表面活性剂提高养殖水体溶氧量原理初探
发表时间:2018/01/28 00:00:00 浏览次数:2342
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目前表面活性剂一般在水产行业中可作为杀菌剂和消毒剂使用，还有一些表面活性剂应用于底质的改良等，但鲜有表面活性剂对水体溶氧影响的报道。
表面活性剂品种繁多，商品牌号已达20000多个，产量达1200万吨，其用途非常广泛，涉及工农业及人民生活的各个领域，有“工业味精”的美称。而其中应用于水产养殖的很少，至于有关表面活性剂在水产养殖中的应用论文就更少了。
表面活性剂(surfactant)，是指具有固定的亲水亲油基团，在溶液的表面能定向排列，并能使表面张力显著下降的物质。表面活性剂的分子结构具有两亲性：一端为亲水基团，另一端为憎水基团；亲水基团常为极性的基团，如羧酸、磺酸、硫酸、氨基或胺基及其盐，也可是羟基、酰胺基、醚键等；而憎水基团常为非极性烃链，如8个碳原子以上烃链。
表面活性剂分为离子型表面活性剂和非离子型表面活性剂等。表面活性剂由于具有润湿或抗粘、乳化或破乳、起泡或消泡以及增溶、分散、洗涤、防腐、抗静电等一系列物理化学作用及相应的实际应用，成为一类灵活多样、用途广泛的精细化工产品。
目前表面活性剂一般在水产行业中可作为杀菌剂和消毒剂使用，其杀菌和消毒作用归结于它们与细菌生物膜蛋白质的强烈相互作用使之变性或失去功能，这些消毒剂在水中都有比较大的溶解度，如阳离子表面活性剂：季铵盐类用于池塘的杀菌消毒。
还有一些表面活性剂应用于底质的改良等，但表面活性剂对水体溶氧的影响目前还没有相关报道。我们对此进行了相关的研究，研究表明表面活性剂对养殖水体溶氧的浓度和持续时间具有显著的影响，表面活性剂对氧在水体中溶解度及时间的变化如下：
表面活性剂能增加氧在水体中的溶解度，氧在养殖水体中饱和溶解度一般不超过9mg/L。在养殖水体中加入特定的一类表面活性剂后，能使水体中氧的饱和溶解度超过20 mg/L。整个过程需要的时间决定于不同的表面活性剂种类，差距非常大。
我们筛选了200多种的表面活性剂，选用了16个500mm×500mm×500mm的标准水泥池，充满来自大面积湖泊（≧1Km2）的表层自然水体，使用精度为0.01mg/L的溶氧仪，在水温25±1℃时，检测池底水体的溶氧。使用表面活性剂前，池底水体的溶氧平均值4±0.3mg/L（n=16）。然后每池分别添加不同的表面活性剂，浓度为1mg/L。
以上的实验结果表明部分表面活性剂增氧到6mg/L只需10分钟而部分表面活性剂增氧到6mg/L需150分钟，持续时间也各不相同，从只有8小时到最长的可达7天之久。相同时间时，不同表面活性剂对水体溶氧量的影响也差异显著，如在 4小时时检测池底水体溶氧最大的超过20mg/L，最小的仅有5mg/L。以上的实验结果表明不同的表面活性剂均能增加氧在水体中的溶解度，差异在于表面活性剂的种类及用量、持续时间及溶氧量增加的大小。
根据以上所得到的实验结果，表面活性剂对水体溶氧水平影响的作用机理进行了初步探讨：
1、增加氧在水中饱和溶解度
表面活性剂的增溶作用促使氧气分子在水体溶液中过饱和，相当于增加了氧在水体中饱和溶解度。氧在养殖水体中饱和溶解度一般不超过9mg/L，在养殖水体中加入表面活性剂后，能使养殖水体中的氧的饱和溶解度增大。根据水合物形成理论和双膜理论，由于氧气在水中的溶解度很小，所以在水体中水--氧合物一般首先在气--液界面形成，然后慢慢从气相向液相扩散。在含有表面活性剂的水体中，由于表面活性剂的增溶作用，水溶液中形成的表面活性剂胶束中溶解有大量的氧气，这样在表面活性剂水溶液中水--氧合物的形成不仅可以在气--液界面发生，也同时可以在水体内部发生，降低了水--氧合物形成时间，提高了氧在水体中溶解度。
2、表面活性剂的起泡作用
表面活性剂在水体中具有良好的起泡作用。由于泡沫是气体分散与液体中的分散体系，气体是分散相，液体是分散介子。含表面活性剂的水体在风、水流、水生动物游动等作用下会产生许多气泡，由于表面活性剂分子能够吸附在气--液界面上，定向排列形成一层坚固的膜使气泡保持稳定，同时表面活水体性剂具有分散性可使气泡均匀分散于液体中。在水体的扰动时产生泡沫的过程中，使得大量含有丰富氧的空气泡进入水体，加快氧在水体中的溶解，从而使水体溶氧达到一个较高的水平。
