基于数字图像处理的盐溶液过饱和比与结晶压力测量方法

2024年6月8日发(作者：)

第42卷第3期

2023年3月

BULLETIN

硅　

OF

酸　

THECHINESE

盐　

CERAMIC

通　报

SOCIETY

Vol.42　No.3

March,2023

基于数字图像处理的盐溶液过饱和比

与结晶压力测量方法

晏　静,吴道勇,吴诗雨

(贵州大学喀斯特地质资源与环境教育部重点实验室,贵阳　550025)

摘要:溶液过饱和比和结晶压力是研究多孔材料结晶破坏效应的主要参数,但目前没有很好的手段直接测量溶液

过饱和比。观察溶液结晶现象发现,溶液结晶前后图像灰度会发生明显变化,因此本文提出一种基于数字图像处

理(DIP)技术的盐结晶过饱和比和结晶压力的测量方法。该方法以图像为基础,得出灰度值与溶液浓度的关系,运

用MATLAB软件绘出溶液过饱和比和结晶压力分布图。以Na

2

SO

4

溶液和NaCl溶液的结晶行为为例,得到

Na

2

SO

4

和NaCl结晶破坏效应的差异与二者不同的结晶行为有关,Na

2

SO

4

晶体的蠕变生长行为导致其更具破

坏性。

关键词:盐溶液;过饱和比;结晶过程;结晶压力;数字图像处理;测量方法

中图分类号:TU43　　文献标志码:A　　文章编号:1001-1625(2023)03-1081-05

Na

2

SO

4

溶液与NaCl溶液结晶的初始过饱和比在1.1~1.3,进一步计算了Na

2

SO

4

和NaCl的结晶压力理论值。

AMethodforMeasuringSupersaturationRatioandCrystallization

PressureofSaltSolutionBasedonDIPTechnology

(KeyLaboratoryofKarstGeologicalResourcesandEnvironment,MinistryofEducation,GuizhouUniversity,Guiyang550025,China)

YANJing,WUDaoyong,WUShiyu

Abstract:Solutionsupersaturationratioandcrystallizationpressurearethemainparameterstostudythecrystallization

failureeffectofporousmaterials,buttherearenogoodmeanstomeasuresolutionsupersaturationratiodirectlyatpresent.

Observationsonthephenomenonofsolutioncrystallizationshowthatthegrayscaleoftheimagechangesobviouslybefore

andafterthesolutioncrystallization,therefore,amethodformeasuringthesupersaturationratioandcrystallizationpressure

ofsaltcrystallizationbasedondigitalimageprocessing(DIP)ntheimage,the

softwarewasusedtodrawthe

distrthecrystallizationbehaviorofNa

2

SO

4

solutionandNaClsolutionasanexample,theinitialsupersaturationratiosofNa

2

SO

4

solutionandNaClsolutionare

obtainedbetween1.1~1.3,andthetheoreticalvaluesofNa

2

SO

4

epgrowthbehaviorofNa

2

SO

4

crystalsmakesthemmoredestructive.

measurementmethod

differencesofthecrystallizationfailureeffectbetweenNa

2

SO

4

andNaClarerelatedtotheirdifferentcrystallization

Keywords:saltsolution;supersaturationratio;crystallizationprocess;crystallizationpressure;digitalimageprocessing;

0　引　言

晶压力足够大时,将会引起多孔介质材料出现变形甚至破坏现象,特别是盐渍土中的结晶更容易引起土体发

收稿日期:2022-10-27;修订日期:2022-12-01

基金项目:国家自然科学基金(41761016);贵州省科技计划(黔科合基础-ZK[2022]重点018)

作者简介:晏　静(1999—),女,硕士研究生。主要从事岩土工程风险动态评价方面的研究。E-mail:2512117646@

通信作者:吴道勇,博士,副教授。E-mail:dywu@

孔隙溶液结晶对孔壁产生的作用力(又称结晶压力)是导致多孔材料变形与破坏的主要原因

[1]

。当结

　1082

陶　瓷硅酸盐通报　　　　　　第42卷

生盐胀变形。随着我国经济建设的快速发展,在盐渍土地区修筑道路、桥梁、水利、石油等工程的力度加大,

盐渍土盐胀造成的工程破坏问题也愈来愈严重

[2-3]

