王永利,王立華,史建國,張江偉,李維爽

(河北北方學(xué)院理學(xué)院,河北張家口075000)

隨著國際石油價(jià)格的不斷飆升,“節(jié)能降耗”已成為中國經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展中備受關(guān)注的詞匯.近年來,機(jī)動(dòng)車擁有量不斷增加,截止至2009年8月底全國機(jī)動(dòng)車擁有量已達(dá)1.8億輛.汽油作為汽車的主要燃料,其消耗量也隨之快速增長,年消耗量已超過1.2億t.巨大的汽油消耗不僅對(duì)日益枯竭的石油能源造成巨大的壓力,同時(shí)大量燃油燃燒不當(dāng)所排放的浮碳、碳?xì)浠衔?、一氧化碳和氮氧化物也成為大中城市的主要污染物來源[1].乳化汽油可以減少污染,降低能耗,因此在節(jié)能和環(huán)保方面有十分重要的應(yīng)用.

到目前為止,一些發(fā)達(dá)國家基本上實(shí)現(xiàn)了乳化燃料油,然而乳化油作為內(nèi)燃機(jī)燃料,還不能廣泛地應(yīng)用,主要原因有：(1)成本問題,即此技術(shù)需采用價(jià)格較貴的表面活性劑才能制得穩(wěn)定的乳化油；(2)穩(wěn)定性,即要求制得的乳化汽油在一定的溫度范圍內(nèi),穩(wěn)定存在30 d以上；(3)結(jié)炭和腐蝕問題,即要求所有的表面活性劑盡可能地容易分解,完全燃燒后的產(chǎn)物對(duì)機(jī)器無腐蝕.中國乳化燃油的研究僅有十幾年的歷史,如王利坡等[2]研究了單滴乳化燃油的微爆模型和微爆規(guī)律,醇的加入量、表面活性劑與正丁醇的比例以及表面活性劑復(fù)配對(duì)形成乳化汽油的影響；吳可克等[3]對(duì)乳化方式、助表面活性劑與陽離子表面活性劑之間的關(guān)系進(jìn)行了研究；何從林等對(duì)W/O型微乳液相行為的分析[4]；張坤玲等研究了用H LB值來選擇乳化劑[5]；本文參照上述理論研究,通過篩選表面活性劑,研究了乳化劑的HLB值、摻水量、乳化劑用量、助乳化劑、助乳化劑用量、乳化時(shí)間、乳化溫度等一系列乳化條件與乳化效果間的關(guān)系,找出了一種乳化成本低廉、乳化油性質(zhì)穩(wěn)定的優(yōu)良配方,以用于推廣應(yīng)用.

1 材料與方法

1.1 實(shí)驗(yàn)儀器與試劑

1.1.1 實(shí)驗(yàn)儀器 CJ-1型磁力攪拌器 (北京醫(yī)用離心機(jī)廠)；JA2003型電子天平 (上海精密科學(xué)儀器有限公司)；CX-250超聲波清洗器 (北京醫(yī)療設(shè)備二廠)；錐形瓶；滴管.

1.1.2 實(shí)驗(yàn)試劑 90#汽油,去離子水 (已超聲),CTAB(國藥集團(tuán)化學(xué)試劑有限公司,分析純),SDS(北京西中化工廠,化學(xué)純),Span80(天津天大化工實(shí)驗(yàn)廠,化學(xué)純),Tween40(天津北方天醫(yī)化學(xué)試劑廠,分析純),Tween60(天津津華永盛科貿(mào)有限公司,化學(xué)純),Tween80(天津北方天醫(yī)化學(xué)試劑廠,化學(xué)純),正丁醇 (天津北方助劑研究所,分析純),異戊醇 (天津永達(dá)化學(xué)試劑開發(fā)中心,分析純),1-庚醇 (中國醫(yī)藥集團(tuán)上海化學(xué)試劑公司,化學(xué)純),十二醇 (國藥集團(tuán)化學(xué)試劑有限公司,化學(xué)純).

