水分蒸发抑制剂.doc

06级化学工程与工艺专业开发设计性实验报告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，天津市约有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国内外研究概况、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、氧气以及阳光的透过，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年天津市科委将水分蒸发抑制剂的“研究与开发”列入了研究计划，同年由天津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，以往国内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、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。由于对上述内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，国内外有关液膜-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，国内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，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，将弥补国内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。天津市约有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，仅此可为天津保留约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，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 国内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地区水分蒸发损失量(thm-2)自来水平均单价(元t-1)经济损失(万元hm-2a-1) 节约水量(thm-2 a-1) 节约金额(万元hm-2a-1) 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本课题的研究内容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型精密电子天平（美国）、HH-4型、HH-8型数显恒温水浴（中国）、FLUKE971型室内外温湿度计（美国）、数控超声波清洗器（中国）、JYG-180型界面张力仪（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10s为宜，持续十分钟，即可制得呈乳白色半透明状的W/O型乳液。2.3性能测定2.3.1水分蒸发抑制率的测定本实验在室内进行，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： 式中：d有膜水分蒸发量，g；f无膜水分蒸发量，g2.3.2表面张力的测定本实验中的表面张力测量采用吊片法，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 其中 t为测定时间，Vf和Vw分别为有膜水面和无膜水面上干燥剂的增重速度。2.3.4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张力。测量槽采用内表面及上边缘均涂了一层均匀石蜡的搪瓷盘。盘的尺寸为27192.8cm，盘内水面略高于盘边，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，C4OH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C16OH/C4OH非均相复配体系的抑制效果，如图3。由图3可以得知，C16OH/C4OH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/C4OH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。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 water evaporation inhibition rate（25）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 evaporation inhibition rate(25)图3 C16OH/C4OH复配体系的抑制效果图（25）Fig.3 The water evaporation inhibition effect of the C16OH/C4OH system(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 water evaporation 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C16OH/C4OH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，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，C16OH/C4OH乳液体系的抑制率明显高于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8.010-2g/m2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，抑制率呈现明显下降趋势。三个体系的最佳表面浓度均8.010-2g/m2，其中C16OH/C4OH乳液体系的抑制率达到62.9%，而C16OH/C4OH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C16OH溶液体系、C16OH/C4OH溶液体系和C16OH/C4OH乳液体系抑制率的影响，如表2。由表2可见，温度的变化对C16OH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，当温度达到40时，分子膜几乎完全丧失抑制效果。当温度介于2030时，C16OH/C4OH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抑制率(%)温度()2025303540C16OH均相体系7.314.613.09.54.3C16OH/C4OH均相体系42.350.048.535.725.0C16OH/C4OH非均相体系58.162.160.057.552.0注：表面浓度均为8.010-2g/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。