,因此,开展孔隙溶液结晶行为研究至关重要。孔隙溶液

结晶行为涉及传热传质、土力学、结晶动力学及化学等多学科的交叉融合,国内外学者已经做了大量试验并

深入探讨。盐溶液结晶的主要驱动力是溶液过饱和比

[4-5]

。Espinosa

[6]

通过大量试验发现只有在盐溶液过

饱和比大于1时,才会发生盐分结晶析出现象。结晶压力与溶液的过饱和比密切相关,结晶压力随着过饱和

比的增加而增大

[1]

。琚晓冬等

[4]

指出对过饱和的理想盐溶液而言,其物理化学性质各向同性的溶质会在合

类似于“橡胶薄膜”效应的作用力

[7]

。许多学者

[8-11]

以结晶动力学理论为基础,给出了晶体生长引起的结晶

液结晶破坏现象。然而到目前为止,盐渍土和烧结砖等多孔材料的孔隙溶液过饱和比还无法直接测量。不

同试验条件下溶液过饱和比并不相同,盐溶液不同的结晶方式和结晶相也使硫酸钠等溶液的结晶行为非常

复杂,估算其结晶压力仍然面临极大挑战。

在研究盐渍土溶液结晶行为过程中,发现不同浓度的溶液图像具有不同的灰度值,通过获取盐溶液

结晶过程中的图像信息,利用数字图像处理(digitalimageprocessing,DIP)技术测量盐溶液过饱和比并估

算结晶压力,为后续研究盐溶液结晶行为破坏土体结构的微观机理提供良好的数据支撑。本研究以NaCl

溶液和Na

2

SO

4

溶液为例,对不同浓度下的盐溶液进行了过饱和比的测定试验,观察溶液中盐晶体析出的

微观行为和盐结晶过程,利用DIP技术研究盐溶液结晶过程中的过饱和比和结晶压力的变化规律。

适部位逐步聚集并形成球形晶体,球形晶体内部物质受到了来自晶/液界面膜及其所在深度水压力的共同作

用,进而产生晶体压力,其中晶/液界面的压力作用是由于晶体内部分子与界面分子受力状态不同而产生的

压力计算公式,继而建立了结晶变形模型。上述基于溶液过饱和比的结晶压力理论能够较好地解释孔隙溶

1　实　验

1.1　原理分析

为例(见图1),在显微镜下观察溶液结晶过程时,假设

初始时刻离子均匀分布在溶液中。当离子浓度较小

时,光线能够直接穿透溶液,在图像上显示出的像素灰

度值小;而当离子浓度较大时,部分光线难以穿透溶

液,图像显示出的灰度值较大。基于这一原理,通过配

制不同浓度的盐溶液,采用显微镜观察溶液结晶过程

并拍摄图像信息。最后采用imageJ软件进行数字图像

处理,将图片像素转换为对应的灰度值。拟合得到不

同溶液的浓度与灰度值之间对应的函数关系,反算出

溶液浓度和过饱和比。

过饱和比是溶液结晶的驱动力,按式(1)计算。

S=C/C

0

(1)

盐分在溶液中以离子的形式存在,以Na

2

SO

4

溶液

式中:S是溶液的过饱和比;C和C

0

分别为溶液的浓度

和饱和浓度,mol/L。

溶液结晶压力表示为

P

cr

=RT/V

m

lnS(2)

Fig.1　CrystallizationschematicdiagramofNa

2

SO

4

solution

图1　Na

2

SO

4

溶液结晶成像原理图

式中:P

cr

为溶液的结晶压力,MPa;R是理想气体常数,J·mol

-1

·K

-1

;V

m

是晶体的摩尔体积,m

3

;T是绝对温

度,K。

由式(1)和(2)可知,研究溶液过饱和比是探讨结晶行为和结晶压力的关键因素。然而目前还没有关于

溶液过饱和比的直接测量方法。在前期试验研究过程中发现不同浓度溶液的图像灰度值存在明显差异,可

以通过DIP技术利用图像灰度值反算盐溶液过饱和比进而估算结晶压力。

第3期晏　静等:基于数字图像处理的盐溶液过饱和比与结晶压力测量方法

　1083

1.2　试验过程

在常温((20±1)℃)条件下,采用Na

2

SO

4

和NaCl两种盐分配制成不同浓度的盐溶液(1.2、1.0、0.8、

0.6、0.4、0.2mol/L,饱和溶液),每种溶液配制50mL。其中Na

2

SO

4

溶液和NaCl溶液在20℃下的饱和溶液

浓度分别为1.37、6.02mol/L。

试验在带有电荷耦合器件(chargecoupleddevice,CCD)图像传感器的光学显微镜上观察溶液蒸发过程

中的结晶行为

[12]

