水分蒸发抑制剂.docx

1、水分蒸发抑制剂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

2、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

3、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

4、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、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

5、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

6、一的均相体系，该体系抗环境干扰能力差，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

7、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。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，

8、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

9、.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

10、，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

11、相水为蒸馏水。实验仪器选用 JJ10K 型精密电子天平（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

12、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

13、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

14、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，其抑制率最高时仅为 14%左右，实验时间为200h 时，抑制率已下降为零。 C16OH 单一体系的抑制效果远远高于 C4OH 体系，最高抑制率可达 45%，且抑制率相对稳定，曲线下降趋势相对缓

15、慢，在实验时间为 396h 时，抑制率仍为 30%左右。这是因为 C4OH 的碳链长度太短，不能形成凝聚膜，因此抑制效率很低。3.3 复配体系本论文测试了 C164非均相复配体系的抑制效果，如图。由图3可以得OH/C OH3知， C16OH/C 4OH 非均相复配体系的抑制率较高，且抑制水分蒸发的性能十分稳定。实验时间超过 72h 时，抑制率超过 60%，且在实验时间为 250h 时，抑制率曲线仍然十分平稳，没有下降趋势。由图 1 至图 3 可以看出，单独使用乳化剂和短链醇的体系几乎没有抑制效果，C16OH/C 4OH 非均相复配体系的抑制效果好于 C16OH 非均相体系， 且抑制率曲线呈升高

16、趋势，并极大提高了体系的稳定性，制备出抑制效果好，稳定性强的水分蒸发抑制剂体系。这说明在乳液体系中， C16OH 是形成分子膜的基础材料， C4OH 和 AEO 的引入提高了分子膜的凝聚性和稳定性，从而导致体系抑制率增大。3020 25 30 20COH单一体系440COH单一体系1630%率率制 20制 10抑抑100001002003004005000100200300400t(h)t(h)图 1 不同温度下脂肪醇聚氧乙烯醚（ AEO ）的抑制效果图（ 25）Fig.1The effect of fatty alcohol polyoxyethylene ether on the wate

17、r evaporation inhibition rate （ 25）C 16 OH/C4OH复配体系605040%率制 30抑201000 50 100 150 200 250t(h)图 2 C4OH 和 C16OH 单一体系的抑制效果图 (25 ) Fig.2 The effect of carbons on the water evaporationinhibition rate(25 )70COH/C OH非均相体系16460C 16OH/C 4 OH均相体系C 16OH均相体系50% 40率制30抑201004.85.66.47.28.08.89.6浓度 102 ( g/m2)图 3

18、 C 16OH/C4 OH 复配 体系 的抑 制效 果图（25）Fig.3 The water evaporation inhibitioneffect of the C16 OH/C4OHsystem (25 )图 4 表面浓度对不同体系水分蒸发抑制率的影响(25 )Fig.4 The effect of concentration on the waterevaporation inhibition rate(25 )3.4 影响非均相体系抑制性能的因素3.4.1 表面浓度的影响制备水分蒸发抑制剂体系时应注意铺展溶液的表面浓度：一般要求铺展溶液的表面浓度应足够低 ，以免成膜分子在铺展时形成

19、缔和结构 ，影响成膜；但表面浓度太低，又不利于成膜操作。本论文测试了不同分子膜表面浓度对C16OH 均相体系、 C16OH/C4OH 均相体系和C OH/C OH 非均相体系抑制效果的影响，实验温度为25 ，实验时间为 96h 时，164考察不同表面浓度下各体系的抑制率，如图4。由图 4 可以看出，在相同的表面浓度下， C164乳液体系的抑制率明显高OH/C OH于 C16OH 溶液体系和 C16OH/C4OH 溶液体系。由图中曲线的变化趋势可以看出，当表面浓度低于 8.0 10 -2 g/m 2 时，随着表面浓度的增大，三个体系的抑制率均呈上升趋势，当进一步增大体系分子膜表面浓度时，抑制率呈

20、现明显下降趋势。三个体系的最佳表面浓度均 8.0 10 -2 g/m 2，其中 C16OH/C4OH 乳液体系的抑制率达到 62.9%，而C16OH/C 4OH 溶液体系和 C16OH 溶液体系的抑制率仅为 45.1%和 27.3%。3.4.2 温度的影响温度是影响不溶性凝聚膜的显著因素，本论文测试不同温度对C16溶液体系、OHC OH/C OH 溶液体系和 C16OH/COH 乳液体系抑制率的影响，如表2。由表 2 可见，1644温度的变化对 C16均相体系的性能影响显著， 随着温度的变化抑制率波动很大， 当OH温度达到40时，分子膜几乎完全丧失抑制效果。当温度介于20 30时，C16OH/

