表面活性剂在柴油_水乳化燃料中的应用

1、 第24卷第3期2007年6月吉林化工学院学报Vol . 24No . 3Jun . 2007JOURNAL OF J I L I N I N STIT UTE OF CHE M I CAL TECHNOLOGY文章编号:100722853(2007 0320030204表面活性剂在柴油2水乳化燃料中的应用罗亚楠, 王玉香, 李战英, 崔华1112(1. 吉林化工学院化学与制药工程学院, 吉林吉林132022; 2. 中油吉林石化公司, 吉林摘要:研究了表面活性剂在乳化柴油过程中的应用, 、柴油2水乳化燃料稳定性的影响, 并且对柴油2水. 实验证明, 最终制成的乳化燃料具有乳化剂用量少, .

2、关键词:乳化; 燃料; 中图分类号:A染日益严重的情况下, 开发一种有前途的, 清洁的代用燃料已逐渐引起人们的重视, 特别是燃用柴油2水乳化燃料, 不需要对发动机进行改造或增加辅助装置, 反而能降低尾气污染物的排放量, 达到节约石油资源和减少污染的效果, 是一种新型的清洁能源.近年来, 国内外学者对柴油的乳化进行了广泛的研究, 出现了柴油2甲醇2水复合乳化燃料和柴油2甲醇复合乳化燃料等等, 特别是美国, 已经在柴油乳化方面取得了较好的经验. 在我国, 乳化柴油技术研究起步较晚, 最近几年发展比较迅速, 均采用多种表面活性剂复配而成1生微爆作用. 另一方面, 由于水颗粒的汽化, 在气缸中产生巨大

3、压力, 压力又将油滴爆破, 形成二次雾化, 增加了柴油燃烧的表面积, 使燃烧效率有所提高.1. 2化学效应一部分的水颗粒在高温和催化剂的作用下分解成氧气和氢气, 其中氢气是热值很高的可燃气, 而氧气则为燃烧过程中必不可少的助燃气, 二者的存在则使柴油能够充分燃烧. 水在燃烧过程中汽化成水蒸气, 产生许多OH 活性基团, 使一氧化碳尽可能完全燃烧. 水煤气反应加速燃油裂解所形成焦炭的燃烧, 抑制了烟尘的生成. 水滴汽化需吸收热量, 防止燃烧火焰局部高温, 而且油掺水燃烧改善了燃油与空气的混合比例, 减少了过剩空气系数, 从而抑制了NOX 的生成, 降低了环境污染.化学作用即水煤气反应. 在高温条

4、件下, 部分水分子与未完全燃烧的灼热的碳粒发生水煤气反应, 形成可燃气体, 反应式如下:C +H 2OCO +H 2CO 2+2H 2CO 2+H 22H 2OC +2H 2O CO +H 2O 2H 2+O 2.乳化柴油过程中对表面活性剂的选取的关键问题是要获得满足使用要求的乳液, 在此基础上能够降低乳化剂的用量, 生产工艺简单, 乳液的稳定时间长, 并且能在简单的生产工艺下大批量的生产, 只有这样才能满足人们在日常生活中的需求.1乳化柴油节能原理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 两种类型. 其中应用较多的是油包水型微乳液. 该微乳液可以

5、减少柴油在燃烧过程中的用量, 原因有两个:一方面, 在燃烧时分散在油中的水颗粒瞬间受热, 使其汽化, 水颗粒产2实验部分2. 1试剂壬基酚聚氧乙烯(4 醚(NP 24 ; 聚乙二醇辛收稿日期:2007-03-30作者简介:罗亚楠(1979- , 女, 吉林省吉林市人, 吉林化工学院助教, 硕士, 主要从事石油化工方面的研究. 第3期罗亚楠, 等:表面活性剂在柴油2水乳化燃料中的应用31基苯基醚(OP ; 油酸(CH 3(CH 2 7CH CH (CH 2 7COOH ; 司盘280(Span 280 ; 吐温280(T ween 280 ; 吐温220(T ween 220 ; 乙醇(CH 3

6、CH 2OH ; 氢氧化钠(Na OH ; 氯化镁(MgCl 2 ; 市售0#柴油; 其中乙醇为工业级, 其余在室温下, 将V O P V 乙醇=11. 配置好后放入锥形瓶, 待用. 再取油酸和氢氧化钠, 将二者放在烧杯中配制成油酸钠溶液, 待用. 2. 2. 2乳化剂的确定为了制得油包水(W /O 型的微乳液, 在乳化剂的选取上大多采用非离子表面活性剂与阴离子表面活性剂. 复配, , 见表1.均为化学纯. 2. 2乳化实验2. 2. 1乳化剂的配置表1乳化剂种类Span 280+T ween 280Span 280+T ween 稳定时间/d>60白色粘稠液体褐色透明液体pH 值6.

