王永利,王立华,史建国,张江伟,李维爽

(河北北方学院理学院,河北张家口075000)

随着国际石油价格的不断飙升,“节能降耗”已成为中国经济社会发展中备受关注的词汇.近年来,机动车拥有量不断增加,截止至2009年8月底全国机动车拥有量已达1.8亿辆.汽油作为汽车的主要燃料,其消耗量也随之快速增长,年消耗量已超过1.2亿t.巨大的汽油消耗不仅对日益枯竭的石油能源造成巨大的压力,同时大量燃油燃烧不当所排放的浮碳、碳氢化合物、一氧化碳和氮氧化物也成为大中城市的主要污染物来源[1].乳化汽油可以减少污染,降低能耗,因此在节能和环保方面有十分重要的应用.

到目前为止,一些发达国家基本上实现了乳化燃料油,然而乳化油作为内燃机燃料,还不能广泛地应用,主要原因有：(1)成本问题,即此技术需采用价格较贵的表面活性剂才能制得稳定的乳化油；(2)稳定性,即要求制得的乳化汽油在一定的温度范围内,稳定存在30 d以上；(3)结炭和腐蚀问题,即要求所有的表面活性剂尽可能地容易分解,完全燃烧后的产物对机器无腐蚀.中国乳化燃油的研究仅有十几年的历史,如王利坡等[2]研究了单滴乳化燃油的微爆模型和微爆规律,醇的加入量、表面活性剂与正丁醇的比例以及表面活性剂复配对形成乳化汽油的影响；吴可克等[3]对乳化方式、助表面活性剂与阳离子表面活性剂之间的关系进行了研究；何从林等对W/O型微乳液相行为的分析[4]；张坤玲等研究了用H LB值来选择乳化剂[5]；本文参照上述理论研究,通过筛选表面活性剂,研究了乳化剂的HLB值、掺水量、乳化剂用量、助乳化剂、助乳化剂用量、乳化时间、乳化温度等一系列乳化条件与乳化效果间的关系,找出了一种乳化成本低廉、乳化油性质稳定的优良配方,以用于推广应用.

1 材料与方法

1.1 实验仪器与试剂

1.1.1 实验仪器 CJ-1型磁力搅拌器 (北京医用离心机厂)；JA2003型电子天平 (上海精密科学仪器有限公司)；CX-250超声波清洗器 (北京医疗设备二厂)；锥形瓶；滴管.

1.1.2 实验试剂 90#汽油,去离子水 (已超声),CTAB(国药集团化学试剂有限公司,分析纯),SDS(北京西中化工厂,化学纯),Span80(天津天大化工实验厂,化学纯),Tween40(天津北方天医化学试剂厂,分析纯),Tween60(天津津华永盛科贸有限公司,化学纯),Tween80(天津北方天医化学试剂厂,化学纯),正丁醇 (天津北方助剂研究所,分析纯),异戊醇 (天津永达化学试剂开发中心,分析纯),1-庚醇 (中国医药集团上海化学试剂公司,化学纯),十二醇 (国药集团化学试剂有限公司,化学纯).

1.2 实验方法

1.2.1 实验步骤 准确称量适量的汽油,放入锥形瓶中,根据实验条件分别称取亲油型和亲水型表面活性剂加到锥形瓶中,在磁力搅拌器上边搅拌边滴加水,待水和油混合较均匀后,滴加助乳化剂,开始计录乳化时间.乳化一定时间后将乳化油倒入样品瓶中,观察乳化油的稳定性.

1.2.2 稳定性的判断 乳液的稳定性与分散相的粒径有密切关系,分散相的粒径越小,乳液的稳定性越高,而分散相粒径与乳液外观特征的关系如下表1：

表1 分散相粒径和乳液外观特征间的关系

故可通过乳液的外观特征来判断乳液的稳定性[6].

2 结果与分析

2.1 乳化剂对汽油乳化效果的影响

2.1.1 单一的乳化剂对汽油乳化效果的影响 单一的乳化剂乳化效果不佳,复配对乳化体系是有利的.一个理想的乳化剂,不仅要与油相亲和力强,而且也要与水相有较强的亲和力.把H LB值较小的乳化剂与HLB值较大的乳化剂混合使用,形成的混合膜与油相和水相都有较强的亲和力,可以同时兼顾这两方面的要求；每种乳化剂都有特定的HLB值,单一乳化剂往往很难满足多组分组成的体系的乳化要求.实验表明,单一用Span80、Tween40、Tween60、Tween80以及十二烷基硫酸钠作乳化剂所做出来的乳液不如复配后作乳化剂的稳定性高.所以,使用复配乳化剂比使用单一乳化剂效果更好.