。在安装了LV-UEPI通用落射照明器的尼康50iPOL偏光显微镜下观测溶液结晶变化,

LenovoThinkCentre台式电脑记录下变化过程中的图片。尼康50iPOL偏光显微镜采用尼康独特的CFI60无

上,调整好光学显微镜的目镜、物镜,使光学显微镜的放大倍数为5倍,采用自动采集图片软件每隔1s拍摄

一次照片,通过照片分析不同浓度的Na

2

SO

4

溶液与NaCl溶液结晶析出规律。采用PS图像处理软件对溶液

结晶过程照片进行预处理,选择目标图像范围;然后通过imageJ软件对经过预处理的目标图像进行像素转

换,获取不同浓度的盐溶液在不同时刻的图像灰度值G,Na

2

SO

4

和NaCl饱和溶液对应的图像灰度值定义为

饱和灰度值G

sat

。需要注意的是,试验温度、湿度和光度均会对盐溶液结晶的速率和图像灰度产生影响。为

了确保试验结果的稳定性,需确保每次试验时光学显微镜的设置参数和试验环境条件保持一致。

线光学系统,提供了高数值孔径和长工作距离,图像锐度极高。首先使用一次性针管将待测溶液滴在载玻片

2　结果与讨论

2.1　溶液浓度标定

在试验过程中,为了减少外界因素影响所导致的误差,

每次在相同材料的载玻片滴两滴目标溶液。显微镜调试完

成,样品安装好以后,立即观察溶液变化过程,并按时间间

隔为1s的速率拍摄图像。以不同浓度条件下拍摄的第一

张图像作为初始状态,然后利用imageJ软件进行数字图像

处理,将图片像素转换为8-bit灰度值(255级灰度),计算

初始状态溶液浓度灰度值的平均值,最终得到Na

2

SO

4

溶液

以及NaCl溶液各个浓度下的初始灰度值与溶液浓度的关

系(见图2)。

由图2可以发现,Na

2

SO

4

溶液与NaCl溶液初始灰度

G=Ac+B(3)

