东海海岛大气环境中氯离子沉积速率检测与影响分析

2023-12-01何筠青李元贝许华涛

材料科学与工程学报 2023年5期

何筠青,李元贝,许华涛,徐强,刘聪

(1.浙江大学海洋学院, 浙江舟山 316021; 2.浙江大学建筑工程学院, 浙江杭州 310058;3.浙江大学海洋研究院, 浙江舟山 316021; 4.西南技术工程研究所, 重庆 400039)

1 前言

迅速崛起的海洋经济已成为我国经济社会发展的新亮点[1]。然而,海洋环境高盐、高湿、高温易引成材料性能劣化,造成金属材料腐蚀和混凝土结构破环[2]。目前的研究多聚焦于氯盐与材料的直接作用界面[3],以及防腐技术[4]、防腐材料[5]开发。从材料服役全过程而言,海洋大气中氯离子分布影响规律也同等重要。

海洋大气中氯盐颗粒来源于海浪撞击和气流作用[6],常把氯离子沉积速率作为海洋环境腐蚀严酷度的重要指标[7]。但受限于研究条件,目前的氯离子分布研究往往基于来海方向的一维扩散模式[8],忽略了海岛大气环境中扩散的多维性。在氯离子沉积研究中,国内外学者多关注于研究离海距离[9]、地形地貌[10]、季节[11]、风速[12]、降水[13]等影响,较少关注风向与降水等的多因素共同作用。另外,我国的研究多集中在海南省、广东省等区域,其较高的环境温度会逸发生成较高的氯离子沉积速率[14],从而给氯离子分布研究造成较大的背底影响,海洋大气氯离子采集过程中可能存在饱和现象[15]。

为了研究多维度扩散下氯离子沉积速率的影响规律,实验选择在东海海域的浙江大学摘箬山科技岛进行环岛氯离子沉积速率长期检测,探究离岸距离、方位、季节、降雨、风况等对海岛大气环境中氯离子沉积速率的影响。

2 实验

2.1 测试采样点

浙江大学摘箬山科技岛位于浙江省舟山市,面积2.7 km2,山高215 m,南北长2.26 km,东西宽1.01 km。实验充分利用摘箬山岛天然地形条件,以山顶为中心将该岛划分为八个区域,选取了8个环岛测试点和1个山顶测试点,位置如图1所示、基本位置信息见表1。

表1 各测试点离海岸线距离Table 1 Distance from the coastline for each test position

图1 摘箬山岛测试点位置示意图Fig.1 Diagram of test positions at Zhairuo island

2.2 氯离子沉积速率检测

采样过程:氯离子沉积速率检测方法参照GJB 8894.1-2017《自然环境因素测定方法第1部分:大气环境因素》中的挂片法,采样装置如图2所示。测试采样周期一般为一个自然月,每个月上岛挂样一次,每次每点放置3个挂样。

图2 7号测试采样装置现场照片Fig.2 Photograph of No.7 test equipment

洗氯步骤:将挂样沿内框剪下尺寸为100 mm×100 mm 的纱布后放入锥形瓶,加入去离子水至50 mL,置于65 ℃ HWS-24 型电热恒温水浴锅加热20 min。冷却后用中速滤纸过滤,加入去离子水至50 mL再加热20 min。冷却后过滤,将所得的滤液放入EP管中待测。

检测步骤:一次性注射器取约4 mL 滤液,用0.22 μm 的一次性滤膜滤掉微生物及水系有机物。采用重量法稀释50倍后使用aquion离子色谱仪测定氯离子浓度,然后根据稀释比例还原计算原液浓度。

2.3 环境参数

实验测试周期为2021年11月到2022年6月,采用舟山市定海区同时期的气象数据作为实验期间摘箬山岛的环境气象数据,如表2所示。

表2 摘箬山岛基本气象数据Table 2 Basic meteorological data of Zhairuo island

3 结果与讨论

3.1 金属涂层挂片环境试验

如图3所示,样品刚放置时表面光洁、封边完整、标识字迹清晰。经过2年的东海海洋大气环境中暴露试验后,封边大多缺损,表面已有缺陷,裸片上已有锈点。

图3 铝合金表面陶瓷涂层样品在1号测试采样点放置2年前(a)后(b)的照片Fig.3 Photograph of aluminum alloy samples with ceramic coating which were placed in 1# test position for 2 years (a: 2 years ago, b: now)