21、C 4OH 均相体系显示出较好的抗温度干扰能力，然而当温度超过30时，抑制率明显下降。随着温度的变化，C16OH/C4OH 非均相体系抑制率波动很小，当温度达到 40时，抑制率仍然保持在52%，显示出比前两者更为显著的抗温度干扰能力。表 2 温度对不同体系水分蒸发抑制率的影响Tab.2 The effect of temperature on the water evaporation inhibition rate温度()抑制率 (%)2025303540C16OH均相体系7.314.613.09.54.3C16OH/C4OH均相体系42.350.048.535.725.0C OH/COH非

22、均相体系58.162.160.057.552.0164注：表面浓度均为 8.0 10- 2g/m2 ，采集第96h 实验数据。3.4.3 时间的影响时间是影响分子膜抑制率的重要因素，在实验过程中，随着时间的延长，很多杂质（如灰尘）会侵入表面不溶膜，并在膜分子层中构成一些水分子蒸发的孔道，造成膜结构松散，直接影响不溶膜的性能。C16本论文测试了在相同的实验条件下，时间对溶液体系、164OH溶液体系、 C164OHC OH/C乳液体系的抑制率的影响，如图5所示。由图5可以看出，在前OH/C OH72h，C164均相体系的抑制率最高， 但随着时间的增加， 非均相体系的抑制率OH/C OHC16要远远

23、高于其他两体系。并且，在实验时间围，均相体系和164OH均相OHC OH/C体系抑制率均呈现下降趋势， C16OH/C4OH 非均相体系的抑制率则呈现逐渐上升的趋势，显示出优异的稳定性。3.4.4 铺展性能测试水分蒸发抑制体系在气液界面的铺展形成分子不溶膜， 体系的铺展性能对分子膜的形态和凝聚性影响很大，从而对分子膜抑制水分蒸发的性能影响显著。为此，本论文通过测试体系的表面力表征体系的铺展性能，见表 3。706050)% 40(率制 30抑20100C 16 OH/C 4OH 非均相体系C 16 OH/C 4OH 均相体系C OH 均相体系160 50 100 150 200 250t(h)图

24、 5 时间对不同体系水分蒸发抑制率的影响 (25 )Fig. 5 The effect of time on the water evaporation inhibition rate (25 )表 3 不同体系的表面力 (25 )Tab3 The surface tension data of the water evaporation retardants ( 25 )体系 水 C16OH溶液体系 C16OH/C4OH溶液体系 C16OH/C4OH乳液体系表面力 (mN/m) 72.0 23.9 21.5 18.3由表 3 可见，在三种不同体系的水分蒸发抑制剂中， C16OH/C 4OH

25、非均相体系的表面力最低，说明乳液体系在气液界面铺展成膜的性能最好。3.5 非均相体系抑制机理探讨前面的实验结果表明， 非均相体系比均相体系具有更好的抑制水分蒸发效果和抗环境干扰能力。为此，本论文测试了均相体系和非均相体系的表面力及所形成的不溶膜的表面压，计划从非均相体系的铺展性和所形成的分子不溶膜的凝聚性，对乳液体系的抑制机理进行分析探讨。实验数据见表 4。表 4 不溶膜的表面压Tab.4 The surface pressure of the insoluble film铺展溶剂C OH体系C OH/COH复配体系C OH/COH乳液体系16164164表面力（ mN/m）23.921.518.3表面压（ mN/m）50.651.554.6由表 4 可以看出，将成膜材料制备成乳状液降低了体系的表面力，可赋予膜材料在气液界面更好的铺展性能。根据基础理论单分子不溶膜理论可知，水的蒸发是水分子从水体表面由液相到气相的过程，当水分子逸出水面时，受表面分子膜铺展所形成的界面阻挡及其界面力场所产生的阻力，致使水的蒸发速率明显降低，有效抑制水分蒸发。并非所有的油（泛指一般的碳氢化合物）都能在水面上铺展形成不溶性分子膜，其必要条件是油在水面上的铺展系数（ So/w）大于零。铺展系数的计算公式：SO WWOO W式中： 为油表面自由能；oo/w 为油水界面自由能。w为水表面自由能；