單分子膜不同鋪膜量阻水面蒸發(fā)小區(qū)試驗(yàn)研究

鄧 鑫，葉含春，李志剛，肖 讓?zhuān)毩?/p>

(塔里木大學(xué)水利與建筑工程學(xué)院，新疆 阿拉爾 843300)

在新疆干旱地區(qū)已建的 477 座水庫(kù)[1]中絕大多數(shù)都為平原水庫(kù)，它們坐落在粉沙土、沙壤土、壤土或黏土地基上，并用這些土料筑壩。這些水庫(kù)的總庫(kù)容為 59.6億m3，水庫(kù)水面面積約 2 000 km2,平均水深為 2.98 m。根據(jù)已有研究成果估算，新疆平原水庫(kù)的年蒸發(fā)量為26.1億m3，年滲漏量為 8億m3，合計(jì)每年損失水量約 34.1億m3[2]。由于平原水庫(kù)水面面積大，水深較淺，導(dǎo)致水面蒸發(fā)損失嚴(yán)重，嚴(yán)重制約新疆可持續(xù)發(fā)展，就減少水面蒸發(fā)問(wèn)題前人已做了大量研究，取得了一定的研究結(jié)果[3-5]，但在干旱區(qū)平原水庫(kù)防蒸發(fā)節(jié)水方面，相關(guān)理論研究與實(shí)際應(yīng)用的報(bào)道比較少。其中單分子膜水面阻蒸發(fā)技術(shù)的開(kāi)發(fā)和應(yīng)用具有什么重要的意義。單分子膜是厚度只有一分子厚的膜。許多有機(jī)溶劑都能在水面上鋪展，可以將成膜有機(jī)物溶于這類(lèi)溶劑中，然后滴加到水面上，不溶于水，能迅速均勻鋪展開(kāi)，形成厚度相對(duì)均勻的薄膜，待溶劑揮發(fā)之后，表面上即留下一層有機(jī)物形成的膜[6,7]。倘若適當(dāng)控制成膜物質(zhì)的量，就可得到厚度只有一分子厚的單分子膜。單分子膜也可由可溶性表面活性物質(zhì)在水面上吸附而成。水面單分子膜能大大抑制水分蒸發(fā)，降低因水分蒸發(fā)而損失的熱量，從而使水溫升高。單分子膜水面阻蒸發(fā)技術(shù)應(yīng)用于湖泊、水庫(kù)、農(nóng)田和貯水池，可減少水量蒸發(fā)；應(yīng)用于水稻田，可提前插秧，促進(jìn)幼苗成長(zhǎng)，提高產(chǎn)量；應(yīng)用于農(nóng)田，還可保墑抗旱[8]。單分子膜技術(shù)作為膜科學(xué)技術(shù)的一個(gè)重要分支，近幾十年來(lái)在基礎(chǔ)研究和應(yīng)用開(kāi)發(fā)上都取得了長(zhǎng)足進(jìn)展[9]，但距離大規(guī)模的實(shí)際應(yīng)用還有一些問(wèn)題必須解決，例如，尋找具有綜合性能優(yōu)良，表面性質(zhì)穩(wěn)定的新型成膜材料及復(fù)配改性混合膜的研究，成膜物質(zhì)在水面的有效鋪展，外界強(qiáng)力干擾下單分子膜的自動(dòng)修復(fù)，膜在化學(xué)、生物環(huán)境下的穩(wěn)定性、可降解性和壽命，膜對(duì)水下生物的生態(tài)影響，膜的毒理性評(píng)價(jià)等，其中心問(wèn)題是成膜化合物的結(jié)構(gòu)、組成特性。膜在化學(xué)、生態(tài)環(huán)境下的穩(wěn)定性和可降解性愈來(lái)愈受到人們重視[10]。本文以室內(nèi)試驗(yàn)數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，篩選出效果較好的單分子膜混合液，開(kāi)展室外小區(qū)試驗(yàn)，可實(shí)現(xiàn)較好的阻蒸發(fā)效果，為單分子膜阻蒸發(fā)技術(shù)在干旱區(qū)大面積水域-平原水庫(kù)中開(kāi)展應(yīng)用提供理論基礎(chǔ)和技術(shù)支撐。