2.1.2 不同的复配乳化剂对汽油乳化效果的影响 Span80(H LB=4.3)、Tween40(HLB=15)、Tween60(HLB=14.9)、Tween80(HLB=15.6)、十二烷基硫酸钠 (HLB=12.3)之间的任何复配都不能达到理想效果,结果见下表2：

表2 不同的复配乳化剂对汽油乳化效果的影响

选择H LB值最小的Span80(HLB=4.3)与其它表面活性剂复配,其中阳离子表面活性剂十六烷基三甲基溴化铵 (HLB=15.8)与Span80的HLB值相差较大,乳化的效果较好.

2.1.3 不同HLB值的乳化剂对汽油乳化效果的影响 固定其他条件后,不同HLB值的乳化剂对汽油乳化效果的影响如表3：

表3 不同HLB值的乳化剂对汽油乳化效果的影响

由上表可知,当复配乳化剂HLB值为10.0时乳化效果最好.

2.1.4 乳化剂用量和乳化剂加入方式对乳化效果的影响 固定其它条件,仅改变乳化剂用量进行实验.实验结果见下表4.

表4 乳化剂用量的选择

由上表可知：90#汽油适宜的乳化剂用量为5.0%左右.表面活性剂的加入使界面张力降低,随着表面活性剂加入量的增加,界面张力不断降低.当表面活性剂的浓度达到一定值时,界面张力的变化不明显.

复配乳化剂的加入方式有两种,通过实验得知,把亲油的表面活性剂溶于油中,再放入亲水表面活性剂,边搅拌边滴加水,然后加入助表面活性剂,该方式得到的样品较稳定,且在一定程度上提高了乳化油的掺水量.

2.2 助乳化剂对乳化效果的影响

2.2.1 不同的助乳化剂对乳化效果的影响 表5的实验结果显示：异戊醇作助乳化剂的乳化效果最好.

表5 不同的助乳化剂对乳化效果的影响

2.2.2 醇的加入量对乳化效果的影响

表6 醇的加入量对乳化效果的影响

表6实验结果表明：助乳化剂异戊醇与乳化剂的最佳质量比约为1.0∶6.6.

2.3 其它因素对乳化效果的影响

2.3.1 乳化方式对乳化效果的影响 常见的乳化方式可分为超声乳化和机械乳化两种.超声乳化具有效率高、可靠性好等优点,并且可以使液滴粒径减小、分布更加均匀；机械乳化设备较简单,易于维护,乳化效果明显,已完全能满足实际需要.考虑到以后的推广问题,选择机械乳化较符合实际.

2.3.2 掺水量对乳化效果的影响 实验显示逐滴滴加效果更好.对水的加入量实验结果见下表：

表7 掺水量对乳化效果的影响

由表7可知：当加入5.0ml水时体系稳定,此时掺水量为10.0%.

2.3.3 乳化时间对乳化效果的影响 考察乳化时间对乳化效果的影响,结果如下：

表8 乳化时间对乳化效果的影响

实验显示,较长的乳化时间对乳化效果不一定有利.对于Span80和CTAB复配成乳化剂的乳液体系,搅拌30 min就能达到较好的乳化效果,适当延长乳化时间可以增加体系的稳定性.乳化时间过长虽然能使乳液稳定,但作用不大.考虑到今后的扩大再生产,乳化时间采用30 min较适宜,并可降低生产成本.

2.3.4 乳化温度对乳化效果的影响 乳化温度高,分子动能增加,热运动加剧,不利于表面活性剂的定向吸附.乳化温度太低表面活性剂的亲水亲油性变差,不能将汽油有效地乳化.汽油属易挥发物质,温度越高,挥发越快.乳化温度过高会损失大量汽油,而在低温下,乳化过程缓慢.实验表明采用室温操作,就可达到较好的乳化效果,且大大简化了乳化工艺.

3 结 论

通过实验可以得出最佳乳化条件：乳化剂用量5.0%,其中Span80与CTAB二者复配后的HLB值为10.0,即质量比为0.5043∶0.4957,掺水量10.0%,助乳化剂异戊醇与乳化剂的质量比约为1.0∶6.6,乳化时间30 min.在以上的条件下乳化可以得到外观澄清透明的乳化汽油,该乳化汽油常温放置300 d外观无变化,稳定性较高,可以满足实际需要.

[1] 周雅文,张高勇,王红霞.汽油微乳化技术研究[J].日用化学工业,2002,32(02)：1-4

[2] 王利坡,傅维标.乳化油微爆的统一模型[J].燃烧科学与技术,2001,19(04)：327-332

[3] 吴可克,高学明.汽油微乳液的制备与性能研究[J].节能技术,2003,21(05)：14-16

[4] 何从林,王伯初.W/O型微乳液相行为的分析[J].重庆大学学报,2003,26(05)：52-54

[5] 张坤玲,李瑞珍,卢玉妹,等.HLB值与乳化剂的选择[J].石家庄职业技术学院学报,2004,16(06)：20-22

[6] 陈剑波,孟巨光,叶建忠.阳离子蜡乳液的制备工艺[J].化学工艺与工程,2006,23(04)：336-338