3.2 离海岸线距离对氯离子沉积速率的影响

图4为各测试点的氯离子沉积速率平均值与离海岸线距离的关系。从图可见,靠近海岸线的站点氯离子沉积速率偏高,而离海岸线较远的站点氯离子沉积速率相对偏低。氯离子的沉积速率与离海岸线距离的变化近似于指数函数的衰减过程,与Alcantara[16]分析2013年4月至2013年6月获得的大气盐度值与离海岸线距离呈指数衰减趋势近似。这是因为随着离岸距离的增加,地面的摩擦引起风速下降[17],离岸越远,海风强度越低,空气中氯化物的浓度也越低。对于山顶的9号点,可能是因为树木和植被的阻扰作用,阻挡了大部分氯离子向更远更高的地方扩散迁移。

图4 离海岸线距离对氯离子沉积速率的影响Fig.4 Effect of distance from coastline on chloride deposition rate

3.3 测试采样点位置方位对氯离子沉积速率影响

实验期间各测试点氯离子沉积速率的平均值与方位关系如图5所示。东北方向测试点(1号和2号)的氯离子沉积速率最高,其次是东南方向(7号和8号),西南方向(5号和6号)氯离子沉积速率最低,这与实验期间岛上盛行的风向有关。实验期间摘箬山岛风向由北风主导,东南风其次,顺主导风方向的测试点氯离子的沉积速率明显偏高。在西南方向的站点因处于背风面,氯离子沉积速率偏低。因此,在有明显主导风向的环境中,测试点方位对氯离子沉积速率有显著影响。

图5 测试点位置方位对氯离子沉积速率的影响Fig.5 Influence of test position orientation on chloride deposition rate

3.4 季节对氯离子沉积速率的影响

为了研究不同季节对氯离子沉积速率的影响,分别统计了冬季(11月、12月和1月)、春季(2月、3月和4月)和夏季(5月和6月)3个季节的平均氯离子沉积速率,如图6所示。从图可见,各测试点的氯离子沉积速率都呈现出冬季高于春季,春季高于夏季的规律。实验期间除了1月和2月平均温度较低外,其他月份均较为接近,平均风速每月差异较小。在降雨方面,12月和1月明显低于其他月份。

图6 季节对氯离子沉积速率的影响Fig.6 Influence of season on chloride deposition rate

3.5 降雨对氯离子沉积速率的影响

为进一步研究降雨对氯离子沉积速率的影响,同时排除风能对氯离子沉积速率的影响,实验选取了风能几乎相同的12月和2月的数据进行对照分析。如图7所示,2 月降雨量(174.1 mm)是12 月降雨量(22.2 mm)的近8倍。12月份所有测试点的氯离子沉积速率都要明显高于2月份的沉积速率。众所周知,海洋大气中氯盐颗粒来源于海浪撞击和气流作用,当氯离子浓度不高时易受到降雨影响,雨会直接吸附氯盐颗粒,降低空气中氯离子浓度。降雨量越大,造成氯离子的沉积速率越低。

图7 降雨对氯离子沉积速率的影响Fig.7 Effect of rainfall on chloride deposition rate

3.6 风向、风能与降雨对氯离子沉积速率的影响

图8给出了1号测试点不同季节风向、风能与降雨对氯离子沉积速率的影响。从图中可以看出,北风相较于东南风对该站点氯离子沉积速率的影响更大。实验期间,尽管春季的风能整体有所增加,但春季明显增加的降雨量直接导致其平均氯离子沉积速率的显著降低。可以认为,东海海域冬季到春季期间,风向、风能与降雨等多因素作用下,降雨量对氯离子沉积速率的影响最为明显。