1 試驗(yàn)點(diǎn)基本情況

本試驗(yàn)蒸發(fā)池位于阿拉爾市塔里木大學(xué)水利與建筑學(xué)院試驗(yàn)基地內(nèi)，占地面積600 m2，試驗(yàn)小區(qū)周?chē)h(huán)境開(kāi)闊，無(wú)高大建筑物，通風(fēng)、光照良好，減小了外部條件的影響。試驗(yàn)蒸發(fā)池周?chē)L(zhǎng)有蘆葦、柳樹(shù)、雜草等植被，接近平原水庫(kù)周邊生態(tài)環(huán)境。該小區(qū)分為五個(gè)2 m×3 m×1.8 m水池，一個(gè)小型氣象站。如圖1所示。

圖1 小區(qū)平面圖Fig.1 The district plan

該地區(qū)屬于暖溫帶極端大陸性干旱荒漠氣候，冬冷夏熱，年溫差大，降水集中，四季分明，年降雨量較少，大陸性強(qiáng)。極端最高氣溫35 ℃，極端最低氣溫-28 ℃。該地區(qū)太陽(yáng)輻射年均559.8～612.5 kJ/cm2。年均日照2 556.3～2 991.8 h，日照率為5 869%。該地區(qū)雨量稀少，冬季少雪，地表蒸發(fā)強(qiáng)烈，年均降水量為40.1～82.5 mm，年均蒸發(fā)量1 876.6～2 558.9 mm；多年平均風(fēng)速2.5 m/s，最大風(fēng)速31 m/s。

2 材料選擇及實(shí)驗(yàn)原理

(1)材料選擇及特征。本次試驗(yàn)選用長(zhǎng)鏈脂肪醇作為主體分子膜，復(fù)配以短鏈脂肪醇，脂肪醇聚氧乙烯醚為乳化劑，石油醚為油相，采用超聲波分散技術(shù)，制備一種新型的非均相水分蒸發(fā)抑制劑。通過(guò)大量的室內(nèi)試驗(yàn)配比，得出十六醇+正丙醇、十八醇+正丙醇復(fù)配非均相制劑乳液體系，對(duì)阻礙水表面的蒸發(fā)有很好的作用，在23 ℃下，十六醇+正丙醇和十八醇+正丙醇復(fù)配非均相制劑復(fù)配比例為1∶5時(shí)，分子膜濃度為0.101 9 g/m2時(shí)，兩種單分子膜的阻蒸發(fā)抑制率最高可達(dá)53.29%和62.23%。

(2)試驗(yàn)原理。前期單分子膜的篩選只是在實(shí)驗(yàn)室中進(jìn)行的，是在理想的狀態(tài)下，但在實(shí)際鋪設(shè)中單分子膜的鋪膜量與實(shí)驗(yàn)室內(nèi)的不同，受到其他外部因素對(duì)單分子膜的影響，不能為實(shí)際運(yùn)用提供數(shù)據(jù)支撐。通過(guò)在室內(nèi)的大量試驗(yàn)，明確了阻蒸發(fā)制劑的配制比例、基本特性、透氧性等機(jī)理，為小區(qū)試驗(yàn)篩選出性能較好的配比方式，但這只是將單分子膜阻蒸發(fā)技術(shù)推廣應(yīng)用的第一步，距離實(shí)際應(yīng)用還相去甚遠(yuǎn)。為了研究單分子膜在室外實(shí)際鋪膜用量，選取了接近實(shí)際鋪膜水體自然環(huán)境的試驗(yàn)小區(qū)進(jìn)行蒸發(fā)池試驗(yàn)。通過(guò)蒸發(fā)池的實(shí)際鋪設(shè)試驗(yàn)，測(cè)定不同鋪膜量的阻蒸發(fā)率，得出最佳鋪膜量。

