Монослои, подавляющие испарение - Evaporation suppressing monolayers

Подавление испарения монослои материалы, которые при нанесении на поверхность раздела воздух / вода будут распространяться (или самостоятельно собрать ) и образуют тонкая пленка по поверхности воды. Эти материалы предназначены для уменьшения потерь воды на испарение из плотин и водохранилищ.

Самостоятельная сборка монослоя на воде.

Механизм

Конкретный механизм, лежащий в основе сопротивления монослоя к испарению, был приписан физическому барьеру, образованному присутствием этих материалов на поверхности воды (см. Рисунок).[1] Степень, в которой материал может сопротивляться испарению воды, лучше всего рассматривать в каждом конкретном случае, однако было сообщено о ряде эмпирически выведенных формул. До появления методов поверхностной спектроскопии, таких как микроскопия под углом Брюстера (BAM) и рентгеновская рефлектрометрия с скользящим падением (GIXD), считалось, что межмолекулярное расстояние между молекулами монослоя является самым большим определяющим фактором, определяющим подавление испарения. Когда поверхностная плотность монослоя была достаточно малой, предполагалось, что молекулы воды проходят через пространство между молекулами.[2][3][4][5] Однако результаты рассеяния и визуализации показали, что межмолекулярное расстояние между молекулами монослоя было по существу постоянным, и что испарение более вероятно на границах доменов.[6]Факторами, определяющими эффективность монослоя, подавляющего испарение, являются способность оставаться плотно упакованным, несмотря на изменения поверхностного давления, способность прилипать к поверхности воды и соседним молекулам.[7]

Поперечный разрез ячейки моделирования, содержащей монослой монооктадецилового эфира этиленгликоля (C18E1) на воде. Синий представляет атомы углерода, красный - кислород, а белый - водород.

История

Ирвинг Ленгмюр точно описал геометрическую структуру однослойной пленки на воде в 1917 году, работа, за которую он позже будет удостоен Нобелевской премии по химии.[8] О свойствах этих материалов подавлять испарение впервые сообщил Ридеал в 1920-х годах.[9] В 1940-х годах Ленгмюр и Шефер количественно оценили сопротивление испарению и его зависимость от температуры.[10] Эта работа была расширена Арчером и Ла Мер в следующем десятилетии, которые наблюдали зависимость от поверхностного давления, длины цепи, фазы монослоя, состава субфазы и температуры поверхности.[4] Крупномасштабные полевые испытания в это время проводились в Австралии компанией Mansfield.[11] Он сообщил, что результаты, полученные в лабораторных условиях, не могут быть воспроизведены в реальных условиях, поскольку пыль и ветер считаются отрицательно влияющими на характеристики подавления испарения.

В последующие десятилетия исследовательские усилия были сосредоточены на многокомпонентных однослойных материалах, таких как гексадеканол + октадеканол,[12] изменение количества атомов углерода в алифатической цепи,[13] а затем добавление полимеризованных поверхностно-активных веществ для повышения стабильности монослоя.[14]

Требуются более качественные однослойные материалы, а также лучшие методы методов распределения монослоя, хотя в настоящее время не существует решения этих трудностей.[15]

Несмотря на исследования в этой области на протяжении большей части 20 века, на рынке не появилось ни одного долговечного, эффективного и недорогого продукта. В последнее время достижения в области экспериментальных методов и методов моделирования расширили понимание этих материалов.

Последние достижения

Во время длительного засуха в Австралии в начале этого века там учёные из ряда исследовательских институтов, в том числе Pr. Дэвид Соломон, изобретатель банкнота из полимера,[16] приступили к разработке продукта, который будет эффективным, устойчивым к вредным воздействиям ветра и доступным по цене. В дополнение к мелкомасштабным и крупномасштабным полевым испытаниям были использованы новые методы, включая новый испарительный резервуар с контролируемой климатической системой для имитации воздействия ветра и волн,[17] а вычислительное моделирование было впервые применено для связи динамических и геометрических свойств на атомистическом уровне, при этом испарение подавляло характеристики на макроскопическом уровне.[18][19][20]Было обнаружено, что использование монооктадецилового эфира этиленгликоля существенно снижает сопротивление испарению в присутствии ветра, а добавление водорастворимого полимера дополнительно повышает его эффективность.[7][21]

Коммерческие продукты

WaterGuard изготовлены по Акватейн рекламирует материал на основе полимера, который уменьшает испарение воды.[22]Другие продукты включают Solarpill[23] и Вода $ aver.[24] Эффективность этих продуктов не доказана.[нужна цитата ]