1.2 實(shí)驗(yàn)方法

1.2.1 實(shí)驗(yàn)步驟 準(zhǔn)確稱量適量的汽油,放入錐形瓶中,根據(jù)實(shí)驗(yàn)條件分別稱取親油型和親水型表面活性劑加到錐形瓶中,在磁力攪拌器上邊攪拌邊滴加水,待水和油混合較均勻后,滴加助乳化劑,開始計(jì)錄乳化時(shí)間.乳化一定時(shí)間后將乳化油倒入樣品瓶中,觀察乳化油的穩(wěn)定性.

1.2.2 穩(wěn)定性的判斷 乳液的穩(wěn)定性與分散相的粒徑有密切關(guān)系,分散相的粒徑越小,乳液的穩(wěn)定性越高,而分散相粒徑與乳液外觀特征的關(guān)系如下表1：

表1 分散相粒徑和乳液外觀特征間的關(guān)系

故可通過乳液的外觀特征來判斷乳液的穩(wěn)定性[6].

2 結(jié)果與分析

2.1 乳化劑對(duì)汽油乳化效果的影響

2.1.1 單一的乳化劑對(duì)汽油乳化效果的影響 單一的乳化劑乳化效果不佳,復(fù)配對(duì)乳化體系是有利的.一個(gè)理想的乳化劑,不僅要與油相親和力強(qiáng),而且也要與水相有較強(qiáng)的親和力.把H LB值較小的乳化劑與HLB值較大的乳化劑混合使用,形成的混合膜與油相和水相都有較強(qiáng)的親和力,可以同時(shí)兼顧這兩方面的要求；每種乳化劑都有特定的HLB值,單一乳化劑往往很難滿足多組分組成的體系的乳化要求.實(shí)驗(yàn)表明,單一用Span80、Tween40、Tween60、Tween80以及十二烷基硫酸鈉作乳化劑所做出來的乳液不如復(fù)配后作乳化劑的穩(wěn)定性高.所以,使用復(fù)配乳化劑比使用單一乳化劑效果更好.

2.1.2 不同的復(fù)配乳化劑對(duì)汽油乳化效果的影響 Span80(H LB=4.3)、Tween40(HLB=15)、Tween60(HLB=14.9)、Tween80(HLB=15.6)、十二烷基硫酸鈉 (HLB=12.3)之間的任何復(fù)配都不能達(dá)到理想效果,結(jié)果見下表2：

表2 不同的復(fù)配乳化劑對(duì)汽油乳化效果的影響

選擇H LB值最小的Span80(HLB=4.3)與其它表面活性劑復(fù)配,其中陽離子表面活性劑十六烷基三甲基溴化銨 (HLB=15.8)與Span80的HLB值相差較大,乳化的效果較好.

2.1.3 不同HLB值的乳化劑對(duì)汽油乳化效果的影響 固定其他條件后,不同HLB值的乳化劑對(duì)汽油乳化效果的影響如表3：

表3 不同HLB值的乳化劑對(duì)汽油乳化效果的影響

由上表可知,當(dāng)復(fù)配乳化劑HLB值為10.0時(shí)乳化效果最好.

2.1.4 乳化劑用量和乳化劑加入方式對(duì)乳化效果的影響 固定其它條件,僅改變?nèi)榛瘎┯昧窟M(jìn)行實(shí)驗(yàn).實(shí)驗(yàn)結(jié)果見下表4.

表4 乳化劑用量的選擇

由上表可知：90#汽油適宜的乳化劑用量為5.0%左右.表面活性劑的加入使界面張力降低,隨著表面活性劑加入量的增加,界面張力不斷降低.當(dāng)表面活性劑的濃度達(dá)到一定值時(shí),界面張力的變化不明顯.

復(fù)配乳化劑的加入方式有兩種,通過實(shí)驗(yàn)得知,把親油的表面活性劑溶于油中,再放入親水表面活性劑,邊攪拌邊滴加水,然后加入助表面活性劑,該方式得到的樣品較穩(wěn)定,且在一定程度上提高了乳化油的摻水量.

2.2 助乳化劑對(duì)乳化效果的影響

2.2.1 不同的助乳化劑對(duì)乳化效果的影響 表5的實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示：異戊醇作助乳化劑的乳化效果最好.

