单分子膜不同铺膜量阻水面蒸发小区试验研究

邓 鑫，叶含春，李志刚，肖 让，姚宝林

(塔里木大学水利与建筑工程学院，新疆 阿拉尔 843300)

在新疆干旱地区已建的 477 座水库[1]中绝大多数都为平原水库，它们坐落在粉沙土、沙壤土、壤土或黏土地基上，并用这些土料筑坝。这些水库的总库容为 59.6亿m3，水库水面面积约 2 000 km2,平均水深为 2.98 m。根据已有研究成果估算，新疆平原水库的年蒸发量为26.1亿m3，年渗漏量为 8亿m3，合计每年损失水量约 34.1亿m3[2]。由于平原水库水面面积大，水深较浅，导致水面蒸发损失严重，严重制约新疆可持续发展，就减少水面蒸发问题前人已做了大量研究，取得了一定的研究结果[3-5]，但在干旱区平原水库防蒸发节水方面，相关理论研究与实际应用的报道比较少。其中单分子膜水面阻蒸发技术的开发和应用具有什么重要的意义。单分子膜是厚度只有一分子厚的膜。许多有机溶剂都能在水面上铺展，可以将成膜有机物溶于这类溶剂中，然后滴加到水面上，不溶于水，能迅速均匀铺展开，形成厚度相对均匀的薄膜，待溶剂挥发之后，表面上即留下一层有机物形成的膜[6,7]。倘若适当控制成膜物质的量，就可得到厚度只有一分子厚的单分子膜。单分子膜也可由可溶性表面活性物质在水面上吸附而成。水面单分子膜能大大抑制水分蒸发，降低因水分蒸发而损失的热量，从而使水温升高。单分子膜水面阻蒸发技术应用于湖泊、水库、农田和贮水池，可减少水量蒸发；应用于水稻田，可提前插秧，促进幼苗成长，提高产量；应用于农田，还可保墒抗旱[8]。单分子膜技术作为膜科学技术的一个重要分支，近几十年来在基础研究和应用开发上都取得了长足进展[9]，但距离大规模的实际应用还有一些问题必须解决，例如，寻找具有综合性能优良，表面性质稳定的新型成膜材料及复配改性混合膜的研究，成膜物质在水面的有效铺展，外界强力干扰下单分子膜的自动修复，膜在化学、生物环境下的稳定性、可降解性和寿命，膜对水下生物的生态影响，膜的毒理性评价等，其中心问题是成膜化合物的结构、组成特性。膜在化学、生态环境下的稳定性和可降解性愈来愈受到人们重视[10]。本文以室内试验数据为基础，筛选出效果较好的单分子膜混合液，开展室外小区试验，可实现较好的阻蒸发效果，为单分子膜阻蒸发技术在干旱区大面积水域-平原水库中开展应用提供理论基础和技术支撑。

1 试验点基本情况

本试验蒸发池位于阿拉尔市塔里木大学水利与建筑学院试验基地内，占地面积600 m2，试验小区周围环境开阔，无高大建筑物，通风、光照良好，减小了外部条件的影响。试验蒸发池周围长有芦苇、柳树、杂草等植被，接近平原水库周边生态环境。该小区分为五个2 m×3 m×1.8 m水池，一个小型气象站。如图1所示。

图1 小区平面图Fig.1 The district plan

该地区属于暖温带极端大陆性干旱荒漠气候，冬冷夏热，年温差大，降水集中，四季分明，年降雨量较少，大陆性强。极端最高气温35 ℃，极端最低气温-28 ℃。该地区太阳辐射年均559.8～612.5 kJ/cm2。年均日照2 556.3～2 991.8 h，日照率为5 869%。该地区雨量稀少，冬季少雪，地表蒸发强烈，年均降水量为40.1～82.5 mm，年均蒸发量1 876.6～2 558.9 mm；多年平均风速2.5 m/s，最大风速31 m/s。

2 材料选择及实验原理

(1)材料选择及特征。本次试验选用长链脂肪醇作为主体分子膜，复配以短链脂肪醇，脂肪醇聚氧乙烯醚为乳化剂，石油醚为油相，采用超声波分散技术，制备一种新型的非均相水分蒸发抑制剂。通过大量的室内试验配比，得出十六醇+正丙醇、十八醇+正丙醇复配非均相制剂乳液体系，对阻碍水表面的蒸发有很好的作用，在23 ℃下，十六醇+正丙醇和十八醇+正丙醇复配非均相制剂复配比例为1∶5时，分子膜浓度为0.101 9 g/m2时，两种单分子膜的阻蒸发抑制率最高可达53.29%和62.23%。

