孫偉博，佟彥軍，王 燕，馬 力

(1.西安科技大學(xué)能源學(xué)院，西安 710054；2.教育部西部礦井開(kāi)采及災(zāi)害防治重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，西安 710054；3.陜西北方民爆集團(tuán)有限公司，西安 710061)

礦山開(kāi)采需要大量工程裝備，這些工程裝備會(huì)產(chǎn)生大量的廢機(jī)油，造成環(huán)境污染。同時(shí)，礦山爆破開(kāi)采離不開(kāi)炸藥，而機(jī)油又是炸藥的原料之一。二十世紀(jì)90年代美國(guó)出現(xiàn)過(guò)將廢機(jī)油應(yīng)用于銨油炸藥的報(bào)道[1]。在非洲，南非的BME公司生產(chǎn)過(guò)廢油工業(yè)炸藥，并將廢油工業(yè)炸藥應(yīng)用于非洲的露天礦山[2]，但制備的炸藥性能和穩(wěn)定性方面還有待提高。我國(guó)科研人員在這方面也進(jìn)行了研究。薛占山[3]將廢油品稱量后通過(guò)過(guò)濾網(wǎng)倒入混合油池，再往油池注入廢油品2倍量的柴油，經(jīng)過(guò)循環(huán)泵循環(huán)均勻后打入燃料油罐，供現(xiàn)場(chǎng)混裝銨油炸藥車(chē)使用。岳中文[4]提出將廢棄食用油脂與輕柴油制備成混合油代替純輕柴油，用于混裝銨油炸藥的生產(chǎn)。宋日[5]按照多孔粒狀硝酸銨∶柴油∶廢礦物油=94.5∶2.75∶2.75的比例，制備出了達(dá)到國(guó)標(biāo)要求的多孔粒狀銨油炸藥。簡(jiǎn)國(guó)祚[6]將一定比例的廢機(jī)油、柴油、乳化劑混和，制備的現(xiàn)場(chǎng)混裝乳化炸藥性能達(dá)到國(guó)標(biāo)要求。祁茂富[7]將再生油與輕柴油按照不同比例混配成組合油，通過(guò)調(diào)配生產(chǎn)出不同爆速和猛度的多孔粒狀銨油炸藥。閆陸[6]利用廢礦物油代替部分輕柴油生產(chǎn)銨油炸藥?？梢钥闯?，廢機(jī)油在工業(yè)炸藥中的應(yīng)用主要集中在銨油炸藥，而對(duì)于現(xiàn)場(chǎng)混裝乳化炸藥，還需要進(jìn)一步深入研究。

1 實(shí)驗(yàn)材料與方法

1.1 實(shí)驗(yàn)材料與設(shè)備

根據(jù)某礦山提供的廢機(jī)油清單，從中選取發(fā)動(dòng)機(jī)油SAE15W40作為實(shí)驗(yàn)所用廢機(jī)油。由于廢機(jī)油中含有大量金屬顆粒等雜質(zhì)，不利于制備乳化基質(zhì)，因此在使用廢機(jī)油前，先將廢機(jī)油用10m濾布過(guò)濾2遍。通過(guò)實(shí)驗(yàn)室檢測(cè)，過(guò)濾之后的油品黏度為143.75 cst，油品的清潔度從ISO4406 28/26/24降低到了28/25/14。乳化劑選擇路博潤(rùn)LZ2820，0號(hào)柴油，工業(yè)硝酸銨。實(shí)驗(yàn)儀器包括攪拌器、黏度計(jì)、JSM-7001F熱場(chǎng)發(fā)射掃描電子顯微鏡(放大倍數(shù)：10～50萬(wàn)倍)，奧林巴斯BX53偏光顯微鏡等。

1.2 實(shí)驗(yàn)配方

為考察廢機(jī)油加入后對(duì)乳化基質(zhì)的影響，對(duì)含廢機(jī)油的乳化基質(zhì)進(jìn)行正交實(shí)驗(yàn)。乳化炸藥中水相比例為93.5%，其中硝酸銨占水相質(zhì)量的82%，水占水相質(zhì)量的18%。油相比例為6.5%，油相中乳化劑、柴油、機(jī)油(含廢機(jī)油)劃分水平和因素如表1所示，具體實(shí)驗(yàn)配比如表2所示。

表1 廢機(jī)油正交實(shí)驗(yàn)水平因素劃分

表2 廢機(jī)油正交實(shí)驗(yàn)

每個(gè)試樣制備500 g，按照表2中的實(shí)驗(yàn)配比計(jì)量好實(shí)驗(yàn)材料。為了與新機(jī)油配方進(jìn)行比較，參考005號(hào)配方，將廢機(jī)油全部改為新機(jī)油，對(duì)應(yīng)的實(shí)驗(yàn)編號(hào)為000號(hào)。

