水分蒸发抑制剂

1、开发设计性实验报告姓名：黄光伟班级：060334学号：06033411专业：化学工程与工艺指导教师：吴燕2008 年 12 月1. 前言1.1 水资源背景水是人类赖以生存和发展的重要资源之一，在当前全球面临的资源危机中，干旱缺水乃是危中之危。我国是世界上少数严重缺水的国家之一，人均水量仅为世界平均水平的 1/4，是全球水资源最贫乏的国家之一。同时，我国水资源南北拥有率相差悬殊，干旱、半干旱地区所占比例超过国土总面积的一半。在干旱缺水地区，水体的水分蒸发量是当地降水量的数倍乃至数十倍，少数地区甚至高达数百倍。水体的水分蒸发损失主要来自于河流、湖泊、水库、储水池等大面积水体的表面。据统计1 ，市约有 5 万公顷地表水面，按自然蒸发速率估算，每公顷水面年蒸发损失水量近 5 万吨，仅此一项，年损失水量近 25 亿吨。我国西部地区，每公顷水面年蒸发损失水量高达30 万吨，造成的经济损失更为惊人。 对于抑制大面积水体表面的蒸发损失， 最可行的方法是在水体表面铺展水分蒸发抑制剂。1.2 国外研究概况、存在问题和发展趋势水分蒸发抑制剂可在水体表面自发地铺展形成不溶性液体分子膜，从而改变液面直接裸露于空

2、气中的状态，有效抑制水分蒸发 1 。铺展不溶性液体分子膜的水面，不妨碍二氧化碳、氧气以及的透过，因此，不影响水生动植物的生长繁殖。水分蒸发抑制剂能够显著减少大面积水体的蒸发损失，可带来巨大的经济效益和社会效益。早在 20 世纪 50 年代，美国的胶体化学家 Archer 和 La Mer 等人 2-3就进行了一系列的单分子膜抑制水分蒸发的实验，初步研究了水分子透过脂、酸、醇单分子膜的蒸发速率，并对其分子结构与抑制蒸发率的关系进行了研究。我国于 20 世纪 60 年代初开始研究在水面和土面覆以分子膜来减少大面积水体水分蒸发。 1982 年市科委将水分蒸发抑制剂的“研究与开发”列入了研究计划，同年由轻工业化工研究所立项研究土壤中水分蒸发抑制剂， 1987 年国家科委将抑制土壤中水分蒸发的研究列入了重点攻关项目 4 。然而，以往国外在研究抑制水分蒸发的过程中，引入的液膜体系有结构单一，抗环境干扰能力差等不足；在研究环境因素对抑制水分蒸发等影响方面，缺乏对环境影响因素交互作用的客观评价。 对于将在自然环境中运行的液膜 -抑制蒸发体系， 必须全面评估自然环境中各种影响因素（如温度变化、杂质、风力

3、、空气质量等）对液膜抑制蒸发效果的影响， 因为这些因素对液膜 -抑制蒸发体系的干扰显著， 会导致其性能不稳定，甚至会失去抑制水分蒸发的性能 5-6 。由于对上述容缺乏深入细致的研究， 致使本领域尚有许多理论问题没有得到研究。例如：环境影响因子的作用机理、液膜体系自修复行为成因、液膜铺展动力学过程等。目前，国外有关液膜 -抑制水分蒸发的理论研究 7-9 ，主要是利用直链脂肪醇和直链脂肪酸，根据其能够在气液两相界面上铺展形成单分子膜的理论为基础进行研究。通常采用蒸发比阻来表征分子膜对水分蒸发率的影响，蒸发比阻的值越大，分子膜抑制水分蒸发的效果越好。 影响蒸发比阻的因素有很多， 如成膜物质的材料、 表面浓度、分子结构、底液成分、温度、表面压和杂质、风速、空气质量等环境因素。液膜-抑制水分蒸发的作用机理以蒸发比阻为核心，以单分子不溶膜理论为基础，有能量障碍理论、密度变化理论和最小空位面积理论。现有的理论都不能很好地解释环境因素对蒸发比阻的影响，也不能解释非均相液膜体系抑制水分蒸发过程的某些现象。1.3 本课题研究的目的意义目前，国外研究的水分蒸发抑制剂都是单一的均相体系，该体系抗环境干扰能力差

4、，本作品将其制备成非均相体系， 即用长碳链脂肪醇与短链醇复配， 将其配制成 W/O 型乳液体系。研究发现，非均相体系在有效抑制水体表面水分蒸发损失的基础上，具有一定的抗环境干扰和自修复能力，并且其抑制水分蒸发率随时间的延长衰减小，稳定性好。研究中对非均相水分蒸发抑制剂体系的探讨，将弥补国外在该领域的研究空白，具有较高的理论价值和应用价值。本作品研究可对后期实际应用做出理论指导，有利于将水分蒸发抑制剂在实际环境中真正得到推广应用，如此可显著减少大面积水体的蒸发损失。市约有5 万公顷地表水面，按自然蒸发速率估算，每公顷水面年蒸发损失水量近5 万吨，由此，年损失水量近 25 亿吨。如所制备的水分蒸发抑制剂体系可以减水表面近60%的水量蒸发， 仅此可为保留约 15 亿吨水。这对于解决干旱缺水问题、减少水资源损失具有重大意义，可带来巨大的经济效益和社会效益。1.4 社会效益及经济效益湖泊、水库和水稻耕田等大面积水体的水分蒸发造成水资源的巨大损失。早在1960 年，美国化学会就对其进行过专门讨论，报告集已由La Mer 编辑刊行。有研究表明，水分蒸发速率越大，水分蒸发抑制剂抑制蒸发的效率也就越高。

