Monocapas supresoras de evaporación

Las monocapas supresoras de la evaporación son materiales que, cuando se aplican a la interfaz aire / agua, se esparcen (o se autoensamblan ) y forman una película delgada en la superficie del agua. El propósito de estos materiales es reducir la pérdida de agua por evaporación de presas y embalses.

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Autoensamblaje de monocapa sobre agua.

El mecanismo específico que subyace a la resistencia a la evaporación de las monocapa se ha atribuido a la barrera física formada por la presencia de estos materiales en la superficie del agua (ver figura). [1] La medida en que un material puede resistir la evaporación del agua se trata mejor caso por caso, sin embargo, se han informado varias fórmulas derivadas empíricamente. Antes del advenimiento de las técnicas espectroscópicas de superficie como la microscopía de ángulo de Brewster (BAM) y la reflectrometría de rayos X de incidencia directa (GIXD), se pensaba que el espaciado intermolecular entre moléculas monocapa era el factor determinante más importante que gobierna la supresión de la evaporación. Cuando la densidad superficial de la monocapa era suficientemente pequeña, se suponía que las moléculas de agua pasaban a través del espacio entre moléculas. [2] [3] [4] [5] Los resultados de la dispersión y las imágenes, sin embargo, revelaron que la distancia intermolecular entre las moléculas monocapa era esencialmente constante y que la evaporación era más probable en los límites de los dominios. [6] Los factores que gobiernan la eficacia de una monocapa supresora de la evaporación son la capacidad de permanecer compactada a pesar de los cambios en la presión superficial, la capacidad de adherirse a la superficie del agua ya las moléculas vecinas. [7]

Sección transversal de una celda de simulación que contiene monocapa de etilenglicol monooctadecil éter (C18E1) en agua. El azul representa átomos de carbono, el rojo es oxígeno y el blanco es hidrógeno.

Irving Langmuir describió con precisión la estructura geométrica de una película monocapa sobre agua en 1917, trabajo por el que más tarde sería galardonado con el premio Nobel de Química. [8] Las propiedades de supresión de la evaporación de estos materiales fueron reportadas por primera vez por Rideal en la década de 1920 [9] En la década de 1940, Langmuir y Schaefer cuantificaron la resistencia a la evaporación y su dependencia de la temperatura. [10] Este trabajo fue ampliado por Archer y La Mer en la década siguiente, quienes observaron una dependencia de la presión superficial, la longitud de la cadena, la fase monocapa, la composición de la subfase y la temperatura superficial. [4] Mansfield estaba llevando a cabo ensayos de campo a gran escala en este momento en Australia. [11] Informó que los resultados observados en el laboratorio no se podían reproducir en las condiciones del mundo real, y que el polvo y el viento se citaron como un efecto adverso en la supresión de la evaporación. actuación.

En décadas posteriores, los esfuerzos de investigación se centraron en materiales monocapa multicomponente como hexadecanol + octadecanol , [12] alterando el número de carbonos en la cadena alifática, [13] y más tarde, la adición de tensioactivos polimerizados para aumentar la estabilidad de la monocapa. [14]

Se requieren mejores materiales de monocapa al igual que mejores métodos de métodos de distribución de monocapa, aunque actualmente no existe una resolución de estas dificultades. [15]

A pesar de la investigación en esta área durante la mayor parte del siglo XX, no ha salido al mercado ningún producto duradero, eficaz y económico. Recientemente, los avances en técnicas experimentales y de modelado han aumentado la comprensión de estos materiales.

Durante una sequía prolongada en Australia a principios de este siglo, científicos de varias instituciones de investigación, incluido el Pr. David Solomon, inventor del billete de polímero , [16] se propuso desarrollar un producto que fuera eficaz, resistente a los efectos nocivos del viento y asequible. Además de las pruebas de campo a pequeña y gran escala, se utilizaron nuevas técnicas, incluido un tanque de evaporación novedoso con un sistema de clima controlado para imitar los efectos del viento y las olas, [17] y se empleó por primera vez el modelado computacional para relacionar la dinámica y la geometría propiedades a nivel atomístico, con la evaporación suprimiendo el rendimiento a nivel macroscópico. [18] [19] [20] Se encontró que el uso de etilenglicol monooctadecil éter disminuía sustancialmente la resistencia a la evaporación en presencia de viento, y la adición de un polímero soluble en agua mejoró aún más su eficacia. [7] [21]

WaterGuard fabricado por Aquatain anuncia un material a base de polímero que reduce la evaporación del agua. [22] Otros productos incluyen Solarpill [23] y Water $ aver . [24] No se ha demostrado la eficacia de estos productos. [ cita requerida ]

