适用于干旱区的水分蒸发抑制剂研究

吕喜风，王新鹏，刘 速，叶含春

(塔里木大学 a.生命科学学院；b.现代农业工程重点实验室；c.水利与建筑工程学院，新疆 阿拉尔 843300)

适用于干旱区的水分蒸发抑制剂研究

吕喜风a，b，王新鹏c，刘 速a，叶含春c

(塔里木大学 a.生命科学学院；b.现代农业工程重点实验室；c.水利与建筑工程学院，新疆 阿拉尔 843300)

为推动水分蒸发抑制剂在南疆平原水库的应用，以十八醇(C18OH)和短链醇正丁醇(C4OH)为分子膜基材，采用超声波分散技术，制备了水分蒸发抑制剂体系。探讨了不同材料配比、表面浓度、温度、持续时间对抑制效果的影响。研究结果表明：C18OH/C4OH乳液体系的抑制率较高，抑制剂在试验小区使用时间可达180 h，且抑制水分蒸发的性能十分稳定，抗温度及杂质的干扰能力强，适用于南疆昼夜温差大、易起沙尘的环境。

水分蒸发抑制剂；干旱区；南疆水库；水资源保护；C18OH；C4OH

1 研究背景

20世纪70年代后南疆地区的温度、降水和蒸发基本呈上升态势[1]。南疆水体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[2]。针对由于水体蒸发造成的水资源浪费问题，国内外学者对水资源的高效利用做了大量的研究[3-4]。从20世纪80年代初，中国科学院新疆生态与地理研究所针对阿克苏地区，采用蒲草覆盖技术抑制水面无效蒸发，其平均抑制率为14.2%。2004年新疆农业大学张晓浩等[5]提出采用苯板漂浮水面的方法,抑制水分蒸发。洛杉矶官方策划将巨量的黑色塑料小球大规模铺设于水库，使水分减少蒸发。以上方法铺设过程需要大量人力、车力，且环保性低，回收成本高，对后期环境会造成一定影响。王积强等[6]在阿克苏地区上游水库，采用十八烷醇作为水面抑制剂，对水分无效蒸发进行试验，确定该单一抑制剂化学成分的稳定性。吴燕等[7]利用甲苯二异氰酸酯制备了氨基甲酸酯基水分蒸发抑制剂，在温度高于30 ℃时可保持良好效果。马艳等[8]利用十八醇与正丙醇复配制备水分蒸发抑制剂，长链醇与奇数短链醇复配后表面张力略大，造成铺展速度慢，且实验室应用有效时间较短。以上成果均未进行室外试验。即使同种抑制剂在不同地区应用效果也不同，缺乏解决抑制剂应用于具体环境诸多问题的有效方法，阻碍了其推广应用，无法取得实际经济价值。

塔里木河流域气候干旱，昼夜温差大，极大加剧了当地平原水库水分蒸发量。本文通过对塔里木河流域气候和水文资料分析[9]，确定适合当地气候的水分蒸发抑制剂。以单分子膜的结构原理为基础，采用超声波分散技术将十八醇(C18OH)与正丁醇(C4OH)乳液进行复配，研究表明长链醇与短链偶碳醇复配体系抗温度干扰性能良好、铺展迅速、使用寿命较以往配方均有所提高[6-10]，多浪水库示范区试验表明其能够适用于南疆平原水库环境。此研究工作能够为南疆水资源的利用和保护提供重要依据。

2 研究方法

2.1 试验原料与设备

本文试验主要用到的试验设备为：超声波处理器(FS-450N)、分析天平(JA-2003)、表面张力仪(CL-3)、微量移液器(WDY)(10 μL)。试验原料为：C18OH(天津市致远化学试剂有限公司)、C4OH(天津市光复精细化工研究所)、脂肪醇聚氧乙烯醚(天津市科欧化学试剂开发中心)、石油醚(天津市致远化学试剂有限公司)。

2.2 非均相乳液的制备方法

从文献[8]查得：同温同浓度下，C18OH溶液表面张力为22.6 mN/m，正丙醇(C3OH)溶液表面张力为23.71 mN/m，C4OH溶液表面张力为25.39 mN/m。醇中烷基链越长，醇分子的极性越弱，表面张力越小，表面水分子的相互作用力降低的幅度越大，故将C18OH与C4OH复配预期可取得良好效果。以C18OH和C4OH为复配的基本原料，以石油醚为溶剂，辅以一定量的蒸馏水和乳化剂，通过超声处理，配制出水分蒸发抑制剂体系，室内采用称重法表征抑制率。

