(天津大學(xué),天津市膜科學(xué)與海水淡化技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,天津 300072)

根據(jù)鹽胞理論,冰中的鹽分主要來自于海冰形成過程中所包裹的濃鹽水,如果把海冰擊碎,鹽胞也隨之破碎,鹽水就會(huì)流出。但是由于冰溫較低鹽胞中鹵水黏度較大,鹽胞破碎后鹵水都黏附在冰表面,因此需要依靠外力使鹽水從冰表面脫掉,達(dá)到脫鹽的目的[1]。然而,在采用離心分離設(shè)備對(duì)海冰分離過程中,由于低溫下海冰容易與離心設(shè)備本體材料產(chǎn)生凍黏,極易造成離心設(shè)備出現(xiàn)堵塞現(xiàn)象,影響了分離過程的連續(xù)運(yùn)行。

凍黏問題,即低溫下含表面水的材料界面由于水的凍結(jié)而黏合的現(xiàn)象,是在低溫環(huán)境工作下對(duì)設(shè)備的一個(gè)很大的困擾[2]。楊曉東等[3-4]對(duì)常見材料與冰的凍黏強(qiáng)度進(jìn)行了一系列的測(cè)定,并成功地采用柔性仿生技術(shù)方法降低了礦車凍黏。不過對(duì)于海冰與鋼材的凍黏情況未見有研究報(bào)道。海冰和純冰的性質(zhì)有較大區(qū)別,其內(nèi)部為多孔結(jié)構(gòu),孔隙內(nèi)存在空氣及濃縮的海水,海冰表面也覆蓋一層海水。因此,本文通過實(shí)驗(yàn)對(duì)海冰與不銹鋼材料的凍黏特性進(jìn)行了研究。

1 實(shí)驗(yàn)原理及方法

海冰和材料的凍黏特性主要考慮在指定的低溫條件下材料和海冰的凍黏強(qiáng)度,可以用單位面積海冰與材料凍黏界面的拉脫力來衡量,定義為凍黏系數(shù)。即:

式中:φ為凍黏系數(shù),單位為 MPa;P為凍黏力,單位為N;A為截面積,單位為mm2。

由于海冰含鹽,海冰與材料的凍黏界面上會(huì)有一層不凍的高濃度鹵水存在,這種不凍鹵水的存在會(huì)阻礙界面的生成,使凍黏系數(shù)降低。為此,本實(shí)驗(yàn)分別考慮了有鹵水存在和無鹵水存在條件下的凍黏。

由于凍黏過程不是在瞬間完成,因此凍黏強(qiáng)度需要在一定的時(shí)間之后才能達(dá)到最大值。本實(shí)驗(yàn)所測(cè)凍黏強(qiáng)度均是在凍黏3 h后的數(shù)值。

拉脫力可方便地采用材料拉力試驗(yàn)機(jī)測(cè)定。但是由于冰體本身的特殊性,無法將海冰直接固定在拉力機(jī)上。為此,我們?cè)O(shè)計(jì)并制作了一套夾具專門用于海冰與材料法向拉力強(qiáng)度測(cè)定,其上下拉桿可直接與拉力機(jī)連接,夾具結(jié)構(gòu)如圖1所示。拉力檢測(cè)設(shè)備為微型材料疲勞試驗(yàn)機(jī)。

本文針對(duì)黃驊港附近的海冰進(jìn)行研究,黃驊港附近海冰的鹽度平均為26.4[5],實(shí)驗(yàn)中采用將海水稀釋至鹽度 26.4的海水凍成圓柱形海冰。試驗(yàn)過程為:將海水放于圓柱容器中凍成海冰;然后夾于整套夾具之間,放置在低溫恒溫箱中冷凍;之后將凍好的夾具整體固定在拉力試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行拉力試驗(yàn)。

圖1 凍黏強(qiáng)度測(cè)定專用夾具Fig.1 Sketch of special fixture used in freezing adhesive strength measurement

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 不同溫度下冰與不銹鋼的凍黏

作為對(duì)比,先實(shí)驗(yàn)測(cè)定了不同溫度下淡水冰與不銹鋼材料的凍黏強(qiáng)度。通過調(diào)節(jié)冰的凍結(jié)溫度,在凍結(jié)3 h后進(jìn)行拉伸試驗(yàn),得到凍黏溫度與凍黏強(qiáng)度之間的關(guān)系,如圖2所示。由圖2可見,隨著溫度的下降,凍黏強(qiáng)度逐漸增強(qiáng)。

圖2 不同溫度下冰與不銹鋼的凍黏系數(shù)Fig.2 The effect of temperature on adhesive coefficient

2.2 海冰與不銹鋼的凍黏強(qiáng)度

采用自制的實(shí)驗(yàn)夾具,在拉伸實(shí)驗(yàn)機(jī)上可以測(cè)出不同凍黏溫度下海冰與不銹鋼試件的凍黏強(qiáng)度。同樣,擦拭初凍結(jié)海冰的表面鹵水,并用微量清水沖洗,然后進(jìn)行凍結(jié)及拉脫試驗(yàn),也可以測(cè)定不同溫度下海冰表面無鹵水條件下的凍黏強(qiáng)度,測(cè)試結(jié)果見圖3。

圖3 有無鹵水存在時(shí)凍黏系數(shù)對(duì)比Fig.3 The effect of temperature on adhesive coefficient with or without brine