值与浓度呈线性关系,如式(3)所示。

Fig.2　Relationshipbetweengrayvalueand

solutionconcentration

图2　灰度值与溶液浓度关系

式中:c是溶液浓度,mol/L;A和B为拟合参数。需要注意

2.2　不同盐溶液的结晶行为与结晶压力

的是,灰度值受到许多因素的影响,包括观察环境(温度、相对湿度、玻璃片类型)和光学显微镜的参数(光源

强度、目镜的定义等)。在严格控制试验条件下,Na

2

SO

4

溶液和NaCl溶液的拟合参数分别是

A

Na

2

SO

4

=128.85、B

Na

2

SO

4

=31.25和A

NaCl

=37.03、B

NaCl

=7.94。

Na

2

SO

4

溶液结晶过程如图3所示。试验开始后,Na

2

SO

4

溶液自然蒸发使其浓度不断增大,溶液边缘受

表面张力的影响最先结晶(见图3(1b)),出现亚稳定状态的针状晶体。随着时间的增长,晶体由内向外逐

步扩展,直至溶液全部结晶析出。观察发现,在溶液结晶析出之前,溶液浓度迅速达到过饱和状态,图像颜色

由浅变深,相应灰度值由大变小。晶体析出的瞬间,溶液过饱和度降低,其图像颜色变浅。结晶前后溶液浓

度及图像颜色变化如图3(1c)中A、B、C、D点所示。

由图3(1a)、(1b)可知,溶液在自然蒸发630~631s后出现溶液结晶析出现象。溶液结晶析出是瞬间

发生的。此时溶液内部的浓度未达到临界饱和度,溶液边缘受到气液界面表面张力的影响,蒸发速率较快,

溶液首先达到过饱和状态而结晶。试验进行到1182~1183s时,溶液边缘已经结晶析出了大量稳定的针

状晶体(如图3(1c)所示),此时晶体表面附着一层溶液,当溶液进一步蒸发到过饱和浓度时,晶体表面局部

区域再次析出细粒晶体(图3(1d)中A、B、C和D点)。

　1084

陶　瓷硅酸盐通报　　　　　　第42卷

Fig.3　CrystallizationprocessdiagramofNa

2

SO

4

solution

图3　Na

2

SO

4

溶液结晶过程图

性关系式(3),可以计算出不同图像的过饱和比以及结晶压力,得到Na

2

SO

4

溶液结晶过程中图像所对应的

过饱和比以及结晶压力分布图。

从图3(2a)~(2d)可以看出,溶液在631s时有晶体析出后,晶体表面的过饱和比以及结晶压力在晶体

1183s出现部分结晶析出现象(图3(2d)中A、B、C和D处)。局部二次结晶区域的过饱和比比初始结晶过

饱和比略大,例如二次结晶区域A、B、C和D处的过饱和比为1.1~1.3,结晶压力值为5~7MPa。在溶液浓

比关系,与灰度值成反比关系。

的结晶析出现象(如图4(a)所示)。这与Na

2

SO

4

溶液的结晶行为存在明显差异,这与野外观察到的NaCl溶

12~15MPa,远大于Na

2

SO

4

溶液产生的结晶压力。

NaCl溶液结晶需要较高的过饱和比,从而产生较大的结晶压力。如图4(c)所示,NaCl溶液的结晶压力在

基于上述分析,理论上NaCl溶液比Na

2

SO

4

溶液拥有更大的破坏效应。事实上,大量试验结果显示

图4显示了NaCl溶液的结晶形态。试验发现在溶液自然蒸发使浓度增大过程中,溶液边缘未出现明显

度达到结晶析出的临界值时,过饱和比以及结晶压力为最大值,并且过饱和比以及结晶压力与溶液浓度成正

边缘部分值相对较大,溶液内部过饱和比大多处为0.8~1.0,结晶压力大多处于0~3MPa。溶液在1182~

利用MATLAB软件并结合上述过饱和比和结晶压力计算式(1)和(2)以及溶液初始灰度值与浓度的线

液易于出现孔内结晶,而Na

2

SO

4

溶液可能出现孔内结晶和孔外结晶产生盐花的现象一致。值得注意的是,

Na

2

SO

4

溶液在多孔材料中的结晶作用将会造成多孔材料毁灭性的破坏。理论计算与试验结果之间的差异

可能与NaCl溶液和Na

2

SO

4

溶液不同的结晶行为有关。如图3所示,Na

2

SO

4

溶液达到过饱和状态后,晶体

沿径向方向扩展生长,形成针尖状或长柱状晶体。然而,NaCl晶体生长与Na

2

SO

4

晶体生长明显不同,NaCl

限,最终导致NaCl晶体破坏效应远低于Na

2

SO

4

晶体。

溶液达到过饱和状态后在溶液中产生六边形晶胞,晶体后续生长过程主要是沿着晶胞周围逐渐扩大,生长过

程中晶体形状不会发生变化。NaCl晶体生长行为导致其在多孔材料中对其他固体颗粒的相互作用十分有

第3期晏　静等:基于数字图像处理的盐溶液过饱和比与结晶压力测量方法

　1085

3　结　论

Fig.4　CrystallizationdiagramofNaClsolution

图4　NaCl溶液结晶图

观察来推算溶液饱和度,解决了不同时刻溶液饱和度难以直接测量的问题。

1)盐溶液的浓度与图像的初始灰度值具有对应关系,溶液浓度越大,图像灰度值越大。通过灰度值的

2)盐溶液析出结晶过程十分迅速,当溶液浓度达到临界值时,溶液就会立刻结晶析出。相对而言,

Na

2

SO

4

溶液结晶变化较NaCl溶液结晶变化明显,更易于观察。Na

2

SO

4

溶液与NaCl溶液结晶的初始过饱和

比为1.1~1.3,但理论估算的NaCl结晶压力大于Na

2

SO

4

结晶压力。讨论了NaCl和Na

2

SO

4

结晶破坏效应

的差异与二者不同的结晶行为有关,Na

2

SO

4

晶体的蠕变生长行为导致其更具破坏性。

捷,可用于各种盐溶液结晶过饱和比和结晶压力的测量。

参考

3)利用数字图像处理技术进行盐结晶过饱和比和结晶压力的测量是可行的,该方法适用性好且方便快

文献

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