5、由此可知，利用其在干旱地区阻止水分蒸发会达到良好的效果。因此，利用水分蒸发抑制剂来防止大面积水体水分蒸发，对于解决缺水问题、减少水资源的损失具有重大意义，能有效减少大面积水体的水分蒸发损失，并减少经济亏损 (如表 1 所示 )。表 1 国不同地区的水分蒸发和经济损失关系表Tab.1 the relationship of water evaperation and economic losses in the homeland水分蒸发损自来水平经济损失节约水量节约金额地区失量均单价( 万元hm-2 a-1)( t hm-2 a-1)-2 -1)( thm-2 )( 元 t-1 )( 万元 hm a华北地区46800628.081872011.23西南地区50400630.242016012.10西北地区2993708239.5011974895.80注：指每公顷水面 ；为家庭用水和工业用水单价的平均值；采用十六醇为水分蒸发抑制剂，其抑制率为40%。由表 1 的数据可以看出，利用水分蒸发抑制剂， 可以解决水资源的大量蒸发损耗，从而能够带来巨大的经济效益和社会效益。1.5 本课题的研究方法

6、本课题拟采用乳化技术制备非均相 - 抑制水分蒸发体系；通过在实验室模拟自然环境变量，探讨自然环境单因素及多因素交互作用对体系抑制水分蒸发效果的影响；运用分子不溶膜等理论对体系抑制水分蒸发机理进行探讨； 从环境因素对分子不溶膜凝聚态结构的影响，探讨环境因素对分子不溶膜干扰作用的机理。1.6 本课题的研究容1) 采用乳液法制备非均相 -抑制水分蒸发体系，探讨不同因素对抑制效果的影响（如表面浓度、分子结构、复配比例、温度、时间、杂质等因素） ；2)运用分子不溶膜等理论，探讨非均相体系抑制水分蒸发的机理； 3) 探讨非均相水分蒸发抑制体系的抗温度干扰能力和抗杂质干扰能力。1.7 本论文独特之处本论文提出并制备了非均相复配体系的水分蒸发抑制剂， 具备较强的抗杂质抗温度干扰能力，抑制效果稳定。初步分析了非均相复配体系的凝聚机理，为新型非均相体系水分蒸发抑制剂的深入研究奠定了基础。2. 实验部分2.1 实验原料及仪器实验原料选用十六醇（ C16OH）、正丁醇（ C4OH）均为分析纯。脂肪醇聚氧乙烯醚系列（ AEO），铺展溶剂为乙醚、石油醚均为分析纯，亚相水为蒸馏水。实验仪器选用 JJ10K 型精密电

7、子天平（美国）、 HH-4 型、 HH-8 型数显恒温水浴（中国）、FLUKE971型室外温湿度计（美国） 、数控超声波清洗器（中国） 、JYG-180型界面力仪（中国）、 0-25 微升及 0-100 微升微量注射器（中国）。2.2 乳液的配制选用 C16OH和 C4OH复配为分子膜基材 ，以 AEO系列的非离子表面活性剂为乳化剂，采用数控超声波清洗器间歇震荡，两次振摇间隔时间以制得呈乳白色半透明状的W/O型乳液。10s 为宜，持续十分钟，即可2.3 性能测定2.3.1 水分蒸发抑制率的测定本实验在室进行，采用称重法，用水分蒸发抑制率作为评价所研究体系抑制效能的指标。计算公式： 抑制率W fW d100%W f式中： d 有膜水分蒸发量，g； f 无膜水分蒸发量， g2.3.2 表面力的测定本实验中的表面力测量采用吊片法，温度控制在0.1。2.3.3 蒸发比阻（ r ）的测定在水面上放 2mm处放一已知质量的盛有干燥剂的小盒。此盒的底可容水气通过，而不会漏失干燥剂的材料做成。盒底的面积为 A=8.3710-1m2。采用氯化锂为干燥剂，每间隔 5min称其质量，得到增重值 m。蒸发比阻

8、11r ( Cw Cd )VwVf其中mVt 为测定时间，Atfw分别为有膜水面和无膜水面上干燥剂的增重速度。V 和 V2.3.4 表面压 - 表面分子平均占有面积（-A）曲线的测定表面压的测定采用吊片法。 表面压 =0其中 0和分别代表无膜和有膜处的表面力。测量槽采用表面及上边缘均涂了一层均匀石蜡的搪瓷盘。盘的尺寸为 27 192.8cm，盘水面略高于盘边，在盘上平行搁置着两条聚四氟乙烯制的滑尺，用于更新水面，调整水面面积。将研究的成膜物质溶于挥发性铺展溶剂中，配制成浓度数量级为 10-2的溶液，用微量注射器将铺展液迅速滴在两条滑尺间的清洁水面上。待溶剂挥发后，水面上就形成了一层膜，利用滑尺改变面积，测得相应的表面压，即可得到-A 曲线。3 结果与讨论3.1 空白实验非均相抑制体系是以 AEO为乳化剂，将C16OH/C4OH复配体系制备成 W/O型乳液。为了探讨乳化剂在分子膜中的作用，本论文测试了不加入成膜基材（ C16OH/C4OH），只加入AEO的乳液体系的抑制率，见图 1。由图 1可见，不加入成膜基材只加入 AEO 系列乳化剂的乳液体系，没有抑制水分蒸发的效果，体系的抑致率均为零。3.2 单一体系本论文测试了C4OH 单一体系和 C16OH 单一体系的抑制效果，如图2。由图 2 可见， C4 OH 单一体系几乎没有抑制效果，其抑制率最

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