特别是在没有光照的夜晚表面活性剂对水体中溶氧的提高具有明显的效果，如果此时有增氧机的搅拌，加上上下水层的对流，使得水体不至于底部和生物的大量耗氧而急剧缺氧，从而防止养殖对象的泛塘。
3、表面活性剂对水密度的影响
在水产上一般使用亲水（疏油）碳氢原子团表面活性剂，当表面活性剂分子进入水溶液后表面活性剂的亲油基为了尽可能地减少与水接触，有逃离水相的趋势，但由于表面活性剂分子中亲水基的存在，又无法完全逃离水相，其平衡的结果是表面活性剂分子在溶液的表面上富集，即亲油基朝向空气，而亲水基插入水相，这样由原来水和空气形成的界面逐渐由表面活性剂的亲油基和空气形成的界面所替代，水的表面张力降低，空气更易进入水体。
由于使用浓度较低无法形成胶束使得表层水体的密度低于底层水，在表面活性剂的分散作用下形成上下水体循环将空气带入池底。
特别是在白天，由于浮游植物的光合作用而使养殖水体补偿深度以上的水层中的氧达到过饱和，而补偿浓度以下水层特别是底部水层的氧由于生物呼吸、有机物氧化等的耗氧而导致氧含量过低甚至无氧。
将表面活性剂在白天泼洒进入养殖水体中后，表面活性剂开始分布于养殖水体上层，这使得养殖水体上层的密度增大，将带动上层富氧水向下层水体运动，将使整个养殖水体的上下层发生对流，加大底层水体的氧含量，减少下层水质和底质的恶化。
4、表面活性剂的除油膜作用
在高密度养殖水体中平时投入大量饲料等被水生动物消化后排泄大量废物，经过微生物分解，浮游生物新陈代谢等多种因素在水体表面形成油膜阻隔了空气与水体接触，增大了水体的表面张力。而表面活性剂可以使油膜逐渐卷缩成油珠被水流脱离、滚动、集中至下风口出，表面活性剂用量较大时可使其乳化以微粒形态悬浮于水体中。
水体表面张力减少，使得空气中的氧更容易进行水体中，加快氧在水体中的溶解，同时透明度增加使藻类光合作用增强从而增加水体中氧的含量。
综合上述，表面活性剂具有的一系列物理化学，都能或多或少增加氧在水体中的分布，这在实际应用中也得到验证。目前对于表面活性剂在水体增氧方面，各公司开发的产品不多，以武汉天辰生物科技有限公司的“纳米氧”等为这方面的代表。随着对表面活性剂作用机理的研究越来越深入，将来会有越来越多的表面活性剂在水产养殖上发挥重要作用。
（文章来源：《海洋与渔业：水产前沿》2011年 第1期 作者：姜鹰 孙军 武汉天辰生物科技有限公司）
表面活性剂品种繁多，商品牌号已达20000多个，产量达1200万吨，其用途非常广泛，涉及工农业及人民生活的各个领域，有“工业味精”的美称。而其中应用于水产养殖的很少，至于有关表面活性剂在水产养殖中的应用论文就更少了。
表面活性剂(surfactant)，是指具有固定的亲水亲油基团，在溶液的表面能定向排列，并能使表面张力显著下降的物质。表面活性剂的分子结构具有两亲性：一端为亲水基团，另一端为憎水基团；亲水基团常为极性的基团，如羧酸、磺酸、硫酸、氨基或胺基及其盐，也可是羟基、酰胺基、醚键等；而憎水基团常为非极性烃链，如8个碳原子以上烃链。
表面活性剂分为离子型表面活性剂和非离子型表面活性剂等。表面活性剂由于具有润湿或抗粘、乳化或破乳、起泡或消泡以及增溶、分散、洗涤、防腐、抗静电等一系列物理化学作用及相应的实际应用，成为一类灵活多样、用途广泛的精细化工产品。
目前表面活性剂一般在水产行业中可作为杀菌剂和消毒剂使用，其杀菌和消毒作用归结于它们与细菌生物膜蛋白质的强烈相互作用使之变性或失去功能，这些消毒剂在水中都有比较大的溶解度，如阳离子表面活性剂：季铵盐类用于池塘的杀菌消毒。
还有一些表面活性剂应用于底质的改良等，但表面活性剂对水体溶氧的影响目前还没有相关报道。我们对此进行了相关的研究，研究表明表面活性剂对养殖水体溶氧的浓度和持续时间具有显著的影响，表面活性剂对氧在水体中溶解度及时间的变化如下：
表面活性剂能增加氧在水体中的溶解度，氧在养殖水体中饱和溶解度一般不超过9mg/L。在养殖水体中加入特定的一类表面活性剂后，能使水体中氧的饱和溶解度超过20 mg/L。整个过程需要的时间决定于不同的表面活性剂种类，差距非常大。
我们筛选了200多种的表面活性剂，选用了16个500mm×500mm×500mm的标准水泥池，充满来自大面积湖泊（≧1Km2）的表层自然水体，使用精度为0.01mg/L的溶氧仪，在水温25±1℃时，检测池底水体的溶氧。使用表面活性剂前，池底水体的溶氧平均值4±0.3mg/L（n=16）。然后每池分别添加不同的表面活性剂，浓度为1mg/L。
