【微课堂】海砂淡化关键工艺参数的研究

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林•慧

1995-

作者简介：

林慧（1995-），女，海南昌江人，硕士，主要研究方向：新型建筑材料。

通信作者：

宋新乐（1989-），男，山西平陆人，硕士，工程师，主要研究方向：新型建筑材料。

内容导读：

水洗法降低海砂氯离子含量最为明显。水洗法关键工艺参数是：水洗次数，清洗海砂不低于3次；扰动方式，转速是关键参数；水洗时间，延长清洗时间，有利于海砂氯离子的释放。

海砂淡化关键工艺参数的研究

林 慧1，宋新乐1*，马 龙1，孙发圣1，王登科2，康秀晗1

1.海南省众邑新材料研究院有限公司，海南 三亚 572024;

2.海南瑞泽双林建材有限公司，海南 三亚 572024

摘 要：文中通过化学分析法研究水洗法中水洗次数、扰动方式以及水洗时间对海砂氯离子含量的影响。除此之外，还研究了臭氧法以及电离法对海砂氯离子含量的影响，以得到最佳淡化海砂的工艺参数。结果表明：水洗法降低海砂氯离子含量最为明显。水洗法关键工艺参数是：水洗次数，清洗海砂不低于3次；扰动方式，转速是关键参数；水洗时间，延长清洗时间，有利于海砂氯离子的释放。

关键词：化学分析法；海砂氯离子含量；水洗法；臭氧法；电离法

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

河砂是一种重要的建筑材料，需求量与日俱增，但河砂的储量是有限的，且大量采集河砂对生态环境造成了破坏。我国是一个拥有辽阔海域的国家，使用淡化海砂替代河砂在混凝土中的应用，是缓解用砂紧张局面的有效措施。

英国、日本、加拿大等国家以及我国的台湾地区在海砂应用于工程建设方面有多年的历史［1］。近十年我国海砂的利用获得快速的发展，国内大规模使用海砂的是宁波、舟山以及深圳等地区［2］，海南三亚新机场、儋州海花岛等海砂填海工程也在建设之中［3］。但国内外因滥用或误用海砂出现了海砂屋，造成严重的经济损失［4-5］。这是因为海砂中含有有害物质，例如氯离子以及贝壳等，它们不能直接用于建筑中。氯离子的存在会破坏钢筋表面的钝化膜，造成钢筋锈蚀，严重影响了钢筋混凝土的耐久性；贝壳的存在使混凝土和易性变差，强度降低，从而影响了混凝土的各方面性能［5］。对于贝壳含量，可以通过筛选而降到无害水平。而对于海砂的淡化，现阶段已开展一些有意义的试验，但有很多关键工艺参数仍未能得到研究［6-8］。

本文通过对海南岛海岸海砂采取水洗法、臭氧法［9］以及电离法，着重研究了水洗法中水洗次数、扰动方式、清洗时间等因素对海砂中氯离子的影响，为后续研究与应用提供技术支持。

1 淡化试验

1.1 试验材料

试验分别选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见表1，海砂以及河砂主要成分见表2。

表1    海砂基本物理性能

从表1可以看出，海砂与天然河砂的主要区别在于贝壳含量和氯离子含量，而其它的物理性能基本上一致，且满足GB/T 14684-2011《建设用砂》的要求。

表2    海砂及河砂主要成分(XRF)            %

表2的结果表明，海砂的Cl-、SO42-以及CaO、CO2含量比河砂的高。原因在于：CaO、CO2含量是海砂中贝壳引入的；Cl-、SO42-是海水中结晶沉淀在砂表面及孔隙中的可溶性离子。

1.2 测试方法

测试方法：海砂氯离子含量的测试方法参照了GB/T 14684-2011《建设用砂》以及JGJ 52-2006《普通混凝土用砂、石质量及检验方法标准》［10］。

2 试验结果与分析

2.1 水洗法对海砂氯离子含量的影响

2.1.1 水洗次数对海砂氯离子含量的影响

在水砂质量比1:1的条件下，研究海砂在亚甲蓝搅拌机水洗3min下不同次数的氯离子含量，并按照测试方法对砂子的氯离子含量进行测试，具体试验结果如图1所示。

图1    不同水洗次数对Cl-含量的影响

试验表明：随着水洗次数的增加，海砂的氯离子含量先呈现显著下降后逐渐趋于平缓的趋势。原因在于：清洗海砂3次基本把覆盖在海砂表面以及接触海砂表面孔隙的氯盐结晶清洗掉，而3次之后的氯离子需从海砂内部迁移扩散出来，迁移速度较慢且迁移量较小。在实验清洗时间内，清洗3次后氯离子降低水平不再显著，故初步海砂清洗3次比较经济。