2.3 试验方法

采用表面积为3.14×10-2m2的水槽作为容器，将室温无风的室内实验室作为试验环境。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为试验组序号，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(n取正整数，空白对照组跳过此步)。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。

水分蒸发量、水分蒸发抑制剂的量及水分蒸发抑制率的计算式分别为：

(1)

(2)

(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(%)。

图1 不同温度下脂肪醇聚氧乙烯醚的抑制效果Fig.1 Inhibitory effect of fatty alcohol ethoxylates at different temperatures

3 结果与分析

3.1 不同试验效果分析

3.1.1 空白试验

乳液抑制体系是以脂肪醇聚氧乙烯醚系列为乳化剂，将C18OH与C4OH复配体系制备成油包水W/O型乳液。为了探讨乳化剂在分子膜中的作用，测试了不加入成膜基材(C18OH/C4OH)，只加入脂肪醇聚氧乙烯醚系列的乳液体系的抑制率(图1)。由图1可见，不加入成膜基材只加入脂肪醇聚氧乙烯醚系列乳化剂的乳液体系，几乎没有抑制水分蒸发的效果，体系的抑制率近乎为0。

3.1.2 单一体系

C4OH和C18OH单一体系的抑制效果如图2所示。由图2可见:C4OH单一体系几乎没有抑制效果，其抑制率最高仅为14%左右，试验时间为190 h时，已基本没有抑制作用;C18OH单一体系的抑制率要优于C4OH体系，抑制效果最好时抑制率可达到44%，且抑制率相对稳定，曲线下降趋势缓慢，在试验时间为390 h时，抑制率仍可达到28%左右。这是因为C4OH的碳链长度较短，不易形成凝聚膜，因此抑制率比较低。

图2 C18OH和C4OH单一体系的抑制效果(25 ℃)Fig.2 Inhibitory effect of octadecanol and n-butyl alcohol single system at temperature of 25 ℃

图3 C18OH/C4OH复配体系的抑制效果(25 ℃)Fig.3 Inhibitory effect of octadecanol and n-butyl alcohol composite system at temperature of 25 ℃

3.1.3 复配体系

将长链C18OH与短链C4OH进行乳液复配，其抑制效果见图3。由图3可以看出，C18OH/C4OH乳液体系的抑制水分蒸发性能稳定，效率较高。试验时间超过70 h时，抑制率超过50%，且在试验时间为200 h时，抑制率曲线仍然十分平稳，没有下降趋势。

试验结果表明:单独使用乳化剂和短链醇的体系几乎没有抑制效果，C18OH/C4OH乳液复配体系的抑制效果好于单一的C18OH乳液体系，且抑制率不断升高，提高了体系的稳定性，属于稳定性强、抑制效果好的乳液水分蒸发抑制剂体系。这说明在乳液体系中，C18OH是成膜的基料，C4OH和脂肪醇聚氧乙烯醚系列的引入极大地提高了分子膜的凝聚性和稳定性，从而导致该体系抑制率的增大。

3.2 不同因素对抑制性能的影响

3.2.1 表面浓度

铺展抑制剂的浓度对抑制率有很大的影响。浓度偏低时，对成膜不利,造成抑制率偏低。浓度升高，在水体与空气的两相界面开始逐渐形成一层分隔两相的界面膜，浓度继续增大，抑制剂分子几乎定向垂直地排列在界面，阻止了水分子向气相介质逸出，所以抑制率增大。继续增大铺展浓度超过一定值时，抑制率反而随浓度的增大而减少，这是因为抑制剂分子抱团形成胶束，影响成膜，故抑制率反而下降。

本文测试了不同分子膜表面浓度对C18OH溶液体系、C18OH/C4OH溶液体系和C18OH/C4OH乳液体系抑制水分蒸发效果的影响，室温条件下(25 ℃)，试验时间为48 h时，考察不同表面浓度下各体系的抑制率，如图4所示。

图4 表面浓度对不同体系抑制率的影响(25 ℃)Fig.4 Effect of surface concentration on the inhibition rate of different systems at temperature of 25 ℃

