一種醇類水分蒸發(fā)抑制劑的開發(fā)及在多浪水庫的應(yīng)用

呂喜風(fēng)，張 娜，李秀敏，秦少偉，李 旭

(1. 塔里木大學(xué)現(xiàn)代農(nóng)業(yè)工程重點實驗室，新疆 阿拉爾 843300；2.塔里木大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院，新疆 阿拉爾 843300； 3.塔里木大學(xué)南疆化工重點實驗室，新疆 阿拉爾 843300；4. 塔里木大學(xué)信息工程學(xué)院，新疆 阿拉爾 843300)

新疆地處歐亞大陸腹地，遠離海洋，干旱少雨，新疆平原區(qū)地下水資源量 352 億m3，實際可開采量152 億m3，現(xiàn)已開采 94 億m3。年降水量約400 mm，而蒸發(fā)量達3 000 mm[1]。隨著經(jīng)濟發(fā)展及農(nóng)業(yè)用水的增多，新疆的水資源供需矛盾日益加劇[2,3]。所有地表水灌區(qū)都存在著春旱缺水問題[4]。蒸發(fā)損失主要來自于河流、湖泊、水庫、儲水池等大面積水體表面[5]。裸露水體面積越大，水體環(huán)境風(fēng)速越大，蒸發(fā)越快。在水體表面鋪展水分蒸發(fā)抑制劑來降低水體的蒸發(fā)率便成了現(xiàn)階段已知的最可行的方法之一[6,7]。水分蒸發(fā)抑制劑能夠顯著減少大面積水體的蒸發(fā)損失，可帶來巨大的經(jīng)濟效益和社會效益[8,9]。但目前水分蒸發(fā)抑制劑由于易受風(fēng)浪的影響，且在不同的環(huán)境下表現(xiàn)的效果不同，造成實際推廣過程中還存在問題[10]。

針對南疆多浪水庫的自然環(huán)境，本研究以無毒性的十六醇和正丙醇為水分蒸發(fā)抑制劑支撐材料，利用超聲波技術(shù)進行復(fù)配，將其制備成乳液抑制劑體系。選擇新型PEP漂浮材料制作漂浮網(wǎng)格，以克服單分子膜易受風(fēng)浪影響的不足。研究發(fā)現(xiàn)，該非均相體系能有效抑制水體表面的水分蒸發(fā)，此研究工作能夠為新疆農(nóng)業(yè)用水提供重要保障，為進一步將單分子膜應(yīng)用于大面積水域提供了研究基礎(chǔ)。

1 材料與方法

1.1 實驗原料與設(shè)備

超聲波分散儀FS-450N，分析天平JA-2003，微量移液器WDY(10 μL)。

十六醇AR級；正丙醇AR級；脂肪醇聚氧乙烯醚AEO，AR級；石油醚AR級。

1.2 抑制劑的制備方法

稱取適量的粉狀十六醇于燒杯中，快速量取適量石油醚作為溶劑倒入燒杯中，攪拌使十六醇充分溶解。移取適量的正丙醇，加入燒杯并適當(dāng)攪拌。向混合溶液中依次加入適量的乳化劑AEO系列以及蒸餾水?dāng)嚢?，將所得乳液放入超聲波分散儀中，以適當(dāng)?shù)膹姸日袷帲纯傻盟苽涞漠a(chǎn)品。

1.3 試驗方法

用表面積3.14×10-2m2水槽作為容器，以室溫?zé)o風(fēng)實驗室室內(nèi)作為試驗環(huán)境。首先用電子天平稱量水槽的質(zhì)量，之后向水槽中加入質(zhì)量為a0的水，此時水槽連同水的質(zhì)量為An(n為實驗組序號，取自然數(shù)，空白對照組n=0)，之后向水中滴入適量的水分蒸發(fā)抑制劑(空白對照組跳過此步)，此時水槽以及水和水分蒸發(fā)抑制劑的總質(zhì)量為Bn。接下來將盛有水以及水分蒸發(fā)抑制劑的水槽在室溫下靜置，使其中的水分自然蒸發(fā)，待到一定時間后稱得水槽以及其所盛物的總質(zhì)量為Cn。有關(guān)計算公式如下：

an=Cn-Bn

(1)

bn=Bn-An

(2)

xn=(an-a0)/a0×100%

(3)

