一种醇类水分蒸发抑制剂的开发及在多浪水库的应用

吕喜风，张 娜，李秀敏，秦少伟，李 旭

(1. 塔里木大学现代农业工程重点实验室，新疆 阿拉尔 843300；2.塔里木大学生命科学学院，新疆 阿拉尔 843300； 3.塔里木大学南疆化工重点实验室，新疆 阿拉尔 843300；4. 塔里木大学信息工程学院，新疆 阿拉尔 843300)

新疆地处欧亚大陆腹地，远离海洋，干旱少雨，新疆平原区地下水资源量 352 亿m3，实际可开采量152 亿m3，现已开采 94 亿m3。年降水量约400 mm，而蒸发量达3 000 mm[1]。随着经济发展及农业用水的增多，新疆的水资源供需矛盾日益加剧[2,3]。所有地表水灌区都存在着春旱缺水问题[4]。蒸发损失主要来自于河流、湖泊、水库、储水池等大面积水体表面[5]。裸露水体面积越大，水体环境风速越大，蒸发越快。在水体表面铺展水分蒸发抑制剂来降低水体的蒸发率便成了现阶段已知的最可行的方法之一[6,7]。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[8,9]。但目前水分蒸发抑制剂由于易受风浪的影响，且在不同的环境下表现的效果不同，造成实际推广过程中还存在问题[10]。

针对南疆多浪水库的自然环境，本研究以无毒性的十六醇和正丙醇为水分蒸发抑制剂支撑材料，利用超声波技术进行复配，将其制备成乳液抑制剂体系。选择新型PEP漂浮材料制作漂浮网格，以克服单分子膜易受风浪影响的不足。研究发现，该非均相体系能有效抑制水体表面的水分蒸发，此研究工作能够为新疆农业用水提供重要保障，为进一步将单分子膜应用于大面积水域提供了研究基础。

1 材料与方法

1.1 实验原料与设备

超声波分散仪FS-450N，分析天平JA-2003，微量移液器WDY(10 μL)。

十六醇AR级；正丙醇AR级；脂肪醇聚氧乙烯醚AEO，AR级；石油醚AR级。

1.2 抑制剂的制备方法

称取适量的粉状十六醇于烧杯中，快速量取适量石油醚作为溶剂倒入烧杯中，搅拌使十六醇充分溶解。移取适量的正丙醇，加入烧杯并适当搅拌。向混合溶液中依次加入适量的乳化剂AEO系列以及蒸馏水搅拌，将所得乳液放入超声波分散仪中，以适当的强度振荡，即可得所要制备的产品。

1.3 试验方法

用表面积3.14×10-2m2水槽作为容器，以室温无风实验室室内作为试验环境。首先用电子天平称量水槽的质量，之后向水槽中加入质量为a0的水，此时水槽连同水的质量为An(n为实验组序号，取自然数，空白对照组n=0)，之后向水中滴入适量的水分蒸发抑制剂(空白对照组跳过此步)，此时水槽以及水和水分蒸发抑制剂的总质量为Bn。接下来将盛有水以及水分蒸发抑制剂的水槽在室温下静置，使其中的水分自然蒸发，待到一定时间后称得水槽以及其所盛物的总质量为Cn。有关计算公式如下：

an=Cn-Bn

(1)

bn=Bn-An

(2)

xn=(an-a0)/a0×100%

(3)

式中：an为水分蒸发量；bn为使用的水分蒸发抑制剂的量；xn为第n组的水分蒸发抑制率。

2 结果与分析

2.1 十六醇与正丙醇质量比对抑制率的影响

长链醇与短链醇的质量比直接关系抑制效果。将水、石油醚、AEO系列的质量作为常量，十六醇与正丙醇的质量比作为变量，探究其对水分蒸发抑制剂效果的影响。从图1可以看出，在选定常量下，随着体系中十六醇的比例增大，抑制率成上升态势。当十六醇与正丙醇质量比为0.35时，24 h后抑制率达到最高为43.2%，说明短链正丙醇能与长链十六醇形成某种协同作用，使单分子膜更紧凑，抑制效果更好。结果见图1。

图1 十六醇与正丙醇质量比对抑制率的影响Fig.1 Effect of hexadecanol and propanol mass ratio on inhibition rate

2.2 水、石油醚用量比对抑制率的影响

在本配方的各组分关系中，水与石油醚的用量比直接影响乳液的形成，只有石油醚和水处于一个良好的比例时，水分蒸发抑制剂才能较好地形成乳液。当两者比例与理想值相差较大，抑制剂往往无法形成乳液，产生明显的分层，这种情况下的产物无论上层还是下层都无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。以十六醇与正丙醇总量为1.35 g为例，当蒸馏水量为12 g，石油醚为15 g时，抑制率达到峰值。此时乳液状态均匀、稳定性强，静置24 h以上仍保持乳液状态，未见破乳现象。结果见图2、图3。