Смотрите также

Рекомендации

  1. ^ Барнс, Г., & Джентл, И. (2011). Межфазная наука: введение. Издательство Оксфордского университета.
  2. ^ Бланк, М. (1964). Подход к теории газопроницаемости монослоя. Журнал физической химии, 68 (10), 2793-2800.
  3. ^ Бланк, М., и Бриттен, Дж. С. (1965) Транспортные свойства конденсированных монослоев. Журнал коллоидной науки, 20 (8), 789-800.
  4. ^ а б Арчер, Р. Дж., И Мер, В. К. Л. (1955). Скорость испарения воды через монослои жирных кислот. Журнал физической химии, 59 (3), 200-208.
  5. ^ Барнс, Г. Т., Квикенден, Т. И., и Сэйлор, Дж. Э. (1970). Статистический расчет водопроницаемости монослоя. Журнал коллоидов и интерфейсной науки, 33 (2), 236-243.
  6. ^ МакНами, К. Э., Барнс, Г. Т., Джентл, И., Пэн, Дж. Б., Стейтц, Р., и Проберт, Р. (1998). Устойчивость к испарению смешанных монослоев октадеканола и холестерина. Journal of colloid and interface science, 207 (2), 258-263.
  7. ^ а б Прайм, Э. Л., Тран, Д. Н., Плацзер, М., Сунартио, Д., Леунг, А. Х., Йяпанис, Г., ... и Соломон, Д. Х. (2012). Рациональная конструкция монослоев для улучшенного предотвращения испарения воды. Коллоиды и поверхности A: физико-химические и технические аспекты, 415, 47-58.
  8. ^ Ленгмюр, И. (1916). СОСТАВ И ОСНОВНЫЕ СВОЙСТВА ТВЕРДЫХ И ЖИДКОСТЕЙ. ЧАСТЬ I. ТВЕРДЫЕ. Журнал Американского химического общества, 38 (11), 2221-2295.
  9. ^ Ридел, Э. К. (1925). О влиянии тонких поверхностных пленок на испарение воды. Журнал физической химии, 29 (12), 1585-1588.
  10. ^ Ленгмюр, И., и Шефер, В. Дж. (1943). Скорость испарения воды через сжатые монослои на воде. Журнал Института Франклина, 235 (2), 119–162.
  11. ^ Мэнсфилд, У. В. Влияние монослоев на естественную скорость испарения воды. Природа, 175, 247.
  12. ^ Фулдс, Э. Л., и Дресслер, Р. Г. (1968). Эффективность однослойных смесей спиртов с нечетной и четной углеродной цепью при подавлении испарения воды. Промышленная и техническая химия, исследования и разработки продуктов, 7 (1), 75-79.
  13. ^ Симко А. Дж. И Дресслер Р. Г. (1969). Исследование жирных спиртов и смесей от C20 до C25 в качестве замедлителей испарения воды. Промышленная и инженерная химия, исследования и разработки продуктов, 8 (4), 446-450.
  14. ^ Фукуда, К., Като, Т., Мачида, С., и Симидзу, Ю. (1979). Бинарные смешанные монослои поливинилстеарата и простых длинноцепочечных соединений на границе раздела воздух / вода. Журнал коллоидных и интерфейсных наук, 68 (1), 82-95.
  15. ^ Барнс, Г. (2008) Обзор: возможность монослоев уменьшать испарение из больших водохранилищ. Управление водоснабжения сельского хозяйства, 95, 339-353
  16. ^ http://www.csiropedia.csiro.au/display/CSIROpedia/Polymer+banknotes#Polymerbanknotes-Howitallstarted
  17. ^ Схоутен, П., Путланд, С., Лемкерт, К., Андерхилл, И., Соломон, Д., Сунартио, Д., ... и Цяо, Г. (2012). Оценка монослойной системы подавления испарения в среде с управляемым волновым резервуаром: пилотное исследование. Австралийский журнал водных ресурсов, 16 (1).
  18. ^ Генри, Д. Дж., Деван, В. И., Прайм, Э. Л., Цяо, Г. Г., Соломон, Д. Х., и Яровский, И. (2010). Структура монослоя и сопротивление испарению: исследование молекулярной динамики октадеканола на воде. Журнал физической химии B, 114 (11), 3869-3878.
  19. ^ Плацзер, М. Б., Генри, Д. Дж., Япанис, Г., и Яровский, И. (2011). Сравнительное исследование обычно используемых силовых полей молекулярной динамики для моделирования органических монослоев на воде. Журнал физической химии B, 115 (14), 3964-3971.
  20. ^ Тран, Д. Н., Прайм, Э. Л., Плацзер, М., Люнг, А. Х., Йяпанис, Г., Кристоферсон, А. Дж., ... и Соломон, Д. Х. (2013). Молекулярные взаимодействия, лежащие в основе синергетического эффекта в смешанных монослоях 1-октадеканола и монооктадецилового эфира этиленгликоля. Журнал физической химии B, 117 (13), 3603-3612.
  21. ^ "AU2009001684 СПОСОБ УПРАВЛЕНИЯ ВОДОИСПАРЕНИЕМ". Patentscope.wipo.int. Получено 2014-03-08.
  22. ^ «Жидкие инновации! - Домой». Aquatain.com. Получено 2014-03-08.
  23. ^ «SmartPool AP72 SolarPill Liquid Ball Покрытие солнечного покрова для бассейнов до 30 000 галлонов». PoolSupplyWorld.com. Получено 2014-03-08.
  24. ^ «Watersavr». Гибкие решения. Архивировано из оригинал на 2014-03-08. Получено 2014-03-08.