式中：an為水分蒸發(fā)量；bn為使用的水分蒸發(fā)抑制劑的量；xn為第n組的水分蒸發(fā)抑制率。

2 結(jié)果與分析

2.1 十六醇與正丙醇質(zhì)量比對抑制率的影響

長鏈醇與短鏈醇的質(zhì)量比直接關(guān)系抑制效果。將水、石油醚、AEO系列的質(zhì)量作為常量，十六醇與正丙醇的質(zhì)量比作為變量，探究其對水分蒸發(fā)抑制劑效果的影響。從圖1可以看出，在選定常量下，隨著體系中十六醇的比例增大，抑制率成上升態(tài)勢。當(dāng)十六醇與正丙醇質(zhì)量比為0.35時，24 h后抑制率達到最高為43.2%，說明短鏈正丙醇能與長鏈?zhǔn)夹纬赡撤N協(xié)同作用，使單分子膜更緊湊，抑制效果更好。結(jié)果見圖1。

圖1 十六醇與正丙醇質(zhì)量比對抑制率的影響Fig.1 Effect of hexadecanol and propanol mass ratio on inhibition rate

2.2 水、石油醚用量比對抑制率的影響

在本配方的各組分關(guān)系中，水與石油醚的用量比直接影響乳液的形成，只有石油醚和水處于一個良好的比例時，水分蒸發(fā)抑制劑才能較好地形成乳液。當(dāng)兩者比例與理想值相差較大，抑制劑往往無法形成乳液，產(chǎn)生明顯的分層，這種情況下的產(chǎn)物無論上層還是下層都無法起到好的抑制效果。要形成油包水形式的乳液，水需略少于石油醚的量。以十六醇與正丙醇總量為1.35 g為例，當(dāng)蒸餾水量為12 g，石油醚為15 g時，抑制率達到峰值。此時乳液狀態(tài)均勻、穩(wěn)定性強，靜置24 h以上仍保持乳液狀態(tài)，未見破乳現(xiàn)象。結(jié)果見圖2、圖3。

圖2 水量對抑制率的影響Fig.2 Effect of water on the inhibition rate

圖3 石油醚量對抑制率的影響Fig.3 Effect of petroleum ether on the inhibition rate

2.3 乳化劑的用量比對抑制率的影響

乳化劑主要作用是幫助不同組分順利形成乳液，當(dāng)乳化劑用量不足時，往往導(dǎo)致水分蒸發(fā)抑制劑分層無法形成乳液而制取失敗，乳化劑使用稍過量時(由于乳化劑用量本身就很少，所以乳化劑稍過量時，過量部分實際相較于產(chǎn)品的總量是很少的)，未發(fā)現(xiàn)會對水分蒸發(fā)抑制劑有明顯的負面影響。但出于原料的利用率以及大量制備時的經(jīng)濟性考慮，研究選取強親水性的AEO-3、AEO-5，強親油性的AEO-7，3者比例1∶1∶1，每種質(zhì)量為0.11 g，乳化劑AEO的總量為0.33 g，水分蒸發(fā)抑制劑的抑制率最優(yōu)，且不會浪費乳化劑。結(jié)果見圖4。

故此抑制劑的最佳復(fù)配質(zhì)量比應(yīng)為十六醇∶正丙醇∶AEO總量∶水∶石油醚為0.35∶1∶0.33∶12∶15。

圖4 乳化劑的用量比對抑制率的影響Fig.4 Effect of emulsifier on the inhibition rate

2.4 超聲波處理強度對抑制效果的影響

理論上講，處理儀的處理強度越大，對制備水分蒸發(fā)抑制劑是越好的。但實際的制備過程中超聲波處理會使乳液升溫，導(dǎo)致溫度變化較大，這種升溫不單促使了水分蒸發(fā)抑制劑中低沸點的有機溶劑揮發(fā)，還會造成抑制劑靜置一段時間后由乳液狀態(tài)重新分層。因此在實際操作中需將盛放待處理乳液的燒杯置于盛有常溫水的水槽中，以使制備過程中的乳液溫度始終保持在一個穩(wěn)定的范圍內(nèi)。僅靠此方法，無法完全防止破乳現(xiàn)象的發(fā)生。故需選取一個合適的處理強度和時間，使得超聲波處理既充分完成，又保證升溫現(xiàn)象對抑制劑的制備負面影響最小。

2.4.1 超聲波功率對抑制率的影響

在試劑組分最優(yōu)配比、總功率450 W情況下選擇不同的振蕩功率，振蕩一定的時間，處理儀功率和抑制率的關(guān)系見圖5。由圖5可以看出，功率越大，制備的抑制劑效果越好，當(dāng)處理儀功率達20%時，抑制率達到最大，繼續(xù)增大功率對抑制率的增加無明顯作用。同時考慮到振蕩功率過大有可能引起乳液在振蕩過程中升溫過快造成破乳，為制備帶來不必要的麻煩，故超聲波功率設(shè)定在20%最為合適。