7、325. 794. 78乳化剂用量/mL1. 20. 90. 6油酸钠由表1可以看出, 采用Span 和T ween 复配的乳化剂, 能达到乳化效果, 稳定性好, 但乳化后乳化液的粘度大, 并且乳化剂的用量也大, 不适合于工业生产, 采用油酸钠复配乳化剂, 其乳化效果也很好, 并且从经济的角度来看适合于工业生产, 因此采用油酸钠和NP 24复配的乳化剂作为本次实验的乳化剂, 其主要物理化学性能见表2.表2各种乳化剂与柴油的主要物理化学性能比较项目密度/gcm 柴油OPNP 240. 83-0. 89050. 7893可以听到噼啪的声音, 火星四溅.可以看出, 柴油2水乳化燃料比0柴油更易燃烧,

8、 而且其燃烧后的黑烟量明显减少, 并对其十六烷值进行检测, 见表3.表3乳化柴油十六烷值检测结果样品名称纯柴油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比重苯胺点十六烷d 420水0102024. 430. 0乳化剂010. 811/值计算0. 84472. 552. 160. 86072. 548. 800. 86571. 00. 8657047. 246. 843. 7沸点/80370-26878. 4熔点/14. 6-13. 2-117. 3HLB 值-13. 88. 91-油酸乙醇0. 87667. 92. 3燃料性能测试

9、3结果与讨论3. 1柴油乳化条件的优化选择粘度是混合燃料的一个重要的性能指标, 粘度的测定使用的是毛细管粘度计, 其原理是根据燃料油在毛细管内通过的时间的不同, 利用公式:t =c t计算试油的粘度(厘池 .式中:c 为粘度计常数, 厘池/s; t 为试油流动时间的算术平均数, s . 2. 4燃烧性能测试本实验对0柴油与柴油2水乳化燃料的燃烧性能做了比较, 首先将一定的纯柴油, 乳化柴油放置于两个表面皿中, 然后用火点燃, 观察燃烧过程中的放烟情况.纯柴油燃烧时产生大量的浓烟, 乳化柴油燃烧时释放的烟量小于纯柴油, 同时在燃烧过程中#实验中, 油酸钠和NP 24构成了复合型乳化剂, 其中油酸

10、钠的加入量均为0. 1mL, 并且MgCl 2的加入量使得乳化效果更为稳定, 而且其用量对乳化也有很大的影响, 搅拌速度控制在200r/min 300r/min, 温度对反应的影响也很大, 适当的加热可以提高乳化速度4. 最终得到的正交实验结果为水的加入量为10%, OP 的加入量为0. 05%, NP 24的加入量为0. 1%.选取MgCl 2和NP 24用量作为实验考察因子进行实验, 实验结果见表4. 实验得到了复配乳化剂的最佳用量, 其中MgCl 2的加入量为0. 3mL, NP 24的加入量为0. 5mL. 32吉林化工学院学报2007年表4乳化剂用量不同所形成乳化液的性能指标样品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电导率/ms c m -1透光率(500 透光率(600 表面张力/Nm -

13、1样品M gCl 2加入量NP 24加入量pH 值电导率/ms c m -1透光率(透光率(600 表面张力/Nm -1由表4可以看出, 7, 8, 9样品与0柴油的各性能指标比较接近, 而且样品可以达到60天以上无水析出, 说明柴油乳化效果好, 稳定性好, 外观为褐色的微乳液.3. 1. 1温度对乳化效果的影响#5, 6可由各个组分表面活性剂的HLB 值相加得出, 即HLB 有加和性. 如A 、B 两种表面活性剂:HLB =(HLB. A ×A+HLB. B /(B ×A +B 式中:A 为表面活性剂A 的混合量; B 为表面活性剂B 的混合量; HLB. A 为A 的H

14、LB 值; HLB. B 为B 的HLB 值.根据8实验条件, 选取不同温度进行乳化, 乳化产物性能测定结果列于表5.表58#样品在不同温度下所形成乳化液的测定温度/反应时间/h稳定时间/h20304050602215866>30>30>60>60>60外观乳浊液乳浊液微乳液微乳液微乳液含水量/%10109. 88. 77. 2由表4可以看出温度的升高可以加速乳化, 可以大大缩短乳化时间. 实验结果以50时为最佳反应温度, 温度升高会有少量水分蒸发, 造成实际乳化进柴油的水分和放进去的水分不相符, 所以我们在实验中要多放入1mL 水以弥补其蒸发量.3. 1 . 2

15、NP 24的加入量对乳化效果的影响7由表3可知, 当MgCl 2加入量相同时, 随着NP 24的量的加入, 油水界面张力降低. 亲油性表面活性剂的HLB 较低, 亲水性表面活性剂的HLB 较高, 其中亲油亲水转折点为10, 所以凡HLB 值小于10的表面活性剂主要是亲油性的, 大于10的为亲水性的. 对于混合表面活性剂, 其HLB 值 第3期罗亚楠, 等:表面活性剂在柴油2水乳化燃料中的应用33在复配乳化剂中NP 24为非离子表面活性剂, 它具有亲油基团, HLB 值低于10, 其与油酸钠具有亲水基团, HLB 值高于10, 复配后总的HLB 值为二者之和, 所以造成HLB 值的降低, 使油水

