表面活性劑在柴油_水乳化燃料中的應用

1、 第24卷第3期2007年6月吉林化工學院學報Vol . 24No . 3Jun . 2007JOURNAL OF J I L I N I N STIT UTE OF CHE M I CAL TECHNOLOGY文章編號:100722853(2007 0320030204表面活性劑在柴油2水乳化燃料中的應用羅亞楠, 王玉香, 李戰(zhàn)英, 崔華1112(1. 吉林化工學院化學與制藥工程學院, 吉林吉林132022; 2. 中油吉林石化公司, 吉林摘要:研究了表面活性劑在乳化柴油過程中的應用, 、柴油2水乳化燃料穩(wěn)定性的影響, 并且對柴油2水. 實驗證明, 最終制成的乳化燃料具有乳化劑用量少, .

2、關鍵詞:乳化; 燃料; 中圖分類號:A染日益嚴重的情況下, 開發(fā)一種有前途的, 清潔的代用燃料已逐漸引起人們的重視, 特別是燃用柴油2水乳化燃料, 不需要對發(fā)動機進行改造或增加輔助裝置, 反而能降低尾氣污染物的排放量, 達到節(jié)約石油資源和減少污染的效果, 是一種新型的清潔能源.近年來, 國內外學者對柴油的乳化進行了廣泛的研究, 出現(xiàn)了柴油2甲醇2水復合乳化燃料和柴油2甲醇復合乳化燃料等等, 特別是美國, 已經在柴油乳化方面取得了較好的經驗. 在我國, 乳化柴油技術研究起步較晚, 最近幾年發(fā)展比較迅速, 均采用多種表面活性劑復配而成1生微爆作用. 另一方面, 由于水顆粒的汽化, 在氣缸中產生巨大

3、壓力, 壓力又將油滴爆破, 形成二次霧化, 增加了柴油燃燒的表面積, 使燃燒效率有所提高.1. 2化學效應一部分的水顆粒在高溫和催化劑的作用下分解成氧氣和氫氣, 其中氫氣是熱值很高的可燃氣, 而氧氣則為燃燒過程中必不可少的助燃氣, 二者的存在則使柴油能夠充分燃燒. 水在燃燒過程中汽化成水蒸氣, 產生許多OH 活性基團, 使一氧化碳盡可能完全燃燒. 水煤氣反應加速燃油裂解所形成焦炭的燃燒, 抑制了煙塵的生成. 水滴汽化需吸收熱量, 防止燃燒火焰局部高溫, 而且油摻水燃燒改善了燃油與空氣的混合比例, 減少了過?？諝庀禂?shù), 從而抑制了NOX 的生成, 降低了環(huán)境污染.化學作用即水煤氣反應. 在高溫條

4、件下, 部分水分子與未完全燃燒的灼熱的碳粒發(fā)生水煤氣反應, 形成可燃氣體, 反應式如下:C +H 2OCO +H 2CO 2+2H 2CO 2+H 22H 2OC +2H 2O CO +H 2O 2H 2+O 2.乳化柴油過程中對表面活性劑的選取的關鍵問題是要獲得滿足使用要求的乳液, 在此基礎上能夠降低乳化劑的用量, 生產工藝簡單, 乳液的穩(wěn)定時間長, 并且能在簡單的生產工藝下大批量的生產, 只有這樣才能滿足人們在日常生活中的需求.1乳化柴油節(jié)能原理1. 1微爆作用2, 3柴油乳化燃料形成的微乳液有油包水(W /O 和水包油(O /W 兩種類型. 其中應用較多的是油包水型微乳液. 該微乳液可以

5、減少柴油在燃燒過程中的用量, 原因有兩個:一方面, 在燃燒時分散在油中的水顆粒瞬間受熱, 使其汽化, 水顆粒產2實驗部分2. 1試劑壬基酚聚氧乙烯(4 醚(NP 24 ; 聚乙二醇辛收稿日期:2007-03-30作者簡介:羅亞楠(1979- , 女, 吉林省吉林市人, 吉林化工學院助教, 碩士, 主要從事石油化工方面的研究. 第3期羅亞楠, 等:表面活性劑在柴油2水乳化燃料中的應用31基苯基醚(OP ; 油酸(CH 3(CH 2 7CH CH (CH 2 7COOH ; 司盤280(Span 280 ; 吐溫280(T ween 280 ; 吐溫220(T ween 220 ; 乙醇(CH 3