圖5 超聲波功率對抑制率的影響Fig.5 Effect of ultrasonic power on the inhibition rate

2.4.2 處理儀振蕩時間對抑制率的影響

在試劑組分最優(yōu)配比的情況下，振蕩功率設(shè)定為20%時，處理儀振蕩時間和抑制率的關(guān)系見圖6。抑制率隨振蕩時間的增加而增大，當(dāng)振蕩20 min時，抑制率即達到最大，超過20 min容易出現(xiàn)機械力干擾造成的破乳現(xiàn)象，故制備抑制劑時處理儀振蕩的最佳時間應(yīng)設(shè)置在20 min。

圖6 振蕩時間對抑制率的影響Fig.6 Effect of shock time on the inhibition rate

2.5 有效使用時間

隨著使用時間的增長，形成的單分子膜因周圍環(huán)境的影響，如不穩(wěn)定的溫度、來自空氣中雜質(zhì)、水體當(dāng)中的微生物作用及礦物質(zhì)、膜本身材質(zhì)等方面的因素，會造成單分子膜緊密程度降低，膜表面有空隙形成，并隨著時間的增加，這種趨勢越來越明顯，在抑制率降低至10%以下后，阻蒸發(fā)的效果不明顯，認為基本喪失了抑制效果，故實驗室條件下該體系的使用時間應(yīng)控制在102 h以內(nèi)，見圖7。

圖7 有效使用時間Fig.7 Effective use of time

2.6 水庫試驗

單分子膜阻蒸發(fā)技術(shù)應(yīng)用于平原水庫的大面積水體，關(guān)鍵環(huán)節(jié)是如何消減風(fēng)浪對單分子膜的影響。本試驗采用EPE珍珠棉作為漂浮材料，以鋼性鍍鋅8號鐵絲作為骨架，制成正三角形單元格，將三角形單元格連接成漂浮網(wǎng)格。一方面單分子膜被限制在小面積的單元格內(nèi)，風(fēng)浪條件下的聚集現(xiàn)象也被局限于單元格內(nèi)，當(dāng)風(fēng)力減小時單分子膜會自我修復(fù)，在短時間內(nèi)再次鋪滿單元格，恢復(fù)阻蒸發(fā)能力；另一方面漂浮網(wǎng)格對風(fēng)力有阻擋作用，使波浪不易在水面形成，為單分子膜提供了穩(wěn)定的環(huán)境。

在風(fēng)力為無風(fēng)至和風(fēng)(離地10 m處的風(fēng)速為0～7.9 m/s)天氣下，將該抑制劑鋪展于漂浮網(wǎng)格內(nèi)，在不同時間段內(nèi)測定阻蒸發(fā)效果，實驗結(jié)果見圖8。48 h內(nèi)抑制劑的效果較穩(wěn)定，72 h后抑制率在10.3%，之后抑制率低于10%，可認為基本喪失抑制效果。故在平原水庫應(yīng)用時，應(yīng)控制使用時間在72 h之內(nèi)。

圖8 多浪水庫實地實驗效果Fig.8 Field experiments renderings of Duolang reservoir

3 結(jié) 論

十六醇與正丙醇制備水分蒸發(fā)抑制劑的過程中，最佳復(fù)配質(zhì)量比應(yīng)為十六醇∶正丙醇∶AEO總量∶水∶石油醚為0.35∶1∶0.33∶12∶15。制備過程中450 W超聲波處理儀以20%工作強度，連續(xù)工作20 min，所得的水分蒸發(fā)抑制劑形成的分子膜具有較好的使用性能，可在平原水庫連續(xù)應(yīng)用72 h，平均可減少30%的蒸發(fā)。本項目所開展的平原水庫蒸發(fā)消減技術(shù)在全疆推廣后，年平均消減蒸發(fā)水量約10.4 億m3，具有巨大的社會、經(jīng)濟和生態(tài)效益。隨著相關(guān)研究的進一步進行，水分蒸發(fā)抑制劑技術(shù)將不斷地完善，屆時成本將會更低廉、性能更優(yōu)秀。該成果對緩解新疆水資源短缺，發(fā)展現(xiàn)代農(nóng)業(yè)具有重要意義。

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