未了防止蒸發(fā)池漏水，對(duì)蒸發(fā)池鋪設(shè)兩層塑料薄膜，確保水位測(cè)針測(cè)量采集數(shù)據(jù)時(shí)的準(zhǔn)確性。測(cè)定蒸發(fā)池水面蒸發(fā)量選用精度為 0.01 mm的水位測(cè)針，小型氣象站系統(tǒng)數(shù)據(jù)的輸出步長(zhǎng)為1 h，水位測(cè)針數(shù)據(jù)采集頻率為4 h。小型氣象站、水位測(cè)針的安裝和蒸發(fā)池的防滲處理于2014年7月15日完成并開(kāi)始數(shù)據(jù)采集。試驗(yàn)分別以十六醇+正丙醇復(fù)配非均相制劑和十八醇+正丙醇復(fù)配非均相制劑單分子膜阻蒸發(fā)制劑為研究對(duì)象，測(cè)試不同鋪膜計(jì)量對(duì)水面阻蒸發(fā)效率的影響，從而得出在蒸發(fā)池表面的最佳鋪膜計(jì)量值。

3 結(jié)果與分析

本次試驗(yàn)從2014年8月1日至2014年8月31日期間進(jìn)行試驗(yàn)，試驗(yàn)期間氣候因素如表1所示。

表1 試驗(yàn)氣候因素Tab.1 The test of climate factors

從表1中可以得出，在試驗(yàn)期間，氣候因素利于蒸發(fā)池水表面的蒸發(fā)，適宜不同鋪膜量單分子膜阻蒸發(fā)試驗(yàn)的進(jìn)行。

3.1 鋪膜計(jì)量對(duì)阻蒸發(fā)效率影響的初步試驗(yàn)

受試驗(yàn)小區(qū)蒸發(fā)池?cái)?shù)量的限制，同時(shí)為了消除不同自然環(huán)境下測(cè)得阻蒸發(fā)效率可比性差的影響，試驗(yàn)分為初步試驗(yàn)和細(xì)化試驗(yàn)兩個(gè)步驟。試驗(yàn)初步采用5、15、25和35 mL 4種較大的鋪膜計(jì)量水平，將5、15、25和35 mL 4種計(jì)量的阻蒸發(fā)制劑同時(shí)分別鋪設(shè)與2號(hào)池至5號(hào)池，1號(hào)池留作空白對(duì)照組，這樣就大大提高了試驗(yàn)數(shù)據(jù)的可比性(見(jiàn)表2)。

表2 初步蒸發(fā)池鋪膜計(jì)量 mLTab.2 Preliminary evaporation pond laying metering

(1)十六醇+正丙醇復(fù)配非均相阻蒸發(fā)制劑初步試驗(yàn)。通過(guò)圖2可得出，在十六醇+正丙醇復(fù)配抑制劑加入劑量為15和25 mL時(shí)的阻蒸發(fā)率還有一定的差距，但是加入劑量為35和25 mL時(shí)的阻蒸發(fā)率曲線已相差很小，并有交叉出現(xiàn)，且鋪膜計(jì)量在大于25 mL數(shù)值區(qū)間時(shí)，單分子膜的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定狀態(tài)持續(xù)時(shí)間較長(zhǎng)，持續(xù)時(shí)間區(qū)間為10～55 h，說(shuō)明十六醇+正丙醇復(fù)配非均相阻蒸發(fā)制劑的最佳鋪膜計(jì)量在15～25 mL數(shù)值區(qū)間，在這個(gè)區(qū)間應(yīng)該做細(xì)化實(shí)驗(yàn)，得出蒸發(fā)池水面的最佳鋪膜量。

