自然界中的沾汙過程是不斷重複地將量固相塵粒沉積到纖維製品的表麵,液相塵粒攜帶著溶質和混溶物也不斷重複地在纖維表麵沉積。液體汙垢作為纖維與固相塵粒的粘合劑,在沾汙過程中發揮雙重作用,漫長的曆史進程,使纖維表麵附著了不同曆史時期的外來物質,產生了沾汙的累積效應,這給去汙帶來了極大的難度。纖維由於保藏年代久遠,老化現象嚴重,通常經受不住任何形式的去汙清理。因此,纖維材料的沾汙問題在保藏學中應當受到足夠的重視,為此,我們需要介紹一下財為我們提供的纖維狀結構的沾汙模型,它對了解纖維的沾汙機理是非常有益的。
沾汙模型表明一個小油滴在它還未將纖維充分潤濕之前,或一個固相汙垢顆粒僅輕微地粘附在一個點上時(方),在這兩種情況下汙垢都容易被去除。
第二節塵粒的沾汙
空氣中懸浮的塵粒,幾乎是無孔不入的,它們可以給各類藏品造成普遍的沾汙。塵粒的沾汙機理是沾汙理論的主要組成部分,而且各種形式的沾汙都與塵粒的存在密切相關。
引言
一、塵粒的含意
空氣中含有一定量的懸浮狀顆粒物質,它們隨著氣流的運動四處擴散。人們習慣地稱這些空氣懸浮物為灰塵、塵埃、塵土、微粒、粉塵、塵粒、粒子、顆粒物質、沙塵、氣溶膠等等。不同的作者在不同的科學領域,或不同的語言環境,對同一種懸浮狀顆粒物質可以有不同的稱呼。
早期關於大氣塵粒的概念是指空氣中的固態塵粒。現代的大氣塵粒概念,不僅是指固態塵粒,也包括液態塵粒。我們對上述多種有關懸浮物的稱謂略作分析,便可明了,某些稱呼是專指固態物質而言的,例如,沙塵、塵土、塵埃、灰塵、粉塵等;而另一些稱呼無論對固態物質,還是對液態物質都適用,例如,微粒、粒子、塵粒、氣溶膠等。在環境科學領域多采用氣溶膠一詞,其中將粒徑小於10@的懸浮塵粒稱為飄塵,以區別於在較短時間內即沉降到地麵的落塵。
在沾汙理論中將空氣中懸浮狀顆粒物質稱為塵粒,它包括固相塵粒和液相塵粒。固相塵粒通常簡稱為塵粒。無論是固相塵粒還是液相塵粒,在保藏學領域都被看成一種悲劇產物一汙。我們所說的塵粒,就是在說大氣中以懸浮狀態運動的汙。
二、塵粒的生成
塵粒是物料的離散單元。原生塵粒來源於自然環境中的固體物質的破碎過程。火山爆發也是產生塵粒的一種自然力。
人群走動出現的暴土揚場的景象,最為直觀,隨處可見。在此我們借助詩人杜甫的一段詩,來看看這一生動的場麵,並解釋一下交通造成的塵粒飛揚問題。
理解這段詩,至少可以明確,車、馬和行人在前進的過程中,可反複地對地表固體物質進行研磨、撞擊使之破碎成為體積更小的顆粒,並且還可以借助車、馬、行人對地表的踐踏,及地表空氣層的擾動,將塵粒與地表麵分離,使其舉離地麵。快速運動的車、馬、行人能夠帶動周圍空氣隨之運動,這部分隨之運動的空氣,稱為誘導空氣。誘導空氣可造成塵粒的局部飛揚。
與地表分離,舉地麵的塵粒,在風力及紊流擴散力的作用下,將其輸運到大氣中,伴隨氣流的運動,便開始了它們懸浮、擴散、遷徙、運移的曆程。由於大量塵粒的懸浮,降低了空氣的能見度,使鹹陽橋漸漸消失在滾滾的煙塵之中。
除了上述交通運輸過程可以產生塵粒,並導致塵粒飛揚外,在工業生產中,通過對固體物質的機械動力研磨、破碎、混合、搬運、堆積、噴霧、粉末加工等,也可以產生大量塵粒,並引起塵粒的飛揚。此外,建築業、農業、牧業以及冬季的取暖等均可產生大量塵粒,而且也可以引起塵粒的飛揚。但最要的塵粒產生方式,還是風力作用引起的固體物質的破碎。
風力引起的固體物質的破碎過程是原生塵粒的主要來源。風揚起現象,看起來似乎是非常簡單的小事。但它們的微觀機理,至今還沒有研究清楚。
在通常的天氣條件下,靠近地表附近的空氣層,常存在相蘭大的風速梯度。在緊貼地麵的薄層空氣內,風速趨近於零。濕然,零級風速不可能將地表的塵粒從固體表麵分離出來。為了解釋這一現象,還是讓我們先來看的有趣實驗。