6、CH 2OH ; 氫氧化鈉(Na OH ; 氯化鎂(MgCl 2 ; 市售0#柴油; 其中乙醇為工業(yè)級, 其余在室溫下, 將V O P V 乙醇=11. 配置好后放入錐形瓶, 待用. 再取油酸和氫氧化鈉, 將二者放在燒杯中配制成油酸鈉溶液, 待用. 2. 2. 2乳化劑的確定為了制得油包水(W /O 型的微乳液, 在乳化劑的選取上大多采用非離子表面活性劑與陰離子表面活性劑. 復配, , 見表1.均為化學純. 2. 2乳化實驗2. 2. 1乳化劑的配置表1乳化劑種類Span 280+T ween 280Span 280+T ween 穩(wěn)定時間/d>60白色粘稠液體褐色透明液體pH 值6.

7、325. 794. 78乳化劑用量/mL1. 20. 90. 6油酸鈉由表1可以看出, 采用Span 和T ween 復配的乳化劑, 能達到乳化效果, 穩(wěn)定性好, 但乳化后乳化液的粘度大, 并且乳化劑的用量也大, 不適合于工業(yè)生產, 采用油酸鈉復配乳化劑, 其乳化效果也很好, 并且從經濟的角度來看適合于工業(yè)生產, 因此采用油酸鈉和NP 24復配的乳化劑作為本次實驗的乳化劑, 其主要物理化學性能見表2.表2各種乳化劑與柴油的主要物理化學性能比較項目密度/gcm 柴油OPNP 240. 83-0. 89050. 7893可以聽到噼啪的聲音, 火星四濺.可以看出, 柴油2水乳化燃料比0柴油更易燃燒,

8、 而且其燃燒后的黑煙量明顯減少, 并對其十六烷值進行檢測, 見表3.表3乳化柴油十六烷值檢測結果樣品名稱純柴油A7乳化柴油A6乳化柴油A5乳化柴油A8乳化柴油#混合比例/%柴油1008979. 274. 669. 0比重苯胺點十六烷d 420水0102024. 430. 0乳化劑010. 811/值計算0. 84472. 552. 160. 86072. 548. 800. 86571. 00. 8657047. 246. 843. 7沸點/80370-26878. 4熔點/14. 6-13. 2-117. 3HLB 值-13. 88. 91-油酸乙醇0. 87667. 92. 3燃料性能測試

9、3結果與討論3. 1柴油乳化條件的優(yōu)化選擇粘度是混合燃料的一個重要的性能指標, 粘度的測定使用的是毛細管粘度計, 其原理是根據燃料油在毛細管內通過的時間的不同, 利用公式:t =c t計算試油的粘度(厘池 .式中:c 為粘度計常數(shù), 厘池/s; t 為試油流動時間的算術平均數(shù), s . 2. 4燃燒性能測試本實驗對0柴油與柴油2水乳化燃料的燃燒性能做了比較, 首先將一定的純柴油, 乳化柴油放置于兩個表面皿中, 然后用火點燃, 觀察燃燒過程中的放煙情況.純柴油燃燒時產生大量的濃煙, 乳化柴油燃燒時釋放的煙量小于純柴油, 同時在燃燒過程中#實驗中, 油酸鈉和NP 24構成了復合型乳化劑, 其中油酸

10、鈉的加入量均為0. 1mL, 并且MgCl 2的加入量使得乳化效果更為穩(wěn)定, 而且其用量對乳化也有很大的影響, 攪拌速度控制在200r/min 300r/min, 溫度對反應的影響也很大, 適當?shù)募訜峥梢蕴岣呷榛俣?. 最終得到的正交實驗結果為水的加入量為10%, OP 的加入量為0. 05%, NP 24的加入量為0. 1%.選取MgCl 2和NP 24用量作為實驗考察因子進行實驗, 實驗結果見表4. 實驗得到了復配乳化劑的最佳用量, 其中MgCl 2的加入量為0. 3mL, NP 24的加入量為0. 5mL. 32吉林化工學院學報2007年表4乳化劑用量不同所形成乳化液的性能指標樣品M

11、gCl 2加入量NP 24加入量pH 值0柴油004. 690. 1220. 6240. 137180. 30. 54. 0. 0. 1370. 652#10. 10. 44. 960. 1330. 5520. 1221. 1790. 30. 0. 0. 6570. 1321. 23#20. 10. 55. 100. 1340. 5550. 1171. 15100. 40. . 1390. 6420. 1321. 3730. 10. 65. 210. 1320. 5420. 1151. 12. 4. 740. 1370. 6520. 1361. 3340. 20. 45. 090. 1380.