圖2 十六醇+正丙醇復(fù)配非均相制劑初步鋪膜計(jì)量與阻蒸發(fā)率關(guān)系Fig.2 Preliminary laying measurement and resistance evaporation rate relations of Cetyl alcohol + n-propanol complexheterogeneous formulation

(2)十八醇+正丙醇復(fù)配非均相阻蒸發(fā)制劑初步試驗(yàn)。試驗(yàn)對(duì)5個(gè)蒸發(fā)池的處理與十六醇+正丙醇復(fù)配非均相阻蒸發(fā)制劑試驗(yàn)處理相同，其他外部條件不變。通過(guò)圖3得出，在十八醇+正丙醇復(fù)配抑制劑加入劑量為35和25 mL時(shí)的阻蒸發(fā)率曲線已相差很小，且有交叉出現(xiàn)，說(shuō)明十八醇+正丙醇復(fù)配非均相阻蒸發(fā)制劑的鋪膜計(jì)量在15～25 mL數(shù)值區(qū)間。且鋪膜計(jì)量在15～25 mL數(shù)值區(qū)間時(shí)，單分子膜的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定狀態(tài)持續(xù)時(shí)間較長(zhǎng)，持續(xù)時(shí)間區(qū)間為8～46 h，與十六醇+正丙醇復(fù)配非均相制劑膜結(jié)構(gòu)穩(wěn)定狀態(tài)持續(xù)時(shí)間有所提前，但時(shí)長(zhǎng)有所縮短。

圖3 十八醇+正丙醇復(fù)配非均相制劑初步鋪膜計(jì)量與阻蒸發(fā)率關(guān)系Fig.3 Preliminary laying measurement and resistance evaporation rate relations of Octadecanol + n-propanol complex heterogeneous formulation

3.2 鋪膜計(jì)量對(duì)阻蒸發(fā)效率影響的細(xì)化試驗(yàn)

通過(guò)初步試驗(yàn)只能得到最佳鋪膜計(jì)量值的數(shù)值區(qū)間，無(wú)法得到最佳鋪膜計(jì)量的精確數(shù)值，為了進(jìn)一步對(duì)最佳鋪膜計(jì)量準(zhǔn)確定位，需要對(duì)得到的數(shù)值區(qū)間進(jìn)行細(xì)化試驗(yàn)。與初步試驗(yàn)同理，細(xì)化試驗(yàn)對(duì)得到的最佳鋪膜計(jì)量數(shù)值區(qū)間進(jìn)行4等分，采用19、21、23、25 mL 4種較小的鋪膜計(jì)量水平分別鋪設(shè)與2號(hào)池至5號(hào)池，1號(hào)池留作空白對(duì)照組，對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)比分析，得到最佳鋪膜計(jì)量精確值(見(jiàn)表3)。

表3 細(xì)化蒸發(fā)池鋪膜計(jì)量 mLTab.3 Refined evaporation pond laying metering

(1)十六醇+正丙醇復(fù)配非均相阻蒸發(fā)制劑細(xì)化試驗(yàn)。通過(guò)圖4可得出，在十六醇+正丙醇復(fù)配抑制劑加入劑量為19 mL時(shí)就已經(jīng)比較接近21 mL時(shí)的阻蒸發(fā)率曲線，加入劑量為21、23與25 mL時(shí)的阻蒸發(fā)率曲線已相差很小，并有交叉出現(xiàn)，這4種鋪膜計(jì)量單分子膜的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定狀態(tài)持續(xù)時(shí)間較長(zhǎng)，持續(xù)時(shí)間區(qū)間為10～55 h，綜上所述，十六醇+正丙醇復(fù)配非均相阻蒸發(fā)制劑的最佳鋪膜計(jì)量值為21 mL，換算成每平方米水域最佳鋪膜計(jì)量值為3.50 mL/m2。

