[科普中國(guó)]-乳化燃料

簡(jiǎn)介

五十年代后期，環(huán)境與發(fā)展矛盾日漸明顯，石油危機(jī)開始出現(xiàn)，具備節(jié)能降污雙重機(jī)能的燃料油摻水技術(shù)獲得重視，美國(guó)、前蘇聯(lián)、日本等都將該技術(shù)列為國(guó)家級(jí)重點(diǎn)項(xiàng)目進(jìn)行開發(fā)研究，并取得積極的應(yīng)用成果，1981年7月召開的國(guó)際燃燒協(xié)會(huì)第一屆年會(huì)上，燃料油乳化摻水燃燒被列為三大節(jié)能措施之一。我國(guó)自五十年代末起，也在該領(lǐng)域進(jìn)行積極研究，并取得一定成果。八十年代初，鑒于我國(guó)能源短缺，國(guó)家計(jì)委、國(guó)家科委、中科院聯(lián)合發(fā)文，組織研究乳化燃料技術(shù)，國(guó)家相關(guān)研究機(jī)構(gòu)及個(gè)人紛紛投入研究，取得了一定的實(shí)用成果。

大家知道水是極性化合物,石油產(chǎn)品是由非極性化合物烴類組成,水和油是不互溶的。要使二者成為混合液，需借助外力或加入表面活性劑，使其中一相液體均勻分散在另一相液體中，成為為相對(duì)穩(wěn)定的混合液，在精細(xì)化學(xué)中，這種混合液稱之為乳化液，由燃料油（煤油、汽油、柴油、重油、渣油）和水組成的乳化液就被稱為乳化燃料。

乳化燃料油與通常的乳化液一樣，也分為油包水型（W/O）和水包油型（O/W），在油包水型乳化燃料油中，水是以分散相均勻地懸浮在油中，被稱為分散相或內(nèi)相，燃料油則包在水珠的外層，成為連續(xù)相或外相。我們目前所見的大多數(shù)乳化燃料油都為油包水型乳化燃料。水包油型乳化燃料油正好與油包水型相反，由委內(nèi)瑞拉石油公司開發(fā)的奧里油就屬于水包油型乳化燃料油。

由于石油、煤自然能源的日益枯竭和燃油燃燒不當(dāng)所排放出的浮碳、碳?xì)浠衔铩⒁谎趸?、氮氧化物、硫化物及固體微粒污染環(huán)境日益惡化，世界各國(guó)的能源研究人員都在積極探索并尋找可再生的、環(huán)保的替代燃料，并對(duì)現(xiàn)有石化燃料進(jìn)行改進(jìn)，以提高石化燃料的效率。特別是開發(fā)利用可再生資源生產(chǎn)燃料已成為世界各工業(yè)國(guó)家的重要課題。這樣乳化技術(shù)和生物柴油應(yīng)用于工業(yè)燃料就成為許多科研人員關(guān)注的焦點(diǎn)，同時(shí)也是節(jié)能和改善環(huán)境污染的有力舉措。乳化柴油摻水技術(shù)以燃燒性能好、能耗低、污染少的特點(diǎn)得以研究報(bào)道。在日本、美國(guó)、德國(guó)等國(guó)家，柴油乳化劑早已作為商品銷售，現(xiàn)已開發(fā)出第三代或第四代產(chǎn)品。日本專營(yíng)乳化油的薩米特公司推出的 H-106、H-107 乳化劑產(chǎn)品，銷往東南亞各國(guó)。近

年來(lái)，我國(guó)燃油技術(shù)獲得了很大的發(fā)展，其中以乳化柴油的研究居多。乳化油屬于熱力學(xué)不穩(wěn)定體系，隨環(huán)境條件的改變、放置時(shí)間變長(zhǎng)會(huì)發(fā)生油水分離、變形、破乳等不穩(wěn)定現(xiàn)象，從而影響使用效果；乳化需大功率乳化裝置，制備復(fù)雜，耗費(fèi)能量。乳化油的弊端制約了其推廣和使用。20 世紀(jì) 80 年代微乳燃油的研究，使這一領(lǐng)域進(jìn)入一個(gè)新的發(fā)展時(shí)期。微乳液是一種熱力學(xué)穩(wěn)定體系，能自發(fā)形成，粒徑小，可長(zhǎng)期穩(wěn)定存在。微乳液的技術(shù)的發(fā)展大大刺激著生物柴油的替代燃料微乳化的應(yīng)用，實(shí)現(xiàn)燃料能源的可再生性、可循環(huán)利用的綠色環(huán)保能源。