2.1.2 扰动方式对海砂氯离子含量的影响

目前市面上存在各种各样的洗砂设备，例如螺旋洗砂机、水轮洗砂机和滚筒洗砂机等，它们的转速和强制力都不同。它们都是工艺化设备，考虑到实验室的条件，研究采用了转速为500r/min的亚甲蓝搅拌机、高速为285r/min和低速为140r/min双转速净浆搅拌机和手搅拌水洗法，分别实现不同的转速和强制力。

（1）亚甲蓝搅拌机水洗法（500r/min），如表3。

表3    亚甲蓝搅拌机水洗法对氯离子含量的影响            %

注：采用亚甲蓝搅拌机进行水洗3次，每次清洗3min。为了验证实验的准确性、重复性和复现性，对海砂进行反复测试，得出数据组的平均值。

（2）净浆搅拌机水洗法，如表4。

表4    净浆搅拌机水洗法对氯离子含量的影响            %

注：采用净浆搅拌机进行水洗3次，每次清洗3分钟；自带转速指的的是净浆搅拌机自带的转速。

（3）手搅拌水洗法，如表5。

表5    手搅拌水洗法对氯离子含量的影响            %

试验表明：①在实验条件下，清洗海砂的设备转速越高，海砂氯离子含量越容易释放，它们的顺序是：亚甲蓝搅拌机淡化后的氯离子含量最低，其次是净浆搅拌机，最后是手搅拌。②在实验条件下，强制力最大的设备是净浆搅拌机，但海砂淡化后的氯离子含量顺序是：亚甲蓝搅拌机搅拌的氯离子含量最低；其次是净浆搅拌机；手搅拌最高。说明清洗设备的强制力对海砂氯离子含量的影响较小。③三种方式清洗完后氯离子含量都会降低至0.01%以下。原因在于：转速是影响清洗效果的主要参数，转换越快，砂表面与水接触变换的次数越多，越有利于海砂氯离子含量的清洗。实验结果还表明，搅拌机强制力的大小不是影响清洗海砂的关键工艺参数，但是需要满足海砂跟自来水一起被搅动。

2.1.3 清洗时间对海砂氯离子含量的影响

本次主要研究在水砂质量比1：1的条件下，转速285r/min和140r/min下海砂清洗3次的不同搅拌时间对氯离子含量的影响。

（1）转速285r/min下不同搅拌时间对氯离子含量的影响，如表6。

表6    转速285r/min对氯离子含量的影响            %

（2）转速140r/min下不同搅拌时间对氯离子含量的影响，如表7。

表7    转速140r/min对氯离子含量的影响            %

试验表明：在实验的条件下，随着搅拌时间的延长，淡化后的氯离子含量越低，这说明搅拌时间一定程度上会影响海砂的氯离子含量。原因在于：随着清洗时间的延长，砂表面与水接触变换的次数越多，越有利于海砂表面以及接触海砂表面空隙氯盐的清洗。因搅拌时间涉及到生产效益，可以根据实际生产情况选择最佳的搅拌时间。

2.2 臭氧法对海砂氯离子含量的影响

原始海砂在水砂质量比1∶1的条件下，研究通入不同时间臭氧并不断搅拌和先通入不同时间臭氧后搅拌这两种方法对海砂氯离子含量的影响，试验结果如表8所示。

表8    臭氧对氯离子含量的影响

处理一为对比样，海砂中加入去离子水采用亚甲蓝搅拌机清洗3次，每次搅拌5min；处理二为海砂中加去离子水，同时边通入臭氧边用亚甲蓝搅拌机清洗3次，每次5min、10min以及15min；处理三为海砂中加入臭氧水后采用亚甲蓝搅拌机清洗3次，每次5min、10min以及15min。