在相同的表面浓度下，C18OH/C4OH非均相乳液体系的抑制率明显高于C18OH溶液体系和C18OH/C4OH溶液体系。在表面浓度<7.8×10-2g/m2时，随着表面浓度的增大，3个体系的抑制率都呈上升趋势，当体系分子膜表面浓度再增大时，抑制率开始明显下降。表面浓度为7.8×10-2g/m2时,3个体系的抑制效果最佳，其中C18OH/C4OH乳液体系的抑制率达到63.9%，而C18OH/C4OH溶液体系和C18OH溶液体系的抑制率分别仅为45.1%和26.3%。

3.2.2 温 度

温度是影响不溶性凝聚膜的显著因素，在不同温度下测试C18OH溶液体系、C18OH/C4OH溶液体系、C18OH/C4OH乳液体系的抑制率受温度影响的程度，结果见表1。

表1 温度对不同体系抑制率的影响

注：表面浓度均为7.8×10-2g/m2，采集第48小时试验数据

试验结果表明，温度的变化显著影响C18OH溶液体系的性能。当温度处于室温条件时(20～35 ℃)，C18OH/C4OH溶液体系显示出较好的抗温度干扰能力，温度达到35 ℃及以上时，抑制率下降显著。温度到达40 ℃时体系几乎丧失阻蒸发能力。随着温度的变化，C18OH/C4OH乳液体系抑制效果受温度影响的波动很小，在40 ℃的试验条件下，抑制率仍稳定在50%左右，说明与前2个体系相比，该体系对温度更不敏感，更适用于南疆夏季温度高、昼夜温差大的自然环境。

3.2.3 使用时间

使用时间是影响分子膜抑制率的重要因素。随着试验的进行，分子膜的表面开始出现一些孔隙，这主要是因为分子膜被空气中的杂质入侵，水分子会通过这样的通道蒸发至空气中，造成抑制率下降。

本文测试了在相同试验条件下，时间对C18OH溶液体系、C18OH/C4OH溶液体系、C18OH/C4OH乳液体系抑制率的影响，如图5所示。由图5可以看出，C18OH/C4OH溶液体系和C18OH溶液体系的抑制率随时间变化较大，混合醇的溶液体系在短时间内有一定的抑制效果，但96 h后几乎丧失抑制能力。C18OH单一溶液体系的抑制效果在72 h时即丧失抑制效果，混合醇的乳液体系在168 h内抑制效果均在50%以上，试验进行至240 h的抑制率仍达到20.7%，显示出优异的稳定性。

图5 使用时间对不同体系水分蒸发抑制率的影响(25 ℃)

3.3 铺展性能测试

在水中加入制备好的抑制剂，抑制剂会迅速在水面扩散，形成分子膜，这种分子膜的表面张力为15.2 mN/m，铺展效果好，且具有一定的自愈能力。由文献[8]可知，C18OH/C3OH体系表面张力为18.3 mN/m，对比其他水分蒸发抑制剂在水面铺展的分子膜表面张力(测定结果见表2)。

表2 不同体系的表面张力(25 ℃)

由表2可以看出，C18OH/C4OH乳液体系抑制剂的表面张力在4组中最小。根据单分子膜铺展原理，表面张力越小，在水面的铺展效果越好。说明C18OH/C4OH乳液体系在气液界面铺展效果最好。

图6 示范基地试验效果Fig.6 Experimental results at the demonstration site

3.4 示范基地试验

为推广水分蒸发抑制剂的实际应用，选取距离阿克苏多浪水库42 km，占地面积600 m2的位置建立示范基地进行试验，示范基地周围环境开阔，无高大建筑物，通风、光照良好，试验小区周围长有芦苇、柳树、杂草等植被，接近平原水库生态环境。由于该基地地处塔里木盆地北缘，能代表典型的塔里木河流域的气候环境条件。

由于试验条件受限，无法精确控制太阳辐射量，取日平均太阳辐射量10.5 MJ。风速可控范围为0～6 m/s，采用限流调节风速的方式，使风速均匀，同时调整风速间歇改变，充分模拟自然风速。示范基地试验效果见图6。

由图6可以看出，84 h以内抑制率稳定且均在52.5%以上，此阶段为效果稳定期。单分子膜的破损与自我修复功能维持在一定的平衡范围，故自然环境对其抑制效果影响不大。随着时间的继续增加，抑制率有明显下降，在180 h后抑制率为10%，抑制效果不明显，这是因为单分子膜的自我修复功能已不能完全抵抗自然因素的持续干扰，故抑制效果下降。当单分子膜完全破裂，无法自我修复，抑制率逐渐减少，此后可视为抑制剂效果丧失。因此该单分子膜的使用时间应控制在180 h之内。

