王靜漪 趙黎麗

1.浙江大學(xué)考古與文博系 杭州 310007；2.上海七寶德懷特高級中學(xué) 上海 201101；3.思鋪學(xué)院公眾開放實驗室 杭州 310007

1 引言

古代磚制文物建筑長期受到自然與人為的損害,可溶鹽的侵蝕就是其中之一。地面的可溶鹽隨著毛細作用滲透進入磚體的孔隙,在磚體內(nèi)溶解結(jié)晶導(dǎo)致磚體的損害,同時可溶鹽的析出影響建筑的美觀。在以往的脫鹽處理中,人們往往采用貼敷的傳統(tǒng)方法,即用一種或幾種親水性貼敷材料,涂在文物本體上,溶解可溶鹽,并使之吸附在貼敷材料中[1]。但傳統(tǒng)貼敷的脫鹽方法往往效率不高。于是,也有學(xué)者提出使用電化學(xué)方法進行除鹽,通過在本體兩端外設(shè)陰極和陽極,施加電壓,在電場的作用下,使有害的陰離子,例如氯離子,硫酸根等,向陽極移動,從而提高脫鹽效率。然而,通電時間過長存在安全隱患,且通電參數(shù)會對脫鹽效率產(chǎn)生影響。為了進一步提高電化學(xué)脫鹽的效率,馮偉等人提出添加有機或無機物到電解液中改變磚表面的性質(zhì),使其對脫鹽效率產(chǎn)生影響。他指出陰、陽離子的加入會提升磚表面的ZETA電勢,同時也會降低表面張力,加強電動作用(電泳＋電滲),從而加快陽極氯離子排出的速度[3]。本研究通過使用分別含有不同電荷數(shù)的陽離子和陰離子的電解液探究其對電化學(xué)脫鹽效率的影響,脫鹽效率將通過析出的硫酸根的量來表征。

2 實驗部分

2.1 試件 將燒制好的5cm×5cm×3cm的青磚浸泡在1mol/L的硫酸鈉溶液中,浸泡時間為1天,模擬被可溶鹽侵蝕的磚,將青磚樣塊放入烘箱,溫度為60℃,直到質(zhì)量幾乎不再增加以確保所有硫酸鈉滲入磚。

2.2 選用材料 考慮到離子的電荷對磚表面性質(zhì)改變的不同,選用了去離子水(DI,代號為B)作為對照組,以及四丁基氟化銨(TDFA,陽離子型,代號為F)和磷酸鈉(Na3PO4,陰離子型,代號為P)兩種不同的電解液。每種電解液的濃度均為1mol/L。

2.3 實驗方法 將配置好的電解液倒入烘干的磚,使用熱縮紙包裹磚塊使電解液充滿磚的孔隙。同時準備24片紗布,均分成6組分別浸入四種不同的電解質(zhì)中,待電解質(zhì)完全滲入磚后貼敷在磚塊表面,壓上鐵片后放置在培養(yǎng)皿中的鈦網(wǎng)上。為了避免磚與鈦網(wǎng)的接觸導(dǎo)致兩者粘連,加入橡皮小塊避免直接接觸。往每個培養(yǎng)皿中分別倒入100m L對應(yīng)的電解液并畫上刻度線,以確保磚塊在通電過程中與相同量的電解液接觸。連接串聯(lián)電路,以10毫安的恒流通電,每24小時測量一次電解液的p H值以及硫酸根的含量。

硫酸根測定方法：取1m L電解液加入鉻酸鋇的懸濁液,加入按1：1稀釋的氨水以確保溶液保持堿性。將以上反應(yīng)所得液體過濾,得到100m L的溶液,通過紫外分光光度計測量硫酸根含量。

另外,通電試驗后,切割磚塊,取3g砸碎的磚粉,加入去離子水,溶出所含硫酸根,測算出3g磚粉中硫酸根的含量,根據(jù)剩余硫酸根的含量判斷脫鹽效率。

3 結(jié)果和討論

去離子水(DI),四丁基氟化銨(TDFA)和磷酸鈉(Na3PO4)均有脫鹽效果,且三者脫鹽效率趨勢基本相近。TDFA和Na3PO4脫鹽量均大于去離子水,這是因為離子的存在會使磚表面Zeta電勢加強,加快電遷移速度,增強電滲作用,使硫酸根離子在相同的通電條件下更易析出,提高脫鹽效率。在前四天,DI,TDFA析出的硫酸根含量穩(wěn)步提升,而TDFA在第二天到第三天時從187.088mg/mol激增為346.050mg/mol。在第四天到第五天時,三種離子添加劑析出的硫酸根量均大幅提升100mg/mol左右：DI由326.737mg/mol到420.596mg/mol；Na3PO4由387.920mg/mol到483.247mg/mol；TDFA由340.491mg/mol到548.621mg/mol。由表一可見,Na3PO4在第六天后脫鹽量相對穩(wěn)定,增幅較小,甚至低于去離子水對照組。盡管TDFA初始脫鹽量比Na3PO4低,但其最終脫鹽量是最高的。

總體來看,加入適當?shù)碾娊庖旱拇u塊比僅加入去離子水的磚塊脫鹽效率更高。加入TDFA的磚塊比加入Na3PO4的磚塊脫鹽效率更高。相比陰離子,陽離子可能改變了原本帶負電荷的青磚表面,是的表面的zeta電位發(fā)生改變,影響了陰離子與青磚表面的相互作用,使得硫酸根離子更容易析出。

磚內(nèi)孔壁表面帶有負電荷,在電場作用下,溶液中會發(fā)生電滲流,溶液由陽極往陰極流動,帶動硫酸根離子從陰極排出。本研究也測量了陰極析出的硫酸根含量,其脫鹽效率結(jié)果與陽極類似。四丁基氟化銨(TDFA)和磷酸鈉(Na3PO4)比去離子水對照組硫酸根濃度高,說明了陰、陽離子均對提升脫鹽效率有效。加入TDFA的磚塊陰極檢測出的硫酸根濃度(377.439mg/mol)遠大于加入Na3PO4磚塊的132.280mg/mol。

綜上,陰、陽離子都對磚塊脫硫酸鹽效率有著明顯的效果,添加陽離子的磚塊由于其陽離子周圍靜電場的作用,脫鹽效率比加入陰離子更高。各個電解液脫鹽效率排序為：TDFA＞Na3PO4＞去離子水。

然而七天后,最終析出的硫酸根含量仍小于加入的硫酸鹽含量,說明即使添加不同電解液,改變磚表面性質(zhì)也無法使硫酸鹽完全析出磚塊。

通過不同電解液七天的PH和電壓變化可以看到,每組電解液PH逐漸變低,(除了第三實驗組的PH一直小于1,無法測得)說明隨著通電時間的增加,電解液逐漸變?yōu)樗嵝匀芤?。每組電解液的電壓變化規(guī)律不明顯,基本趨勢為逐天增大,然而每組之間差距略大,需要進一步的研究。

4 結(jié)論

4.1 含陰、陽離子的電解質(zhì)溶液都對磚塊脫硫酸鹽效率有著明顯的效果,陽離子電解液的脫鹽效率比陰離子更高。各個電解液脫鹽效率排序為：TDFA＞Na3PO4＞去離子水。

4.2 加入電解質(zhì)溶液無法使硫酸鹽完全析出,仍需尋找其它方法增加脫鹽量,如錢玲等人提出的將電化學(xué)脫鹽法與傳統(tǒng)泥敷法結(jié)合,增強脫鹽效果。后續(xù)實驗可以測算不同貼敷材料與電解液的搭配對脫鹽效果的影響。