试验表明，相对水洗法来说，通入臭氧并没有明显降低海砂中的氯离子含量。除此之外，通入臭氧的时间对海砂氯离子含量影响较小。原因在于：氯离子与臭氧分子的反应过程为：O3+Cl-→O2+Cl2或O3+Cl-→O2+ClO-，查阅电极电势表：在酸性环境下，E（O3/O2）= +2.08V，E（Cl-/Cl2）= –1.36V；在碱性条件下，E（O3/O2） = +1.24V，E（Cl-/ClO-）=-0.84。因此，在酸性环境下发生2O3+2Cl-→3O2+Cl2（E= +0.65V）；在碱性环境下发生O3+Cl-→O2+ClO-（E=+0.4V），在酸性和碱性环境下反应电势均大于零，可知这两个反应可以自发发生。而海水一般呈弱碱性，海砂水洗溶液也呈中性偏弱碱性，因此臭氧氧化氯离子的反应会发生。当采用处理二以及处理三时，反应产生的是ClO-，但是通入臭氧并没有明显降低海砂中的氯离子含量，这可能是①反应时间内反应速率不高；②ClO-溶于水中会产生Cl-，小部分残留于海砂表面；③臭氧水的浓度没达到，发生部分反应。因此，从试验的方法可以看出，臭氧法降低氯离子含量不明显，且通臭氧的方法不经济，比较耗时。除此之外，在试验中还发现，处理二和处理三海砂的海腥味明显变淡，这可能是由于臭氧氧化了海砂中的部分微生物。

2.3 电离法对海砂氯离子含量的影响

海砂中富含负价氯离子，根据异性电荷相吸的原理，在水砂质量比1∶1的条件下采用亚甲蓝搅拌机水洗三次后通24V直流电。具体试验结果见表9。

表9    电离法对氯离子含量的影响            %

实验表明，通电后氯离子含量与水洗三次后相比略有降低，但变化不明显。原因在于：通过外加电场调整了离子的运动方向并加大离子运动的速度，使得海砂中富含的氯离子以及硫酸根离子向电极板运动。同时，随着时间变化，海砂中会逐步缓释少量Cl-。前期清洗海砂，基本把海砂表面的氯盐以及硫酸盐清洗掉，而随着时间的变化，主要清洗的是海砂内部慢慢迁移的氯离子。除此之外，采用此方法成本较高，经济及质量无法得以保证。

3 结论与展望

（1）海砂和河砂物理性质：海砂的氯离子含量和贝壳含量高于河砂，而其他的物理性质基本一致；化学性质：海砂的Cl-、SO42-以及CaO、CO2含量比河砂的高。

（2）在水洗法的淡化工艺中，当水砂质量比在1∶1的条件下，随着清洗次数逐渐增加，海砂的氯离子含量先逐渐的降低后趋于平缓；搅动转速越快，越有利于氯离子的清洗；随着清洗时间的延长，海砂的氯离子含量会逐渐减低。

（3）在臭氧法的淡化工艺中，臭氧法没有明显降低海砂中的氯离子含量；在电离法的淡化工艺中，采用电离法能降低海砂的氯离子含量，但是变化不是很明显，且成本较高。

（4）水洗法、臭氧法以及电离法这三种方法中，水洗法淡化海砂的效果最为明显。水洗法中关键工艺参数为：水洗次数，清洗海砂3次较为经济；扰动方式，转速是关键参数，转速越快，海砂氯离子含量越容易释放；水洗时间，延长清洗时间，越利于海砂氯离子的释放。

（5）展望：本文暂未考虑海砂的缓释，后续的研究中将从不同水洗次数、不同扰动方式和不同清洗时间等方面研究淡化海砂中氯离子缓释规律。

参考文献

［1］S. J. de Groot. Marine sand and gravel extraction in the North Atlantic and its potential environmental impact， with emphasis on the North Sea［J］. Ocean Management， 1986， 10（1）：21-36

［2］郑荣跃，袁丽莉，贺智敏.宁波地区的海砂问题及其对策［J］. 混凝土， 2004（10）：22-24 .

［3］刘顺凯，胡伟，邹贵华，等.海南环岛海砂物理力学性质对比研究［J］.工程地质学报，2017，25（3）：723-730.

［4］杨医博， 梁松， 莫海鸿， 等. 抗氯盐高性能混凝土技术手册［M］. 北京：中国水利水电出版社， 知识产权出版社， 2006

［5］洪乃丰.海砂的利用与钢筋锈蚀的防护［J］. 建筑技术， 1996（1）：46-49.

［6］於林锋，王琼，施钟毅.海砂的性能及新型净化工艺研究［J］.粉煤灰，2011，23（5）：12-14.

［7］陈松敏.海砂淡化技术的研究［J］.广州化工，2017，45（13）：97-99.

［8］郭元强.水洗法对海砂氯离子含量影响的研究［J］.广东建材，2018，34（9）：27-29.

［9］杨子明，李思东，付云飞，等.海砂淡化处理新方法及其性能研究［J］.广东化工，2016，43（18）：54-56.

［10］张宏宇.海砂氯离子检测技术研究与快速淡化处理探索［J］.黑龙江交通科技，2020，43（6）：54-55，57.

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