多种 配方中筛选出价格性能比相对占优势的融雪剂1 号( 1 5 0 0 元t ) 和2 号( 4 0 0 0 元t ) 。2 0 0 1 年2 月5 0 t 融雪剂1 号首次在北京雪后试用喷洒。试用结果表 明，路面基雪融化速度比赫稍快，持续化雪效果明显，对路面及桥面金属的 腐蚀比盐水减少6 0 以上，融雪剂对人体没有危害。“3 1 由中科院海洋所和青岛市市政养护管理处联合开发的一种化雪剂在青岛 投入使用，取得了良好的效果。这种“卫生变色化雪净”是从海洋和陆地某些 植物中经提取制成的溶液，主要用于消除街道，公路，飞机场，院道等场所冬 季积雪和冰凌。该产品较传统喷洒盐水法具有许多优点，它不仅可以迅速融化 积雪和冰凌，而且可以杀菌杀毒。这种融雪剂可使用撒水车或喷壶，喷洒后， 一般1 0 分钟内积雪变得疏松，大约半小时后积雪便开始融化。”4 1 环境友好、作物营养型融青剂开发研究 ! ! 型! ! 12 11 生兰! ! ! ：巴! ! ! ! ! g 丝! 坐! ! 些兰! ! ：! ! ! ! 翌! ! ! 塑! 堕! ! 生里型! ! ! ! 里! 竺! 石家庄研制成功一种不含氯离子环保型融雪剂，经河北省交通科学研究所材 料试验室冻融实验和对钢筋锈蚀试验，证明其对水泥混凝土和钢筋的腐蚀性不会 比水更强。经河北省农科院土壤所专家化学分析，其对土壤环境，农田灌溉水质 及植被也没有损害。“” 黑龙江省交通科学研究所研制成功一种无公害、无污染型融雪剂。该研究所 针对雪水的化学成分，用新型融雪剂与其反应后，残留溶液对道路混凝土损害程 度甚至低于水，且没有挥发成分，也不会对大气及环境造成污染，如果考虑降低 成本，可以适当比例添加钠盐，同样能取得理想效果。“” 清华紫光泰和通讯技术有限公司与北京市公路局二处共同研制成功一种新 的安全环保型融雪剂。这种新的环保型融雪剂相对于食盐融雪具有安全环保( 完 全不含食盐成分，不破坏植被，不污染水源，不