這位科學家讓風吹過用幹水泥粉末構成的平坦表麵,此時並未觀察到幹水泥粉末被吹離表麵的現象。他於是不斷地加大風速,最後使風速加大到足以吹起的卵石時,也仍未發現有水泥幹粉被吹離表麵的現象。
上述實驗表明,風揚起塵,不能簡單地理解為平坦表麵上的塵粒可以被風直接吹離表麵,而引起塵粒的飛揚。飛揚起塵的機理,是平坦表麵上的土粒跳躍分離和碰撞發射的結果。
風揚起塵是土粒在空氣中受力的結果,當水平風速達到某個臨界值(起動風速)時,才可使土粒由原來的靜止狀態進入運動狀態。土粒的運動是從空氣中獲得動量而實現的。水平風速首先使中等直徑的土粒(幾十微米久進入運動狀態。中等直徑的土粒在運動過程中,可與粗糖地麵的障礙物發生碰撞,而被彈射到大氣中,彈起的土粒上升到最高點後,在重力和風力的作用下,以較大的速度回落到地麵,將地麵的較小粒徑的土粒激射到大氣中,然後借助紊流擴散力和風力,而使較小的土粒(土壤塵)發生長距離的運移。土粒就是土壤塵的母體,土壤塵是塵粒的一種,而且是塵粒的主要組成部分。
大氣中塵粒的另一個主要來源是氣-粒轉化過程。這是一個重要的化學-物理過程。它首先是從氣體分子開始的。大氣中的某些氣體分子,在適當的條件下,可經過一係列化學過程和物理過程轉化為塵粒。
氣-粒轉化過程是塵粒的增長、凝並過程,通常需要經過下述若幹步驟:①均相成核、多相成核和細小塵粒向空氣中的散布;②在塵粒表麵經過多相氣體反應,使塵粒體積增大;③均相反應產物被固體物質或液體物質的吸附,而使塵粒體積增大;④通過布朗運動的凝並過程,或亂流凝並過程,而使塵粒的體積增大;⑤通過重力沉降過程,也可以導致大塵粒對小塵粒的凝並。
引起均相成核的重要事例,是802和~02經過化學反應和光化學過程,分別生成硫酸氣和硝酸氣的過程。硫酸氣和硝酸氣生成之後,便可立即成核(生成細小的塵粒在城市汙染的大氣中,硫酸氣、硝酸氣還會找到機會,在已有的塵粒表麵上凝結,使之長成較大的塵粒。
硫酸與硝酸都能較快地與其他大氣成分反應,生成相應的鹽類。
氣-粒轉化的另一種途徑,是氣相物質直接被固相物質或液相物質吸附或吸收,然後在這些物質的表麵或內部發生化學反應,轉化為固相或液相物質。例如,二氧化硫可以被岩石的粗糙表麵吸附,當遇到濕空氣時,被吸附的二氧化硫便開始複雜的化學轉化過程,生成液體硫酸或硫酸鹽。這是石質藏品或大理石建築物,被汙染空氣侵蝕的一種重要機理。
三、塵粒的組成
城市中的塵粒主要由土壤塵、煤煙塵和建築工地塵組成。在這三種組成物中,含有各種金屬氧化物,矽氧化物,水分,溶於水中的無機電解質,含碳化合物腐殖質,礦物油,炭黑等,此外還有活著的塵粒一微生物。
這一測定結果沒有表明塵粒組成與季節變化的關係。王明星的研究強調了季節性變化對塵粒組成的影響。他以北京地區為例,論述了含塵物隨季節的變化規律。冬季空氣中的土壤塵含量最低,春季最高,相差5倍之多。產生這種現象的原因是因為北京地區春季幹旱多風、農業活動頻繁,從而使大量土壤塵進入空氣。冬季土壤封凍,人為的土壤擾動停止,此時土壤塵難以進入大氣。
煤煙塵在冬季的濃度隨著用煤量的增加而大大提髙。硫酸鹽的濃度在夏季最髙,這是由於夏季溫度高、濕度大、太陽輻射強、二氧化硫的轉化速率高的故。
四、塵粒的沾汙形式
塵粒的沾汙形式主要為沉積沾汙,此外還有接觸沾汙和靜電沾汙。其中沉積沾汙對藏品造成的危害麵最廣,因此它是我們討論的重點。
沉積沾汙是指空氣中塵粒包括固相塵粒和液相塵粒在各種作用力的影響下,直接沉積到物體表麵而造成的沾汙。
接觸沾汙是指兩個實體在相互接觸的過程中,所發生的一個實體對另一個實體的沾汙。例如,用手觸摸藏品,手上的塵粒可引起藏品的沽汙。同時藏品表麵的塵粒也可造成手的沾汙。