圖4 十六醇+正丙醇復(fù)配非均相制劑細(xì)化鋪膜計(jì)量與阻蒸發(fā)率關(guān)系Fig.4 Refined laying measurement and resistance evaporation rate relations of Octadecanol + n-propanol complex heterogeneous formulation

(2)十八醇+正丙醇復(fù)配非均相阻蒸發(fā)制劑細(xì)化試驗(yàn)。試驗(yàn)對(duì)5個(gè)蒸發(fā)池的處理與十六醇+正丙醇復(fù)配非均相阻蒸發(fā)制劑試驗(yàn)處理相同，通過(guò)圖5可看出，隨著鋪膜計(jì)量的增加，單分子膜的阻蒸發(fā)效率逐漸增大，當(dāng)鋪膜計(jì)量為23和25 mL時(shí)的阻蒸發(fā)率曲線非常接近，并有交叉出現(xiàn)，這就說(shuō)明當(dāng)鋪膜計(jì)量大于23 mL后，十八醇+正丙醇復(fù)配單分子膜非均相阻蒸發(fā)制劑的阻蒸發(fā)效率趨于穩(wěn)定值，23 mL為其最佳鋪膜計(jì)量值，換算成每平方米水域最佳鋪膜計(jì)量值為3.83 mL/m2。

圖5 十八醇+正丙醇復(fù)配非均相制劑鋪膜計(jì)量與阻蒸發(fā)率關(guān)系Fig.5 Refined laying measurement and resistance evaporation rate relations of Octadecanol + n-propanol complex heterogeneous formulation

3.3 兩種制劑試驗(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)比

通過(guò)試驗(yàn)數(shù)據(jù)，還可得到十六醇+正丙醇復(fù)配非均相制劑和十八醇+正丙醇復(fù)配非均相制劑在最佳鋪膜計(jì)量下，阻蒸發(fā)效率的有關(guān)結(jié)論，如圖6所示。

圖6 十六醇+正丙醇與十八醇+正丙醇制劑阻蒸發(fā)效率對(duì)比Fig 6 The Resistive evaporation efficiency comparison of Cetyl alcohol + n-propanol with Octadecanol + n-propanol

從圖6中可以得出，在最佳鋪膜劑量下，十八醇+正丙醇制劑最高阻蒸發(fā)效率與平均阻蒸發(fā)效率都優(yōu)于十六醇+正丙醇制劑,說(shuō)明十八醇+正丙醇復(fù)配單分子膜的阻蒸發(fā)效果要明顯優(yōu)于十六醇+正丙醇復(fù)配單分子膜。

4 結(jié) 語(yǔ)

本試驗(yàn)研究通過(guò)初步試驗(yàn)和細(xì)化試驗(yàn)，在兩個(gè)階段的試驗(yàn)研究中，隨著十六醇+正丙醇復(fù)配非均相阻蒸發(fā)制劑用量的增加，當(dāng)蒸發(fā)池鋪膜量超過(guò)21 mL之后，非均相阻蒸發(fā)制劑的阻蒸發(fā)效率趨于穩(wěn)定值，得出十六醇+正丙醇復(fù)配單分子膜最佳鋪膜計(jì)量值為3.50 mL/m2。在兩個(gè)階段的試驗(yàn)研究中，隨著十八醇+正丙醇復(fù)配單分子膜用量的增加，當(dāng)蒸發(fā)池鋪膜量超過(guò)23 mL之后，非均相阻蒸發(fā)制劑的阻蒸發(fā)效率趨于穩(wěn)定值，十八醇+正丙醇復(fù)配單分子膜最佳鋪膜計(jì)量值為3.83 mL/m2。通過(guò)在蒸發(fā)池實(shí)際鋪設(shè)單分子膜，十八醇+正丙醇復(fù)配單分子膜的阻蒸發(fā)效果要明顯優(yōu)于十六醇+正丙醇復(fù)配單分子膜。試驗(yàn)在實(shí)踐中可行性高，具有一定的參考應(yīng)用價(jià)值。

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