图2 水量对抑制率的影响Fig.2 Effect of water on the inhibition rate

图3 石油醚量对抑制率的影响Fig.3 Effect of petroleum ether on the inhibition rate

2.3 乳化剂的用量比对抑制率的影响

乳化剂主要作用是帮助不同组分顺利形成乳液，当乳化剂用量不足时，往往导致水分蒸发抑制剂分层无法形成乳液而制取失败，乳化剂使用稍过量时(由于乳化剂用量本身就很少，所以乳化剂稍过量时，过量部分实际相较于产品的总量是很少的)，未发现会对水分蒸发抑制剂有明显的负面影响。但出于原料的利用率以及大量制备时的经济性考虑，研究选取强亲水性的AEO-3、AEO-5，强亲油性的AEO-7，3者比例1∶1∶1，每种质量为0.11 g，乳化剂AEO的总量为0.33 g，水分蒸发抑制剂的抑制率最优，且不会浪费乳化剂。结果见图4。

故此抑制剂的最佳复配质量比应为十六醇∶正丙醇∶AEO总量∶水∶石油醚为0.35∶1∶0.33∶12∶15。

图4 乳化剂的用量比对抑制率的影响Fig.4 Effect of emulsifier on the inhibition rate

2.4 超声波处理强度对抑制效果的影响

理论上讲，处理仪的处理强度越大，对制备水分蒸发抑制剂是越好的。但实际的制备过程中超声波处理会使乳液升温，导致温度变化较大，这种升温不单促使了水分蒸发抑制剂中低沸点的有机溶剂挥发，还会造成抑制剂静置一段时间后由乳液状态重新分层。因此在实际操作中需将盛放待处理乳液的烧杯置于盛有常温水的水槽中，以使制备过程中的乳液温度始终保持在一个稳定的范围内。仅靠此方法，无法完全防止破乳现象的发生。故需选取一个合适的处理强度和时间，使得超声波处理既充分完成，又保证升温现象对抑制剂的制备负面影响最小。

2.4.1 超声波功率对抑制率的影响

在试剂组分最优配比、总功率450 W情况下选择不同的振荡功率，振荡一定的时间，处理仪功率和抑制率的关系见图5。由图5可以看出，功率越大，制备的抑制剂效果越好，当处理仪功率达20%时，抑制率达到最大，继续增大功率对抑制率的增加无明显作用。同时考虑到振荡功率过大有可能引起乳液在振荡过程中升温过快造成破乳，为制备带来不必要的麻烦，故超声波功率设定在20%最为合适。

图5 超声波功率对抑制率的影响Fig.5 Effect of ultrasonic power on the inhibition rate

2.4.2 处理仪振荡时间对抑制率的影响

在试剂组分最优配比的情况下，振荡功率设定为20%时，处理仪振荡时间和抑制率的关系见图6。抑制率随振荡时间的增加而增大，当振荡20 min时，抑制率即达到最大，超过20 min容易出现机械力干扰造成的破乳现象，故制备抑制剂时处理仪振荡的最佳时间应设置在20 min。

图6 振荡时间对抑制率的影响Fig.6 Effect of shock time on the inhibition rate

2.5 有效使用时间

随着使用时间的增长，形成的单分子膜因周围环境的影响，如不稳定的温度、来自空气中杂质、水体当中的微生物作用及矿物质、膜本身材质等方面的因素，会造成单分子膜紧密程度降低，膜表面有空隙形成，并随着时间的增加，这种趋势越来越明显，在抑制率降低至10%以下后，阻蒸发的效果不明显，认为基本丧失了抑制效果，故实验室条件下该体系的使用时间应控制在102 h以内，见图7。

图7 有效使用时间Fig.7 Effective use of time

2.6 水库试验

单分子膜阻蒸发技术应用于平原水库的大面积水体，关键环节是如何消减风浪对单分子膜的影响。本试验采用EPE珍珠棉作为漂浮材料，以钢性镀锌8号铁丝作为骨架，制成正三角形单元格，将三角形单元格连接成漂浮网格。一方面单分子膜被限制在小面积的单元格内，风浪条件下的聚集现象也被局限于单元格内，当风力减小时单分子膜会自我修复，在短时间内再次铺满单元格，恢复阻蒸发能力；另一方面漂浮网格对风力有阻挡作用，使波浪不易在水面形成，为单分子膜提供了稳定的环境。

在风力为无风至和风(离地10 m处的风速为0～7.9 m/s)天气下，将该抑制剂铺展于漂浮网格内，在不同时间段内测定阻蒸发效果，实验结果见图8。48 h内抑制剂的效果较稳定，72 h后抑制率在10.3%，之后抑制率低于10%，可认为基本丧失抑制效果。故在平原水库应用时，应控制使用时间在72 h之内。

图8 多浪水库实地实验效果Fig.8 Field experiments renderings of Duolang reservoir

3 结 论

十六醇与正丙醇制备水分蒸发抑制剂的过程中，最佳复配质量比应为十六醇∶正丙醇∶AEO总量∶水∶石油醚为0.35∶1∶0.33∶12∶15。制备过程中450 W超声波处理仪以20%工作强度，连续工作20 min，所得的水分蒸发抑制剂形成的分子膜具有较好的使用性能，可在平原水库连续应用72 h，平均可减少30%的蒸发。本项目所开展的平原水库蒸发消减技术在全疆推广后，年平均消减蒸发水量约10.4 亿m3，具有巨大的社会、经济和生态效益。随着相关研究的进一步进行，水分蒸发抑制剂技术将不断地完善，届时成本将会更低廉、性能更优秀。该成果对缓解新疆水资源短缺，发展现代农业具有重要意义。

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