1.3 實(shí)驗(yàn)方法

將硝酸銨和水按照實(shí)驗(yàn)配方質(zhì)量比加入到燒杯中，用電加熱套加熱至95 ℃制成水相溶液。將廢機(jī)油、乳化劑、新機(jī)油按照實(shí)驗(yàn)配方質(zhì)量比加入到燒杯中，放在磁力攪拌器上攪拌，加熱至50 ℃制成油相溶液。油相、水相制備好后，將攪拌器轉(zhuǎn)速設(shè)定為300 r/min，開(kāi)啟攪拌器，期間緩慢加入油水兩相，攪拌150 s；之后，將攪拌器緩慢加速到1 350 r/min攪拌60 s。若不能成乳，將攪拌器轉(zhuǎn)速提高到1 600 r/min攪拌30 s，若還不能成乳，將攪拌器轉(zhuǎn)速提高到2 000 r/min攪拌60 s，若仍不能成乳，增加攪拌時(shí)間，若攪拌210 s還不能成乳，則停止攪拌。

將做好的樣品放入試樣盒中，一部分用于顯微鏡和掃描電鏡觀察，一部分用于自然儲(chǔ)存和高、低溫循環(huán)實(shí)驗(yàn)。高、低溫循環(huán)實(shí)驗(yàn)是將樣品放在50 ℃恒溫箱保存8 h，然后在-10 ℃低溫箱保存16 h，作為一個(gè)溫度變化循環(huán)[9-13]。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 基質(zhì)成乳性

在制備乳化基質(zhì)過(guò)程中，將最易成乳記做5，不能成乳記做0，成乳性按每增加一個(gè)環(huán)節(jié)減1，進(jìn)行成乳性量化，得到成乳性指數(shù)如表3所示。

表3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

將廢機(jī)油在油相中比例與成乳性指數(shù)做成散點(diǎn)圖，兩者之間關(guān)系如圖1所示。

圖1 廢機(jī)油與成乳性關(guān)系Fig.1 The relation of waste engine oil and emulsion

從實(shí)驗(yàn)結(jié)果可以看出，乳化基質(zhì)能否成乳與乳化劑和廢機(jī)油的含量有很大關(guān)系。經(jīng)計(jì)算，成乳性指數(shù)與廢機(jī)油在油相中占比的相關(guān)性系數(shù)為-0.697，這說(shuō)明廢機(jī)油的量與成乳性指數(shù)為負(fù)相關(guān)，且相關(guān)性較高，廢機(jī)油含量越高越難成乳。

從實(shí)驗(yàn)結(jié)果還可以看出，兩個(gè)沒(méi)有成乳的樣品中一個(gè)是100%廢機(jī)油(003號(hào))，占油相材料的42.3%；一個(gè)是66%廢機(jī)油(004號(hào))，占油相材料的37.9%。這是乳化劑在油相中比例分別為15.4%和18.5%的情況下沒(méi)有成乳的。當(dāng)乳化劑在油相中比例提高到23.1%時(shí)，廢機(jī)油含量更高(占油相材料的53.8%)的007號(hào)樣品仍然能夠成乳。雖然007號(hào)樣品廢機(jī)油含量最高，但該樣品乳化劑含量也高于不能成乳的003和004號(hào)樣品，這說(shuō)明乳化劑的量對(duì)是否成乳也有較大影響。經(jīng)計(jì)算，廢機(jī)油與乳化劑的比值與成乳性指數(shù)之間的相關(guān)性系數(shù)為-0.674，這說(shuō)明廢機(jī)油與乳化劑的比值同成乳性指數(shù)為負(fù)相關(guān)，且相關(guān)性較高，比值越大，越難以成乳。這可能是由于廢機(jī)油中含有多種微小雜質(zhì)，這些雜質(zhì)的表面積很大，會(huì)消耗一部分乳化劑，使得乳化劑的有效含量降低，不足以使水油相充分乳化，導(dǎo)致無(wú)法成乳。

2.2 儲(chǔ)存期實(shí)驗(yàn)

為觀測(cè)制備乳化基質(zhì)的存儲(chǔ)性能，進(jìn)行了10個(gè)高、低溫循環(huán)老化實(shí)驗(yàn)和45 d自然儲(chǔ)存實(shí)驗(yàn)。并把實(shí)驗(yàn)結(jié)果與新制備基質(zhì)的偏光顯微鏡觀測(cè)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比(見(jiàn)圖2)。

圖2 乳化基質(zhì)存儲(chǔ)性能的偏光顯微鏡對(duì)比Fig.2 Comparison of storage properties of emulsion matrix by polarized light microscopy

