什么是碳酸氢钙脱酸？

碳酸氢钙脱酸法在纸张修复中广泛使用，但是关于其脱酸原理，尤其碳酸氢钙脱酸溶液本身pH值呈酸性这一点，让很多修复人员感到费解。本文尝试对这一脱酸方法的基本原理和相关问题进行解读。

碳酸氢钙脱酸法涉及的主要反应

为什么碳酸钙可以作为缓冲剂？

碳酸钙常见于岩石和土壤，以方解石（三方晶系）、文石（斜方晶系）、球霰石（六方晶系）三种晶型存在。造纸行业中碳酸钙常用于增加纸张白度，另外作为酸碱缓冲剂也可以起到延缓纸张老化的作用。这一作用主要源于碳酸钙能够通过反应（1）和反应（2）消耗氢离子，因此碳酸钙也被作为预防纸张酸化的碱藏物质。但是由于碳酸钙在反应过程中被消耗，如果纸张持续受酸性因素（如酸性污染物、羰基氧化形成的羧酸等）影响，其作为缓冲剂的作用时间也是有限的。

碳酸氢钙脱酸时的反应

碳酸氢钙是一种两性化合物，即可以通过反应（2）消耗氢离子呈现碱性物质特征，也能够通过反应（3）提供氢离子呈现酸性物质特征。

将酸性纸张浸泡于碳酸氢钙溶液中时，碳酸氢钙与纸张中不稳定的氢离子发生反应（2），从而将其去除。与此同时，碳酸氢钙通过反应（3）和反应（4）形成碳酸钙，碳酸钙作为碱藏物质保留在纸张中。上述反应生成的碳酸钙沉淀主要为方解石，在碳酸钙的三种晶型中，方解石是比较稳定的。

利用化学平衡进行脱酸

需要注意的是，上述四个反应都具有可逆性，即根据反应物初始浓度的不同，可能发生正向（=>）或逆向（<=）反应。例如，在pH值较低的溶液中，氢离子的浓度较高，反应（1）以正向为主，因此碳酸钙在酸性溶液中溶解度较高。反之，当溶液pH值较高时，由于氢离子太少，碳酸钙无法分解，如果同时存在钙离子和碳酸氢根离子，反应（1）向逆向进行，迅速生成碳酸钙。

碳酸氢钙脱酸方法就在于根据脱酸不同阶段的需求，控制上述四个反应的反应方向。在制备脱酸溶液时，利用反应（1）的正向反应，将碳酸钙溶解在酸性介质中形成碳酸氢钙溶液。为避免引入其他物质，酸性介质使用的是二氧化碳和水，即利用反应（2）的逆向反应，将气态二氧化碳溶于纯水中，形成氢离子和碳酸氢根离子。

如何制备碳酸氢钙脱酸溶液？

制备碳酸氢钙脱酸溶液时，将大约1 g碳酸钙固体溶解于1 L二氧化碳饱和水溶液中。

在实验室条件下，二氧化碳饱和水溶液可以通过向水中通入二氧化碳制得，但这种方法不太方便，也不容易掌握。在修复室条件下，可以用已经溶解有二氧化碳的气泡水（sparkling water）来代替。脱酸量不大时，市售的瓶装气泡水就足够了，这时应当选择碳酸氢盐含量高且其他化学成分含量低的品牌。另一种方法是使用家用的气泡水机，配合过滤水系统，不仅可以制备大量溶液，而且能更好地控制溶液中的化学成分。

气泡水使用前冷藏保存，避免摇晃，以尽可能减少打开时二氧化碳气体的释放。加入碳酸钙后会产生二氧化碳气泡，应立即拧紧瓶盖，放置一晚后，大多数碳酸钙粉末溶解。

碳酸钙的溶解程度取决于二氧化碳溶液的浓度，通常溶解并不充分，会有一些粉末留在底部。这一点经常令修复人员困惑，因为这很容易引起对脱酸溶液质量的质疑。如果碳酸钙没有完全溶解，是否意味着一开始所用的水中含有钙？或者水中溶解的二氧化碳量不够？要评估所制备脱酸溶液是否有效，建议取上层清液，检测其中所溶解碳酸钙的浓度是否超过0.8 g/L（800 ppm）。这一检测可以使用钙离子检测试剂盒（Calcium Hardness Titrets® Kit）进行。

密闭保存时，制备好的溶液可以保存很长时间。将瓶身倾斜取得上层清液，即为有效的脱酸溶液，此清液取得后应立刻使用，其pH值在5.5到6之间。

酸性溶液如何脱酸？

将待脱酸纸张（通常pH值在3到4之间）放入碳酸氢钙溶液中浸泡10到20分钟。刚从溶液中取出时，纸张pH值仍为酸性，待干燥后其pH值才会上升（根据纸张具体情况，一般为6到8）。

干燥过程中pH值上升是因为二氧化碳释放到空气中，水中溶解的二氧化碳浓度减少，使得反应（2）以正向反应为主，氢离子被碳酸氢根消耗；由于氢离子被消耗，反应（1）以逆向为主，生成碳酸钙。因此，一部分碳酸氢根转化为二氧化碳，另一部分则成为碳酸钙沉淀。这两个反应可以同时发生，因为碳酸氢根离子本就是由二氧化碳和碳酸钙形成的，而且钙离子是过量的。

碳酸氢钙脱酸法的优点

碳酸氢钙是所有脱酸方法中最温和的，纸张的pH值从酸性逐渐上升到弱碱性，而且避免了纸张与强碱性物质接触。这一点从本质上区别于那些使用强碱性溶液（pH＞9）的脱酸方法。当纸张中含有对pH值敏感的书写或绘画介质时，这一点尤其重要。例如，有的印章所用的合成染料在不同pH值环境中会发生颜色变化。又如，对于含有鞣酸铁墨水字迹的文献，强碱性溶液会大大增加墨水褪色的风险。这里我们并不是主张对鞣酸铁墨水手稿进行脱酸（因为水性处理会带来其他副作用）。但是，如果要对鞣酸铁墨水手稿进行水溶液脱酸，碳酸氢钙溶液显然要优于其他强碱性氢氧化物溶液。