乳化配制技術(shù)進(jìn)展乳化劑的選擇從 HLB 值和不同表面活性劑間的協(xié)同效應(yīng)兩方面選擇表面活性劑。HLB 值越小，說(shuō)明表面活性劑親油性越強(qiáng)，易形成 W/O 型微乳液；反之則親水性強(qiáng)。不同燃油形成 W/O 型微乳液所需的表面活性劑的 HLB 值不同。一般來(lái)說(shuō)，形成 W/O 型燃油微乳液所需乳化劑的 HLB 值為 42。因此，先從燃油的 HLB 值選擇表活性劑。其次，考慮不同表面活性劑之間的協(xié)效應(yīng)。在實(shí)際應(yīng)用中，常采用兩種或多種表面性劑復(fù)配，其協(xié)同效應(yīng)用較強(qiáng)。乳化劑可選擇離子型表面活性劑和非離子型表面活性劑。離子型表面活性劑有長(zhǎng)鏈脂肪酸鈉鹽和銨鹽、十六烷基三甲基溴化銨（CTAB）等，非離子表面活性劑有 Span、Tween、鏈脂肪酸酰胺、十二烷基-聚氧乙烯醚、壬基酚聚氧乙烯醚等。單一表面活性劑配制的柴油微乳液穩(wěn)定性較差，而兩種或多種表面活性劑復(fù)配可提高微乳液的穩(wěn)定性。

助表面活性劑制備微乳液時(shí)需選擇助表面活性劑。其主要作用為：進(jìn)一步降低界面張力；增加界面膜的流動(dòng)性；調(diào)節(jié)表面活性劑的 HLB 值。助表面活性劑可進(jìn)人界面膜中的表面活性劑分子間，降低界面膜的剛性，增加流動(dòng)性，減少微乳液形成所需的彎曲能，易形成微乳液。根據(jù) Bansal 提出的理論，烴鏈中碳原子數(shù)目具有相關(guān)性，即 Ls=La+Lc。式中，Ls為表面活性劑分子的碳原子數(shù)，La為醇分子的碳原子數(shù)，Lc為油分子的碳原子數(shù)。在配方中選擇合適的表面活性劑和助表面活性劑，可使其總含量大幅下降，從而降低成本。實(shí)驗(yàn)證明：隨著碳鏈增長(zhǎng)，醇在水中溶解度下降，在油中溶解度增加。乙醇在水中溶解度大，在界面層上吸附量低，增溶水量小。

正己醇在柴油中溶解度大，在界面層上吸附量也低，增溶水量也小。正丁醇在水和油中溶解總量最低，在界面層中吸附量最多，增溶水量最大。醇碳鏈的支鏈化程度也影響增溶水量，支鏈越多，空間位阻越大，界面膜流動(dòng)性越差，增溶水量越小。異戊醇存在支鏈，增溶水量比正戊醇小。對(duì)所有醇，添加量過(guò)高，界面膜流動(dòng)性太強(qiáng)，液滴間相互吸引作用開始起主要作用，增溶水量會(huì)下降。

完善燃料性能的助劑電解質(zhì)的影響微乳狀液的形成過(guò)程中，適量加入電解質(zhì)（NH4NO3、NaCl 等），可以降低表面活性劑的加入量，使表面活性劑效率增加。

乳化燃料油的研究進(jìn)展國(guó)內(nèi)乳化燃油的研究?jī)H有十幾年的歷史3。1988年，盛宏至等研究了乳化摻水柴油噴霧高溫和高壓環(huán)境中的微爆及燃燒節(jié)油機(jī)理。1998 年，葛陽(yáng)等研究了單滴乳化燃油的微爆模型和微爆規(guī)律，并解釋了乳化油滴的“冷滴”、“無(wú)水層生成”等機(jī)理。周雅文等4研究了汽油的微乳化技術(shù)；賀占博等56在柴油微乳液配制及其燃燒值提高方面作了多方面研究。張強(qiáng)等研究了油酸/氨水-燃油-醇-水微乳體系形成過(guò)程的熱力學(xué)，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，助表面活劑醇、燃油種類、燃油含量、環(huán)境溫度等因素卻影響此過(guò)程熱力學(xué)函數(shù)的變化。在微乳液形成的過(guò)程中，助表面活性劑醇從油相進(jìn)入微乳液界面層的標(biāo)準(zhǔn)自由能變化 ΔGs