12、 5580. 117. 28. 0. 64. 770. 1400. 6350. 1331. 2550. 20. 54. 950. 1360. 6110. 13610. 50. 44. 790. 1410. 6320. 1291. 3360. 20. 64. 890. 1370. 6221261. 190. 50. 54. 800. 1390. 6480. 1321. 2970. 30. 44. 740. 1360. 6560. 1361. 32150. 50. 64. 820. 1410. 6440. 1321. 27電導率/ms c m -1透光率(500 透光率(600 表面張力/Nm -

13、1樣品M gCl 2加入量NP 24加入量pH 值電導率/ms c m -1透光率(透光率(600 表面張力/Nm -1由表4可以看出, 7, 8, 9樣品與0柴油的各性能指標比較接近, 而且樣品可以達到60天以上無水析出, 說明柴油乳化效果好, 穩(wěn)定性好, 外觀為褐色的微乳液.3. 1. 1溫度對乳化效果的影響#5, 6可由各個組分表面活性劑的HLB 值相加得出, 即HLB 有加和性. 如A 、B 兩種表面活性劑:HLB =(HLB. A ×A+HLB. B /(B ×A +B 式中:A 為表面活性劑A 的混合量; B 為表面活性劑B 的混合量; HLB. A 為A 的H

14、LB 值; HLB. B 為B 的HLB 值.根據8實驗條件, 選取不同溫度進行乳化, 乳化產物性能測定結果列于表5.表58#樣品在不同溫度下所形成乳化液的測定溫度/反應時間/h穩(wěn)定時間/h20304050602215866>30>30>60>60>60外觀乳濁液乳濁液微乳液微乳液微乳液含水量/%10109. 88. 77. 2由表4可以看出溫度的升高可以加速乳化, 可以大大縮短乳化時間. 實驗結果以50時為最佳反應溫度, 溫度升高會有少量水分蒸發(fā), 造成實際乳化進柴油的水分和放進去的水分不相符, 所以我們在實驗中要多放入1mL 水以彌補其蒸發(fā)量.3. 1 . 2

15、NP 24的加入量對乳化效果的影響7由表3可知, 當MgCl 2加入量相同時, 隨著NP 24的量的加入, 油水界面張力降低. 親油性表面活性劑的HLB 較低, 親水性表面活性劑的HLB 較高, 其中親油親水轉折點為10, 所以凡HLB 值小于10的表面活性劑主要是親油性的, 大于10的為親水性的. 對于混合表面活性劑, 其HLB 值 第3期羅亞楠, 等:表面活性劑在柴油2水乳化燃料中的應用33在復配乳化劑中NP 24為非離子表面活性劑, 它具有親油基團, HLB 值低于10, 其與油酸鈉具有親水基團, HLB 值高于10, 復配后總的HLB 值為二者之和, 所以造成HLB 值的降低, 使油水

16、界面的表面張力發(fā)生改變, 從而增強了體系的乳化能力, 起到了復配效果. 由圖1可以看出, 當NP 24用量為0. 5mL 時為最佳值. (乳化程度:所形成的乳化液在整個油水體系中所占的體積百分比 3. 1. 3Mg Cl 2的加入量對乳化效果的影響和油酸鈉之間形成復合型乳化劑, 對乳化劑的復配起到了輔助作用. 因此,Mg Cl 2在乳化中為助乳劑, 但由于所生成的乳化液的pH 值不可以太高, 否則會對氣缸造成腐蝕, 所以選定的最佳的MgCl 2的用量為0. 3mL. (乳化程度:所形成的乳化液在整個油水體系中所占的體積百分比 3. 20#7, 9實驗, 實驗均在6. , 2水乳化燃料在粘度、密

17、0柴油更為接近, 由此8實驗為最佳實驗方案.#由圖2可知, 隨著MgCl 2的加入量的增加, 乳化液的pH 值也隨之升高, 增強, 見圖2. 這是由于pH 6純柴油與乳化燃料的性能對比項目外觀穩(wěn)定時間/d密度/gc m -3運動粘度/(mm 2s -1柴油(0# 褐色透明液體長期穩(wěn)定0. 8224. 08性能指標(7# 號混合燃料(8# 號混合燃料淺褐色透明液體>600. 8344. 26(9# 號混合燃料淺褐色透明液體>600. 8294. 10淺褐色透明液體>600. 82714. 133. 3乳化燃料的燃燒性能(5 該方法和工藝簡單, 乳化柴油穩(wěn)定時間長.實驗結果可以看