使用Image-pro 軟件對(duì)偏光顯微鏡圖片進(jìn)行分析，統(tǒng)計(jì)析晶面積占圖片總面積的結(jié)果如表4所示。

表4 析晶面積在圖片中占比

從表4中可以看出，新制乳化基質(zhì)的析晶面積均沒(méi)有超過(guò)總面積的5%；45 d自然儲(chǔ)存情況下，008號(hào)樣品的析晶量最高，占總面積的9.23%，005號(hào)和009號(hào)樣品的析晶面積分別占總面積的7.30%和5.43%，其余樣本均沒(méi)有超過(guò)5%；在10個(gè)高、低溫循環(huán)情況下，001號(hào)樣品的析晶量最高，占總面積的7.24%，其余樣本均沒(méi)有超過(guò)5%。從儲(chǔ)存性能來(lái)看，002號(hào)、006號(hào)和007號(hào)的綜合儲(chǔ)存性能較好。

經(jīng)計(jì)算，45 d自然儲(chǔ)存基質(zhì)和10個(gè)高、低溫循環(huán)基質(zhì)與廢機(jī)油在油相材料中占比的相關(guān)性系數(shù)分別為：0.038 6和-0.075。這說(shuō)明成乳后的含廢機(jī)油乳化基質(zhì)的儲(chǔ)存性能與廢機(jī)油含量相關(guān)性不強(qiáng)。影響含廢機(jī)油乳化炸藥儲(chǔ)存性能的因素還需要進(jìn)一步研究。

將45 d自然儲(chǔ)存電鏡、10個(gè)高、低溫循環(huán)電鏡與新制基質(zhì)電鏡對(duì)比，結(jié)果如圖3所示。

圖3 掃描電鏡對(duì)比Fig.3 Comparison of SEM

從樣品新制基質(zhì)電鏡照片可以看出，全部樣品乳化液滴的直徑基本都小于10m，007號(hào)樣品的液滴尺寸最大，最大尺寸為6.8m左右，008號(hào)樣品的液滴尺寸較小，最大尺寸為4.5m左右。從細(xì)觀角度來(lái)看，45 d自然儲(chǔ)存和10個(gè)高、低溫循環(huán)以后基質(zhì)形態(tài)與新制基質(zhì)相比，液滴尺寸稍有增加，液滴邊界更為清晰，總體變化不很明顯。

2.3 爆炸性能實(shí)驗(yàn)

對(duì)儲(chǔ)存性能較好的000,002,006,007和009號(hào)樣品進(jìn)行爆速實(shí)驗(yàn)。由于混裝乳化炸藥不具備雷管感度，所以用實(shí)驗(yàn)室設(shè)備通過(guò)多次重復(fù)實(shí)驗(yàn)制備乳化基質(zhì)，使用濃度25%的亞硝酸鈉作為化學(xué)敏化劑，用攪拌器對(duì)乳化基質(zhì)進(jìn)行敏化后裝入直徑150 mm、長(zhǎng)1.5 m的PVC管中，封口，使用140 g TNT藥柱做起爆具進(jìn)行引爆，在現(xiàn)場(chǎng)使用WBS-2型爆速測(cè)試儀進(jìn)行測(cè)試爆速，結(jié)果如表5所示。

表5 爆速實(shí)驗(yàn)結(jié)果

由表5可知，含廢機(jī)油乳化炸藥的爆速都在4 300 m/s附近，接近于新機(jī)油制備的乳化炸藥000號(hào)樣品的爆速4 350 m/s。由此可見(jiàn)，在廢機(jī)油替代新機(jī)油的情況下，廢機(jī)油含量的多少對(duì)乳化炸藥爆速的影響十分微弱。從爆速指標(biāo)來(lái)看，含廢機(jī)油乳化炸藥能夠滿足工程爆破的需要。

3 結(jié)論

1)廢機(jī)油和乳化劑在油相中的含量會(huì)影響乳化基質(zhì)的成乳性。成乳性指數(shù)與廢機(jī)油在油相中占比的相關(guān)性系數(shù)為-0.697，廢機(jī)油和乳化劑的比值與成乳性指數(shù)之間的相關(guān)性系數(shù)為-0.674，說(shuō)明廢機(jī)油的量以及廢機(jī)油與乳化劑的比值越大越難以成乳。

2)通過(guò)對(duì)樣品偏光顯微鏡和掃描電鏡圖片分析，45 d自然儲(chǔ)存基質(zhì)、10個(gè)高、低溫循環(huán)基質(zhì)與廢機(jī)油在油相材料中占比的相關(guān)性系數(shù)分別為：0.038 6和-0.075。說(shuō)明乳化基質(zhì)形成以后，廢機(jī)油含量與乳化炸藥儲(chǔ)存期沒(méi)有明顯的直接關(guān)系。

3 )根據(jù)爆速實(shí)驗(yàn)結(jié)果，含廢機(jī)油乳化炸藥的爆炸性能與不含廢機(jī)油乳化炸藥的性能接近，能夠滿足工程爆破對(duì)乳化炸藥性能的要求。