由圖3可知,隨著溫度的降低,海冰與不銹鋼的凍黏強(qiáng)度逐漸增大。對(duì)比圖2可以看出,表面無鹵水條件下,不銹鋼與海冰的凍黏系數(shù)與淡水冰的凍黏系數(shù)非常接近。由圖3中還可以得出,表面有鹵水存在比沒有鹵水覆蓋的海冰的凍黏系數(shù)小很多,溫度在-2℃的時(shí)候甚至幾乎沒有凍黏存在。這是因?yàn)?由于鹵水中鹽分的存在降低了水的冰點(diǎn),使得凍黏的強(qiáng)度降低,-2℃已經(jīng)達(dá)不到鹵水的冰點(diǎn)而無法凍結(jié)。

2.3 海冰與不銹鋼凍黏斷面形貌

無鹵水覆蓋與有鹵水覆蓋時(shí)海冰與不銹鋼材料界面的斷面如圖4所示。從圖4可以看出,無鹵水覆蓋條件下,斷裂發(fā)生在冰層內(nèi)部。一層冰殘留在材料表面,冰與材料的破壞實(shí)際上是冰的破壞,凍黏強(qiáng)度也近似等于冰的強(qiáng)度。這種形式的凍黏,即使在遭到機(jī)械力破壞凍黏界面后,界面殘余冰與海冰間也很容易再繼續(xù)凍黏。有鹵水存在時(shí),斷面發(fā)生在海冰與材料接觸面,界面平整,在材料表面只殘留了極少的海冰。

圖4 海冰斷面形貌Fig.4 Fracture surface of sea ice

2.4 海冰與不銹鋼絲網(wǎng)的凍黏強(qiáng)度

有文獻(xiàn)表明柔性結(jié)構(gòu)有較好的抗黏效果[6]。在海冰分離的離心設(shè)備中,可考慮加入金屬絲網(wǎng),因此本文對(duì)金屬材質(zhì)的絲網(wǎng)進(jìn)行了凍黏實(shí)驗(yàn)研究。

用不銹鋼絲網(wǎng)代替不銹鋼板進(jìn)行凍黏強(qiáng)度實(shí)驗(yàn)。試驗(yàn)發(fā)現(xiàn),當(dāng)海冰表面存在較多未凍結(jié)水時(shí),海冰與不銹鋼網(wǎng)存在強(qiáng)度很大的凍黏。當(dāng)海冰表面只存在很少水時(shí),凍黏強(qiáng)度極小,含水量對(duì)凍黏強(qiáng)度影響很大。將海冰破碎后放置在金屬絲網(wǎng)上,長時(shí)間不發(fā)生凍黏。顯然,水包覆金屬絲,使得凍黏面積變大,當(dāng)水少時(shí),凍黏接觸面積小,以致凍黏力小。海冰與絲網(wǎng)凍黏斷裂界面如圖5。

圖5 海冰與絲網(wǎng)凍黏界面Fig.5 A picture of stainless steel mesh and sea ice interface

3 結(jié)論

在海冰分離過程中,海冰與設(shè)備材料的凍黏是影響分離連續(xù)化操作的主要因素,本文通過實(shí)驗(yàn)測(cè)定了海冰與不銹鋼的凍黏強(qiáng)度,得到如下結(jié)論:(1)海冰表面無鹵水存在時(shí),其凍黏強(qiáng)度與淡水冰基本一致,即海冰結(jié)構(gòu)本身不影響凍黏強(qiáng)度,但海冰表面鹵水的存在可明顯降低凍黏強(qiáng)度。(2)溫度對(duì)海冰的凍黏強(qiáng)度影響較大。無論海冰表面有無鹵水存在,隨著凍黏溫度的降低,凍黏強(qiáng)度都將增大。因此,實(shí)際操作中適當(dāng)提高操作溫度,將有助于含有鹵水的凍黏界面脫落。(3)同樣材料不同形態(tài)下的凍黏強(qiáng)度不同。表面含水較少時(shí),絲網(wǎng)結(jié)構(gòu)能有效防止凍黏,可以考慮在分離過程中使用柔性介質(zhì)。

[1]陳偉斌,徐學(xué)仁,周傳光.離心轉(zhuǎn)速對(duì)渤海灰白冰脫鹽作用的實(shí)驗(yàn)研究[J].海洋學(xué)報(bào)2004,26(1):25-32.

[2]Chatter S.Aspects of the freezing process in a porous material water system part 1.Freezing and the properties of water and ice[J].Cement and Concrete Research,1999,29(4):627-630.

[3]金敬福,叢茜,楊曉東.常用工程材料的凍黏特性及凍黏界面破壞形態(tài)[J].吉林大學(xué)學(xué)報(bào)(工學(xué)版),2005,35(5):486-489.

[4]楊曉東,柴雄良,叢茜,等.模型礦車凍黏試驗(yàn)研究[J].吉林大學(xué)學(xué)報(bào)(工學(xué)版),2002,32(2):49-52.

[5]史培軍,哈斯,袁藝,等.渤海海冰作為淡水資源脫鹽機(jī)理與可利用價(jià)值[J].自然資源學(xué)報(bào),2002,17(3):353-359.

[6]叢茜,柴雄梁,楊曉東,等.利用柔性仿生技術(shù)減少礦車黏附[J].吉林大學(xué)學(xué)報(bào)(工學(xué)版),2005,35(4):437-441.