(2)试验原理。前期单分子膜的筛选只是在实验室中进行的，是在理想的状态下，但在实际铺设中单分子膜的铺膜量与实验室内的不同，受到其他外部因素对单分子膜的影响，不能为实际运用提供数据支撑。通过在室内的大量试验，明确了阻蒸发制剂的配制比例、基本特性、透氧性等机理，为小区试验筛选出性能较好的配比方式，但这只是将单分子膜阻蒸发技术推广应用的第一步，距离实际应用还相去甚远。为了研究单分子膜在室外实际铺膜用量，选取了接近实际铺膜水体自然环境的试验小区进行蒸发池试验。通过蒸发池的实际铺设试验，测定不同铺膜量的阻蒸发率，得出最佳铺膜量。

未了防止蒸发池漏水，对蒸发池铺设两层塑料薄膜，确保水位测针测量采集数据时的准确性。测定蒸发池水面蒸发量选用精度为 0.01 mm的水位测针，小型气象站系统数据的输出步长为1 h，水位测针数据采集频率为4 h。小型气象站、水位测针的安装和蒸发池的防渗处理于2014年7月15日完成并开始数据采集。试验分别以十六醇+正丙醇复配非均相制剂和十八醇+正丙醇复配非均相制剂单分子膜阻蒸发制剂为研究对象，测试不同铺膜计量对水面阻蒸发效率的影响，从而得出在蒸发池表面的最佳铺膜计量值。

3 结果与分析

本次试验从2014年8月1日至2014年8月31日期间进行试验，试验期间气候因素如表1所示。

表1 试验气候因素Tab.1 The test of climate factors

从表1中可以得出，在试验期间，气候因素利于蒸发池水表面的蒸发，适宜不同铺膜量单分子膜阻蒸发试验的进行。

3.1 铺膜计量对阻蒸发效率影响的初步试验

受试验小区蒸发池数量的限制，同时为了消除不同自然环境下测得阻蒸发效率可比性差的影响，试验分为初步试验和细化试验两个步骤。试验初步采用5、15、25和35 mL 4种较大的铺膜计量水平，将5、15、25和35 mL 4种计量的阻蒸发制剂同时分别铺设与2号池至5号池，1号池留作空白对照组，这样就大大提高了试验数据的可比性(见表2)。

表2 初步蒸发池铺膜计量 mLTab.2 Preliminary evaporation pond laying metering

(1)十六醇+正丙醇复配非均相阻蒸发制剂初步试验。通过图2可得出，在十六醇+正丙醇复配抑制剂加入剂量为15和25 mL时的阻蒸发率还有一定的差距，但是加入剂量为35和25 mL时的阻蒸发率曲线已相差很小，并有交叉出现，且铺膜计量在大于25 mL数值区间时，单分子膜的结构稳定状态持续时间较长，持续时间区间为10～55 h，说明十六醇+正丙醇复配非均相阻蒸发制剂的最佳铺膜计量在15～25 mL数值区间，在这个区间应该做细化实验，得出蒸发池水面的最佳铺膜量。

图2 十六醇+正丙醇复配非均相制剂初步铺膜计量与阻蒸发率关系Fig.2 Preliminary laying measurement and resistance evaporation rate relations of Cetyl alcohol + n-propanol complexheterogeneous formulation

(2)十八醇+正丙醇复配非均相阻蒸发制剂初步试验。试验对5个蒸发池的处理与十六醇+正丙醇复配非均相阻蒸发制剂试验处理相同，其他外部条件不变。通过图3得出，在十八醇+正丙醇复配抑制剂加入剂量为35和25 mL时的阻蒸发率曲线已相差很小，且有交叉出现，说明十八醇+正丙醇复配非均相阻蒸发制剂的铺膜计量在15～25 mL数值区间。且铺膜计量在15～25 mL数值区间时，单分子膜的结构稳定状态持续时间较长，持续时间区间为8～46 h，与十六醇+正丙醇复配非均相制剂膜结构稳定状态持续时间有所提前，但时长有所缩短。