表5 不同的助乳化劑對(duì)乳化效果的影響

2.2.2 醇的加入量對(duì)乳化效果的影響

表6 醇的加入量對(duì)乳化效果的影響

表6實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：助乳化劑異戊醇與乳化劑的最佳質(zhì)量比約為1.0∶6.6.

2.3 其它因素對(duì)乳化效果的影響

2.3.1 乳化方式對(duì)乳化效果的影響 常見的乳化方式可分為超聲乳化和機(jī)械乳化兩種.超聲乳化具有效率高、可靠性好等優(yōu)點(diǎn),并且可以使液滴粒徑減小、分布更加均勻；機(jī)械乳化設(shè)備較簡單,易于維護(hù),乳化效果明顯,已完全能滿足實(shí)際需要.考慮到以后的推廣問題,選擇機(jī)械乳化較符合實(shí)際.

2.3.2 摻水量對(duì)乳化效果的影響 實(shí)驗(yàn)顯示逐滴滴加效果更好.對(duì)水的加入量實(shí)驗(yàn)結(jié)果見下表：

表7 摻水量對(duì)乳化效果的影響

由表7可知：當(dāng)加入5.0ml水時(shí)體系穩(wěn)定,此時(shí)摻水量為10.0%.

2.3.3 乳化時(shí)間對(duì)乳化效果的影響 考察乳化時(shí)間對(duì)乳化效果的影響,結(jié)果如下：

表8 乳化時(shí)間對(duì)乳化效果的影響

實(shí)驗(yàn)顯示,較長的乳化時(shí)間對(duì)乳化效果不一定有利.對(duì)于Span80和CTAB復(fù)配成乳化劑的乳液體系,攪拌30 min就能達(dá)到較好的乳化效果,適當(dāng)延長乳化時(shí)間可以增加體系的穩(wěn)定性.乳化時(shí)間過長雖然能使乳液穩(wěn)定,但作用不大.考慮到今后的擴(kuò)大再生產(chǎn),乳化時(shí)間采用30 min較適宜,并可降低生產(chǎn)成本.

2.3.4 乳化溫度對(duì)乳化效果的影響 乳化溫度高,分子動(dòng)能增加,熱運(yùn)動(dòng)加劇,不利于表面活性劑的定向吸附.乳化溫度太低表面活性劑的親水親油性變差,不能將汽油有效地乳化.汽油屬易揮發(fā)物質(zhì),溫度越高,揮發(fā)越快.乳化溫度過高會(huì)損失大量汽油,而在低溫下,乳化過程緩慢.實(shí)驗(yàn)表明采用室溫操作,就可達(dá)到較好的乳化效果,且大大簡化了乳化工藝.

3 結(jié) 論

通過實(shí)驗(yàn)可以得出最佳乳化條件：乳化劑用量5.0%,其中Span80與CTAB二者復(fù)配后的HLB值為10.0,即質(zhì)量比為0.5043∶0.4957,摻水量10.0%,助乳化劑異戊醇與乳化劑的質(zhì)量比約為1.0∶6.6,乳化時(shí)間30 min.在以上的條件下乳化可以得到外觀澄清透明的乳化汽油,該乳化汽油常溫放置300 d外觀無變化,穩(wěn)定性較高,可以滿足實(shí)際需要.

[1] 周雅文,張高勇,王紅霞.汽油微乳化技術(shù)研究[J].日用化學(xué)工業(yè),2002,32(02)：1-4

[2] 王利坡,傅維標(biāo).乳化油微爆的統(tǒng)一模型[J].燃燒科學(xué)與技術(shù),2001,19(04)：327-332

[3] 吳可克,高學(xué)明.汽油微乳液的制備與性能研究[J].節(jié)能技術(shù),2003,21(05)：14-16

[4] 何從林,王伯初.W/O型微乳液相行為的分析[J].重慶大學(xué)學(xué)報(bào),2003,26(05)：52-54

[5] 張坤玲,李瑞珍,盧玉妹,等.HLB值與乳化劑的選擇[J].石家莊職業(yè)技術(shù)學(xué)院學(xué)報(bào),2004,16(06)：20-22

[6] 陳劍波,孟巨光,葉建忠.陽離子蠟乳液的制備工藝[J].化學(xué)工藝與工程,2006,23(04)：336-338