以上的实验结果表明部分表面活性剂增氧到6mg/L只需10分钟而部分表面活性剂增氧到6mg/L需150分钟，持续时间也各不相同，从只有8小时到最长的可达7天之久。相同时间时，不同表面活性剂对水体溶氧量的影响也差异显著，如在 4小时时检测池底水体溶氧最大的超过20mg/L，最小的仅有5mg/L。以上的实验结果表明不同的表面活性剂均能增加氧在水体中的溶解度，差异在于表面活性剂的种类及用量、持续时间及溶氧量增加的大小。
根据以上所得到的实验结果，表面活性剂对水体溶氧水平影响的作用机理进行了初步探讨：
1、增加氧在水中饱和溶解度
表面活性剂的增溶作用促使氧气分子在水体溶液中过饱和，相当于增加了氧在水体中饱和溶解度。氧在养殖水体中饱和溶解度一般不超过9mg/L，在养殖水体中加入表面活性剂后，能使养殖水体中的氧的饱和溶解度增大。根据水合物形成理论和双膜理论，由于氧气在水中的溶解度很小，所以在水体中水--氧合物一般首先在气--液界面形成，然后慢慢从气相向液相扩散。在含有表面活性剂的水体中，由于表面活性剂的增溶作用，水溶液中形成的表面活性剂胶束中溶解有大量的氧气，这样在表面活性剂水溶液中水--氧合物的形成不仅可以在气--液界面发生，也同时可以在水体内部发生，降低了水--氧合物形成时间，提高了氧在水体中溶解度。
2、表面活性剂的起泡作用
表面活性剂在水体中具有良好的起泡作用。由于泡沫是气体分散与液体中的分散体系，气体是分散相，液体是分散介子。含表面活性剂的水体在风、水流、水生动物游动等作用下会产生许多气泡，由于表面活性剂分子能够吸附在气--液界面上，定向排列形成一层坚固的膜使气泡保持稳定，同时表面活水体性剂具有分散性可使气泡均匀分散于液体中。在水体的扰动时产生泡沫的过程中，使得大量含有丰富氧的空气泡进入水体，加快氧在水体中的溶解，从而使水体溶氧达到一个较高的水平。
特别是在没有光照的夜晚表面活性剂对水体中溶氧的提高具有明显的效果，如果此时有增氧机的搅拌，加上上下水层的对流，使得水体不至于底部和生物的大量耗氧而急剧缺氧，从而防止养殖对象的泛塘。
3、表面活性剂对水密度的影响
在水产上一般使用亲水（疏油）碳氢原子团表面活性剂，当表面活性剂分子进入水溶液后表面活性剂的亲油基为了尽可能地减少与水接触，有逃离水相的趋势，但由于表面活性剂分子中亲水基的存在，又无法完全逃离水相，其平衡的结果是表面活性剂分子在溶液的表面上富集，即亲油基朝向空气，而亲水基插入水相，这样由原来水和空气形成的界面逐渐由表面活性剂的亲油基和空气形成的界面所替代，水的表面张力降低，空气更易进入水体。
由于使用浓度较低无法形成胶束使得表层水体的密度低于底层水，在表面活性剂的分散作用下形成上下水体循环将空气带入池底。
特别是在白天，由于浮游植物的光合作用而使养殖水体补偿深度以上的水层中的氧达到过饱和，而补偿浓度以下水层特别是底部水层的氧由于生物呼吸、有机物氧化等的耗氧而导致氧含量过低甚至无氧。
将表面活性剂在白天泼洒进入养殖水体中后，表面活性剂开始分布于养殖水体上层，这使得养殖水体上层的密度增大，将带动上层富氧水向下层水体运动，将使整个养殖水体的上下层发生对流，加大底层水体的氧含量，减少下层水质和底质的恶化。
4、表面活性剂的除油膜作用
在高密度养殖水体中平时投入大量饲料等被水生动物消化后排泄大量废物，经过微生物分解，浮游生物新陈代谢等多种因素在水体表面形成油膜阻隔了空气与水体接触，增大了水体的表面张力。而表面活性剂可以使油膜逐渐卷缩成油珠被水流脱离、滚动、集中至下风口出，表面活性剂用量较大时可使其乳化以微粒形态悬浮于水体中。
水体表面张力减少，使得空气中的氧更容易进行水体中，加快氧在水体中的溶解，同时透明度增加使藻类光合作用增强从而增加水体中氧的含量。
综合上述，表面活性剂具有的一系列物理化学，都能或多或少增加氧在水体中的分布，这在实际应用中也得到验证。目前对于表面活性剂在水体增氧方面，各公司开发的产品不多，以武汉天辰生物科技有限公司的“纳米氧”等为这方面的代表。随着对表面活性剂作用机理的研究越来越深入，将来会有越来越多的表面活性剂在水产养殖上发挥重要作用。
（文章来源：《海洋与渔业：水产前沿》2011年 第1期 作者：姜鹰 孙军 武汉天辰生物科技有限公司）
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