图3 十八醇+正丙醇复配非均相制剂初步铺膜计量与阻蒸发率关系Fig.3 Preliminary laying measurement and resistance evaporation rate relations of Octadecanol + n-propanol complex heterogeneous formulation

3.2 铺膜计量对阻蒸发效率影响的细化试验

通过初步试验只能得到最佳铺膜计量值的数值区间，无法得到最佳铺膜计量的精确数值，为了进一步对最佳铺膜计量准确定位，需要对得到的数值区间进行细化试验。与初步试验同理，细化试验对得到的最佳铺膜计量数值区间进行4等分，采用19、21、23、25 mL 4种较小的铺膜计量水平分别铺设与2号池至5号池，1号池留作空白对照组，对试验数据对比分析，得到最佳铺膜计量精确值(见表3)。

表3 细化蒸发池铺膜计量 mLTab.3 Refined evaporation pond laying metering

(1)十六醇+正丙醇复配非均相阻蒸发制剂细化试验。通过图4可得出，在十六醇+正丙醇复配抑制剂加入剂量为19 mL时就已经比较接近21 mL时的阻蒸发率曲线，加入剂量为21、23与25 mL时的阻蒸发率曲线已相差很小，并有交叉出现，这4种铺膜计量单分子膜的结构稳定状态持续时间较长，持续时间区间为10～55 h，综上所述，十六醇+正丙醇复配非均相阻蒸发制剂的最佳铺膜计量值为21 mL，换算成每平方米水域最佳铺膜计量值为3.50 mL/m2。

图4 十六醇+正丙醇复配非均相制剂细化铺膜计量与阻蒸发率关系Fig.4 Refined laying measurement and resistance evaporation rate relations of Octadecanol + n-propanol complex heterogeneous formulation

(2)十八醇+正丙醇复配非均相阻蒸发制剂细化试验。试验对5个蒸发池的处理与十六醇+正丙醇复配非均相阻蒸发制剂试验处理相同，通过图5可看出，随着铺膜计量的增加，单分子膜的阻蒸发效率逐渐增大，当铺膜计量为23和25 mL时的阻蒸发率曲线非常接近，并有交叉出现，这就说明当铺膜计量大于23 mL后，十八醇+正丙醇复配单分子膜非均相阻蒸发制剂的阻蒸发效率趋于稳定值，23 mL为其最佳铺膜计量值，换算成每平方米水域最佳铺膜计量值为3.83 mL/m2。

图5 十八醇+正丙醇复配非均相制剂铺膜计量与阻蒸发率关系Fig.5 Refined laying measurement and resistance evaporation rate relations of Octadecanol + n-propanol complex heterogeneous formulation

3.3 两种制剂试验数据对比

通过试验数据，还可得到十六醇+正丙醇复配非均相制剂和十八醇+正丙醇复配非均相制剂在最佳铺膜计量下，阻蒸发效率的有关结论，如图6所示。

图6 十六醇+正丙醇与十八醇+正丙醇制剂阻蒸发效率对比Fig 6 The Resistive evaporation efficiency comparison of Cetyl alcohol + n-propanol with Octadecanol + n-propanol

从图6中可以得出，在最佳铺膜剂量下，十八醇+正丙醇制剂最高阻蒸发效率与平均阻蒸发效率都优于十六醇+正丙醇制剂,说明十八醇+正丙醇复配单分子膜的阻蒸发效果要明显优于十六醇+正丙醇复配单分子膜。

4 结 语

本试验研究通过初步试验和细化试验，在两个阶段的试验研究中，随着十六醇+正丙醇复配非均相阻蒸发制剂用量的增加，当蒸发池铺膜量超过21 mL之后，非均相阻蒸发制剂的阻蒸发效率趋于稳定值，得出十六醇+正丙醇复配单分子膜最佳铺膜计量值为3.50 mL/m2。在两个阶段的试验研究中，随着十八醇+正丙醇复配单分子膜用量的增加，当蒸发池铺膜量超过23 mL之后，非均相阻蒸发制剂的阻蒸发效率趋于稳定值，十八醇+正丙醇复配单分子膜最佳铺膜计量值为3.83 mL/m2。通过在蒸发池实际铺设单分子膜，十八醇+正丙醇复配单分子膜的阻蒸发效果要明显优于十六醇+正丙醇复配单分子膜。试验在实践中可行性高，具有一定的参考应用价值。

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