  1. ^ Barnes, G. y Gentle, I. (2011). Ciencia interfacial: una introducción. Prensa de la Universidad de Oxford.
  2. ^ En blanco, M. (1964). Una aproximación a una teoría de la permeación de monocapa por gases. La Revista de Química Física, 68 (10), 2793-2800.
  3. ^ Blank, M. y Britten, JS (1965) Propiedades de transporte de monocapas condensadas. Revista de ciencia coloide, 20 (8), 789-800.
  4. ↑ a b Archer, RJ y Mer, VKL (1955). La velocidad de evaporación del agua a través de monocapas de ácidos grasos. La Revista de Química Física, 59 (3), 200-208.
  5. ^ Barnes, GT, Quickenden, TI y Saylor, JE (1970). Un cálculo estadístico de la permeación de una monocapa por el agua. Revista de ciencia coloide y de interfaz, 33 (2), 236-243.
  6. ^ McNamee, CE, Barnes, GT, Gentle, I., Peng, JB, Steitz, R. y Probert, R. (1998). La resistencia a la evaporación de monocapas mixtas de octadecanol y colesterol. Revista de ciencia de interfaces y coloides, 207 (2), 258-263.
  7. ^ a b Prime, EL, Tran, DN, Plazzer, M., Sunartio, D., Leung, AH, Yiapanis, G., ... y Solomon, DH (2012). Diseño racional de monocapas para mejorar la mitigación de la evaporación del agua. Coloides y superficies A: aspectos fisicoquímicos y de ingeniería, 415, 47-58.
  8. ↑ Langmuir, I. (1916). LA CONSTITUCIÓN Y PROPIEDADES FUNDAMENTALES DE SÓLIDOS Y LÍQUIDOS. PARTE I. SÓLIDOS. Revista de la Sociedad Química Estadounidense, 38 (11), 2221-2295.
  9. ^ Rideal, EK (1925). Sobre la influencia de películas superficiales delgadas sobre la evaporación del agua. La Revista de Química Física, 29 (12), 1585-1588.
  10. ^ Langmuir, I. y Schaefer, VJ (1943). Tasas de evaporación del agua mediante monocapas comprimidas sobre agua. Revista del Instituto Franklin, 235 (2), 119-162.
  11. ^ Mansfield, WW Influencia de las monocapas en la tasa natural de evaporación del agua. Naturaleza, 175, 247.
  12. ^ Foulds, EL y Dressler, RG (1968). Rendimiento de mezclas monocapa de alcoholes de cadena de carbono pares e impares en la supresión de la evaporación de agua. Investigación y desarrollo de productos de química industrial e ingeniería, 7 (1), 75-79.
  13. ^ Simko, AJ y Dressler, RG (1969). Investigación de alcoholes grasos C20 a C25 y mezclas como retardadores de la evaporación del agua. Investigación y desarrollo de productos de química industrial e ingeniería, 8 (4), 446-450.
  14. ^ Fukuda, K., Kato, T., Machida, S. y Shimizu, Y. (1979). Monocapas mixtas binarias de estearato de polivinilo y compuestos simples de cadena larga en la interfaz aire / agua. Revista de ciencia coloide y de interfaz, 68 (1), 82-95.
  15. ^ Barnes, GT (2008) Revisión: El potencial de las monocapas para reducir la evaporación de grandes depósitos de agua. Gestión del agua agrícola, 95, 339-353
  16. ^ http://www.csiropedia.csiro.au/display/CSIROpedia/Polymer+banknotes#Polymerbanknotes-Howitallstarted
  17. ^ Schouten, P., Putland, S., Lemckert, C., Underhill, I., Solomon, D., Sunartio, D., ... y Qiao, G. (2012). Evaluación de un sistema monocapa supresor de evaporación en un ambiente de tanque de olas controlado: una investigación piloto. Revista australiana de recursos hídricos, 16 (1).
  18. ^ Henry, DJ, Dewan, VI, Prime, EL, Qiao, GG, Solomon, DH y Yarovsky, I. (2010). Estructura monocapa y resistencia a la evaporación: un estudio de dinámica molecular del octadecanol en agua. La Revista de Química Física B, 114 (11), 3869-3878.
  19. ^ Plazzer, MB, Henry, DJ, Yiapanis, G. y Yarovsky, I. (2011). Estudio comparativo de campos de fuerza de dinámica molecular comúnmente utilizados para modelar monocapas orgánicas en agua. La Revista de Química Física B, 115 (14), 3964-3971.
  20. ^ Tran, DN, Prime, EL, Plazzer, M., Leung, AH, Yiapanis, G., Christofferson, AJ, ... y Solomon, DH (2013). Interacciones moleculares detrás del efecto sinérgico en monocapas mixtas de 1-octadecanol y etilenglicol monooctadecil éter. La Revista de Química Física B, 117 (13), 3603-3612.
  21. ^ "MÉTODO AU2009001684 PARA CONTROLAR LA EVAPORACIÓN DE AGUA" . Patentscope.wipo.int . Consultado el 8 de marzo de 2014 .
  22. ^ "¡Innovaciones líquidas! - Inicio" . Aquatain.com . Consultado el 8 de marzo de 2014 .
  23. ^ "SmartPool AP72 SolarPill Liquid Ball Cubierta de manta solar para piscinas de hasta 30.000 galones" . PoolSupplyWorld.com . Consultado el 8 de marzo de 2014 .
  24. ^ "Watersavr" . Soluciones Flexibles. Archivado desde el original el 8 de marzo de 2014 . Consultado el 8 de marzo de 2014 .