16、界面的表面张力发生改变, 从而增强了体系的乳化能力, 起到了复配效果. 由图1可以看出, 当NP 24用量为0. 5mL 时为最佳值. (乳化程度:所形成的乳化液在整个油水体系中所占的体积百分比 3. 1. 3Mg Cl 2的加入量对乳化效果的影响和油酸钠之间形成复合型乳化剂, 对乳化剂的复配起到了辅助作用. 因此,Mg Cl 2在乳化中为助乳剂, 但由于所生成的乳化液的pH 值不可以太高, 否则会对气缸造成腐蚀, 所以选定的最佳的MgCl 2的用量为0. 3mL. (乳化程度:所形成的乳化液在整个油水体系中所占的体积百分比 3. 20#7, 9实验, 实验均在6. , 2水乳化燃料在粘度、密

17、0柴油更为接近, 由此8实验为最佳实验方案.#由图2可知, 随着MgCl 2的加入量的增加, 乳化液的pH 值也随之升高, 增强, 见图2. 这是由于pH 6纯柴油与乳化燃料的性能对比项目外观稳定时间/d密度/gc m -3运动粘度/(mm 2s -1柴油(0# 褐色透明液体长期稳定0. 8224. 08性能指标(7# 号混合燃料(8# 号混合燃料浅褐色透明液体>600. 8344. 26(9# 号混合燃料浅褐色透明液体>600. 8294. 10浅褐色透明液体>600. 82714. 133. 3乳化燃料的燃烧性能(5 该方法和工艺简单, 乳化柴油稳定时间长.实验结果可以看

18、出, 柴油2水乳化燃料比0#柴油更易燃烧, 而且其燃烧后的黑烟量明显减少, 这是由于发动机工作时燃烧室内经常供氧不充分, 碳粒完全氧化比较困难, 但H 2O 的参与改变了此反应历程, 使积碳燃烧完全, 获得较高的反应热用于做机械功. 而且根据台架式试验, 可以节省柴油达8%10%, 可以看出乳化柴油在环保方8面有较好的效果.参考文献:1王延遐, 刘永启. 适合柴油2甲醇2水复合乳化的新型乳化剂的研究J .能源研究与信息, 2001, 17(3 :138-143. 2左良斌, 赵士魁. 柴油乳化液的制备J .节能,1999, (7 :16-18. 3刘永启, 王延霞. 柴油2甲醇2水复合乳化的机

19、理研究J .淄博学院学报(自然科学与工程版 , 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戴乐蓉, 龙飞. 柴油乳状液与微乳液的制备及节能效果的研究J .CH I N ESE JOURNAL OF APP L I E D CHE M I ST RY, 1997, 14(4 :8-12. 7王辉, 徐国强, 楚宜民, 等. 柴油机燃用甲醇2柴油混合燃料的研究J .河南农业大学学报, 2000, 34(4 :395-398. 8马骏, 张庆怀, 郑学根. 柴油乳化剂的研究与应用J .安徽化工, 2002, (6 :11-12.4结论(1 采用油酸钠与NP 24复合型乳化剂适合于柴油2水的乳化

21、, 并且NP 24在0. 5mL 时为用量最好且效果最佳.(2 MgCl 2在整个过程中起到助乳化剂的作用, 用量为0. 3mL 时效果最好, 可以使乳化更加充分.(3 实验中适当的加热可以使最终的乳液为微乳液, 最佳温度为50.(4 本实验主要研究掺水10%的情况, 与纯柴油相比乳化油的燃烧黑烟明显减少, 能够收到很好的环保效应, 节省柴油达810%, 有很好的经济效应.(下转第36页 36吉林化工学院学报2007年法可以合成出介孔二氧化硅材料, 并且反应产率得到了提高.(2 介孔二氧化硅材料的最佳合成条件为:反应物的最佳摩尔配比为TEOS (1 CT AB (0. 15 Na OH (0.

22、 6 H 2O (850 pH 值10. 913. 5范围之间; 反应时间为6h 8h, 反应温度为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蔡强, 张慧波, 林文勇. MC M 241介孔分子筛的合成研究J .高等学校

23、化学学报, 1999, 20(5 :675-679.4王喜贵, 赵慧, 张强, . J , 2001, 27:17-参考文献:1Beck J S,Vartuli J C, Roth W J, et al . A Ne Fa m Mes opor ous Molecular Sieves L 18.剑, 等. 合成条件对介孔氧化J .硅酸盐学报, 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页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 ,