本论文测试了在相同的实验条件下，时间对C16OH溶液体系、C16OH/C4OH溶液体系、C16OH/C4OH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72h，C16OH/C4OH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要远远高于其他两体系。并且，在实验时间范围内，C16OH均相体系和C16OH/C4OH均相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张力表征体系的铺展性能，见表3。图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 不同体系的表面张力(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乳液体系表面张力(mN/m)72.0 23.921.518.3由表3可见，在三种不同体系的水分蒸发抑制剂中，C16OH/C4OH非均相体系的表面张力最低，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张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C16OH体系C16OH/C4OH复配体系C16OH/C4OH乳液体系表面张力（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张力，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：式中：w为水表面自由能；o为油表面自由能；o/w为油水界面自由能。由上式可以看出，如果要使铺展系数大于零，则要求油表面的自由能和油水界面的自由能比较小。即：如果水分蒸发抑制剂与水形成的油水界面张力较低，使得其在水面上的铺展系数大于零，那么水分蒸发抑制剂就能够自行铺展成为不溶分子膜。由表4中的表面张力测试结果可见，乳液体系的表面张力最低，这说明，乳液体系在气液界面铺展成膜的性能最好，界面吸附分子排列更为紧密，凝聚膜的强度更高，更不易被破坏，因而具有较强的抗温度和抗杂质干扰的性能，并具备一定的自修复能力，验证了前面的实验结果。此外，由表4中的表面压数据可知，非均相体系在气液界面形成的分子不溶膜表面压最低，说明非离子乳化剂（AEO）的引入，在一定程度上能与十六醇分子产生协同效应，形成复合膜，进一步增大了分子膜的凝聚性，因此，降低了最终形成的分子膜的表面压，赋予分子膜更好的抑制水分蒸发的性能。3.6抗环境干扰作用机理探讨在实际环境中，温度、杂质、风速、空气质量等环境因素对分子膜的干扰非常显著，会导致分子膜性能不稳定，甚至失去抑制水分蒸发效果。由于这些问题没有得到合理解决，阻碍了水分蒸发抑制剂的推广应用。为此，本论文通过测试温度、杂质等因素对水分蒸发抑制率的影响程度，初步探讨了水分蒸发抑制剂的抗环境干扰作用的机理。3.6.1乳液体系的抗温度干扰能力本论文探讨了乳液体系抗温度干扰能力，图6是环境温度波动对乳液体系的抑制率的干扰作用图。乳液体系以AEO为乳化剂，成膜材料为C16OH/C4OH混合物（复配比为31），表面浓度为8.010-2g/m2；均相体系以乙醚为铺展溶剂，成膜材料为C16OH/C4OH混合物（复配比为31），表面浓度为8.010-2g/m2。由图6可以看出，温度在1540波动时，与C16OH/C4OH均相复合体系相比，C16OH/C4OH非均相乳液体系显示出更好的抗温度干扰性，体系的y/T在0.15范围内波动，说明温度对分子膜的干扰较弱，体系具有较好的抗温度干扰能力较差。3.6.2 乳液体系的抗杂质干扰能力本论文探讨了乳液体系抗杂质干扰能力，图7是时间对乳液体系的抑制率的稳定性的影响图。乳液体系以AEO为乳化剂，成膜材料为C16OH/C4OH混合物（复配比为31），表面浓度为8.010-2g/m2；均相体系以乙醚为铺展溶剂，成膜材料为C16OH/C4OH混合物（复配比为31），表面浓度为8.010-2g/m2，温度为25。由图7可以看出，乳液体系和溶液体系在48h前，抑制率的变化率（y/t）波动相对较大，这可能是因为体系在气液两相界面铺展成膜时，需要48h左右的时间，分子膜凝聚态结构才逐渐稳定。48h后，C16OH/C4OH均相体系的y/t介于0.2之间，而C16OH/C4OH非均相体系的y/t介于0.08之间，说明C16OH/C4OH非均相体系的分子膜凝聚态结构更稳定，显示出更强的抗杂质干扰能力。图6 乳液体系抗温度干扰图Fig.6 The effect of temperature disturb on the emulsion system图7 杂质对体系稳定性的影响Fig.7 The effect of impurity on stability of the system4.总结与展望4.1总结本文在全面总结国内外水分蒸发抑制剂的研究与发展的基础上，制备了具有较好抗温度和抗杂质干扰能力的非均相水分蒸发抑制剂体系，为水分蒸发抑制剂的理论研究和应用研究提供了有力的依据。主要研究结论归纳如下：制备了W/O型非均相水分蒸发抑制体系，测定了其抑制率，探讨了影响其抑制效果的因素，研究结果表明：(1)单独使用乳化剂和短链醇的体系几乎没有抑制效果，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。(2)C16OH/C4OH非均相体系，可大幅度提升水表面蒸发的抑制率，并且该体系随时间的延长衰减小，稳定性好，具有较好的抗温度干扰能力、抗杂质干扰能力和自修复能力。(3)C16OH/C4OH非均相体系的最佳复配方案为，在25下，C16OH/C4OH复配比例为3:1，分子膜表面浓度为8.010-2g/m2时，抑制率可达62.1%，并且当实验时间超过250h时，体系的抑制率仍然在60%左右，抑制率十分稳定。4.2 展望由于时间限制，在本论文的学习研究中还存在许多不足之处，尚存在许多问题有待于进一步解决，主要有以下几个方面： 1.性能测试。测试上述配制的各种不同结构、不同形态的水分蒸发抑制剂的各项表面性能。如表面压-分子膜平均占有面积曲线、表面压-蒸发比阻曲线、表面粘度、表面电势及气液界面的形貌等，进一步探讨分子膜内部的结构、排列等性质与性能的关系。2.进一步开展理论研究。由于国内外有关水分蒸发抑制剂的抑制机理的理论研究，主要是针对直链脂肪醇和直链脂肪酸展开探讨，主要有单分子不溶膜理论、结合能量障碍理论、密度变化理论和最小空位面积理论，其中后三种理论，是以单分子不溶膜理论为基础发展起来的。这些理论无法完整解释环境因素对水分蒸发抑制剂的影响，因此无法指导实际应用。拟研究自然环境对非均相液膜铺展过程的影响因素；通过模拟自然环境变量，探讨环境因素对非均相液膜抑制水分蒸发过程的作用机理；非均相液膜自修复机理的研究；建立环境因素变量对非均相液膜抑制水分蒸发过程的模型；引入环境影响因子修正蒸发比阻的计算公式，建立环境因素对水分蒸发抑制剂干扰作用的机理模型，以指导实际应用。3.要达到的技术指标：非均相液膜的组成物对生物和