4 结 语

C18OH/C4OH乳液体系具有铺展能力强、抗温度变化及抗杂质干扰的特点，示范基地试验结果表明该抑制剂体系180 h后抑制率可达10%，且操作简单，成本低廉，有很强的可实施性，推广前景大，可为改善新疆干旱地区水分蒸发量大的现状、保护水资源提供理论参考。

[1] 陈忠升，陈亚宁，徐长春. 近50 a来塔里木河干流年径流量变化趋势及预测[J].干旱区地理，2011，34(1)：43-50.

[2] 张正勇，何新林，刘 琳，等. 中国天山山区降水空间分布模拟及成因分析[J]. 水科学进展，2015，26(4): 500-508.

[3] 岳春芳，侍克斌，曹 伟. 新疆水资源开发方式的利弊分析[J]. 节水灌溉，2014，(7):60-62.

[4] SIMKO A J, DRESSLER R G. Investigation of C20to C25Fattyalcohols and Blends as Water Evaporation Retardants[J]. Industrial & Engineering Chemistry-Product Research & Development,1969, 8(4): 446-450.

[5] 张晓浩，侍克斌，严新军，等. 群板覆盖下内陆干旱区平原水库节水效率研究[J]. 人民长江，2015，46(8)：23-26.

[6] 王积强，王步天，蒋葆明. 十六和十八醇抑制水面蒸发有效期的确定[J].干旱区地理，1983，(3):20-31.

[7] 吴 燕，房希婷，杨昉明. 氨基甲酸酯基水分蒸发抑制剂的制备及性能[J]. 天津科技大学学报，2014，29(3):34-39.

[8] 马 艳，叶含春，吕喜风，等. 均相/非均相水分蒸发抑制剂对比试验研究[J]. 人民黄河，2015，37(6):43-45.

[9] 吕喜风，肖 让，李 林，等.十六醇和乙醇复配体系水分蒸发抑制剂研究[J].人民长江，2016,47(4):20-22.

[10]李传奇，李超超，王 帅，等.平原水库土工膜防渗特性分析[J]. 长江科学院院报，2016，33(4):135-139.

(编辑：黄 玲)

Water Evaporation Inhibitor Applicable to Arid Area

LÜ Xi-feng1,2, WANG Xin-peng3, LIU Su1, YE Han-chun3

(1. College of Life Sciences, Tarim University，Alar 843300, China; 2.Key Laboratory of Modern Agricultural Engineering, Tarim University，Alar 843300, China; 3.College of Water Resources and Architectural Engineering, Tarim University, Alar 843300, China)

To promote the application of water evaporation inhibitors to plain reservoirs in southern Xinjiang, we prepared a water evaporation inhibitor system with octadecanol and short-chain alcohol n-butanol molecular membrane substrate by ultrasonic dispersion technology. We also discussed the factors influencing the performances of

emulsion inhibitor, such as mix proportion, temperature, surface concentration, and duration. Results show that the inhibition rate of octadecanol and n-butyl alcohol heterogeneous latex system is higher than those of other groups. Inhibitors can be used for up to 180 hours in the test cell. Moreover, the performance of emulsion inhibitor is very stable, and the system has strong resistance to temperature and impurity interference. Therefore, the system can be applied to the natural environment subject to dust with high temperature difference.

water evaporation inhibitor; arid area；reservoir in southern Xinjiang；water resources protection；octadecanol；n-Butyl alcohol

2016-05-05；

2016-08-26

塔里木大学现代农业工程重点实验室开放课题(TDNG20150601)；国家科技支撑计划项目(2013BAC10B01)

吕喜风(1987-)，女，山东烟台人，讲师，硕士，主要从事水资源保护方面的研究，(电话)18399578639(电子信箱)lvning7431@163.com。

叶含春(1966-)，男，四川泸县人，教授，硕士，主要从事水土开发利用方面的研究，(电话)13070035916(电子信箱)Yhch6654h@sina.com。

10.11988/ckyyb.20160436

2017,34(7):32-35,40

TV213.4

A

1001-5485(2017)07-0032-04