18、出, 柴油2水乳化燃料比0#柴油更易燃燒, 而且其燃燒后的黑煙量明顯減少, 這是由于發(fā)動機工作時燃燒室內經常供氧不充分, 碳粒完全氧化比較困難, 但H 2O 的參與改變了此反應歷程, 使積碳燃燒完全, 獲得較高的反應熱用于做機械功. 而且根據臺架式試驗, 可以節(jié)省柴油達8%10%, 可以看出乳化柴油在環(huán)保方8面有較好的效果.參考文獻:1王延遐, 劉永啟. 適合柴油2甲醇2水復合乳化的新型乳化劑的研究J .能源研究與信息, 2001, 17(3 :138-143. 2左良斌, 趙士魁. 柴油乳化液的制備J .節(jié)能,1999, (7 :16-18. 3劉永啟, 王延霞. 柴油2甲醇2水復合乳化的機

19、理研究J .淄博學院學報(自然科學與工程版 , 2002, 4(3 :32-35. 4Fui jta N, et al . The Effect of Gas O il 2water 2metheanolE mulsified Fuel on D iesel Engine Perf or mance J .Transacti on of the Japan S ociety of Mechanical Engi 2neers (B . 1987, 53(486 . 5E . Engene Echlund et al . State 2of 2the 2art Report on theU se

20、 of A lcohols in D iesel EngineslD.S AE840118. 6戴樂蓉, 龍飛. 柴油乳狀液與微乳液的制備及節(jié)能效果的研究J .CH I N ESE JOURNAL OF APP L I E D CHE M I ST RY, 1997, 14(4 :8-12. 7王輝, 徐國強, 楚宜民, 等. 柴油機燃用甲醇2柴油混合燃料的研究J .河南農業(yè)大學學報, 2000, 34(4 :395-398. 8馬駿, 張慶懷, 鄭學根. 柴油乳化劑的研究與應用J .安徽化工, 2002, (6 :11-12.4結論(1 采用油酸鈉與NP 24復合型乳化劑適合于柴油2水的乳化

21、, 并且NP 24在0. 5mL 時為用量最好且效果最佳.(2 MgCl 2在整個過程中起到助乳化劑的作用, 用量為0. 3mL 時效果最好, 可以使乳化更加充分.(3 實驗中適當?shù)募訜峥梢允棺罱K的乳液為微乳液, 最佳溫度為50.(4 本實驗主要研究摻水10%的情況, 與純柴油相比乳化油的燃燒黑煙明顯減少, 能夠收到很好的環(huán)保效應, 節(jié)省柴油達810%, 有很好的經濟效應.(下轉第36頁 36吉林化工學院學報2007年法可以合成出介孔二氧化硅材料, 并且反應產率得到了提高.(2 介孔二氧化硅材料的最佳合成條件為:反應物的最佳摩爾配比為TEOS (1 CT AB (0. 15 Na OH (0.

22、 6 H 2O (850 pH 值10. 913. 5范圍之間; 反應時間為6h 8h, 反應溫度為7080.crystal Te mp late Mechanis m J .Journal of the Ameri 2can Che m ical s ociety, 1992, 114:10834-10843. 2Davis M E . O rdered por ous M aterials f or e merging ap 2p licati onsJ .Nature, 2002, 417:813-821. 3蔡強, 張慧波, 林文勇. MC M 241介孔分子篩的合成研究J .高等學校

23、化學學報, 1999, 20(5 :675-679.4王喜貴, 趙慧, 張強, . J , 2001, 27:17-參考文獻:1Beck J S,Vartuli J C, Roth W J, et al . A Ne Fa m Mes opor ous Molecular Sieves L 18.劍, 等. 合成條件對介孔氧化J .硅酸鹽學報, 1999, 27(1 :22-27.ti on of m esoporous sili ca under a lka li n e cond itonL I U Chang 2ling , HAO Jun 2ling12(1. College of C

24、he m ical &Materials Engineering, J ilin I nstitute of Che m ical Technol ogy, J ilin City 132022, China; 2. Constructi on and Maitenance Company of petr oChina J ilin City 132021, China Abstract:U sing cetyl tri m ethyl ammonium br om ide as the te mp late agent, the mes opouous silica was synt

25、he 2sized under different alkaline conditi ons . And its synthetic method, synthetic mechanis m and synthetic effect fact ors are discussed .Key words:mes opor ous silica; surfactant; te mp late agent(上接第33頁Appli ca ti on of surface acti ve agen t i n d i eselo il 2wa ter com posite em ulsi f i ed fuelLUO Ya 2nan , WANG Yu 2xiang ,