一種乙醇柴油的微乳化性能研究*

吳鑒臻， 王相福， 閆 鋒**

（1.遼寧石油化工大學 石油化工學院，遼寧 撫順 113001；2.中石油撫順石化公司 石油二廠，遼寧 撫順113003）

一種乙醇柴油的微乳化性能研究*

吳鑒臻1， 王相福2， 閆 鋒1**

（1.遼寧石油化工大學 石油化工學院，遼寧 撫順 113001；2.中石油撫順石化公司 石油二廠，遼寧 撫順113003）

針對乙醇與柴油互溶性差的特點，采用添加表面活性劑脂肪醇聚氧乙烯醚（AEO3）和助溶劑正戊醇的方法，改變乙醇柴油的微乳化性能。并通過實驗考察了它們的最佳復配比，通過乙醇、柴油、穩定劑體系的擬三元相圖，考察了溫度對其穩定性的影響。最后對乙醇柴油的主要物性進行了測定。通過一系列實驗得知，醇類可以作為乙醇柴油混合燃料的助溶劑，正戊醇的助溶效果相對較好；隨著溫度的降低，乙醇柴油的微乳化液會逐漸變渾濁，最終會分離；乙醇、助溶劑和表面活性劑的加入會降低乙醇柴油的閃點；表面活性劑AEO3作為乳化劑，在醇類穩定劑助溶下（例如AEO3∶正戊醇=1∶4）制成的乙醇柴油微乳液，穩定時間可達二個月以上。

乙醇；柴油；表面活性劑；助溶劑；脂肪醇聚氧乙烯醚（AEO3）；正戊醇

前 言

由于受到石油資源日益枯竭的威脅以及全世界對環境保護的高度重視，傳統的石油燃料汽油和柴油的使用面臨著極大的挑戰[1]。因此，如何節約石油燃料的消耗，降低環境的污染，已成為當今世界科技界關注的焦點之一，世界各國也在不同程度上加緊對汽車替代燃料和混合燃料進行開發利用[2]。

乙醇柴油是傳統柴油的替代燃料。從植物中提取的乙醇作為一種可再生的含氧燃料，具有大規模的生產潛力[3]。但由于結構和性質的差異，乙醇柴油的相溶性較差。向乙醇柴油中添加助溶劑又增大了柴油的生產成本，以上因素在不同程度上都阻礙了乙醇柴油的推廣應用。今后乙醇柴油的研究重點應是向開發高效、經濟實用的助溶劑方向發展，降低乙醇柴油的成本；同時在使用乙醇柴油時也應采取降低NOx的技術措施，更大程度地減小對環境的污染[4]。

本研究針對乙醇與柴油互溶性差的特點，通過微乳化的手段，得到性質相對穩定的乙醇柴油，并對其重要性質進行了測定，通過與0#柴油的性質進行對比，對其進行了分析。

（注：本文中所提及的乙醇柴油均為柴油與乙醇體積比為9∶1）。

1 研究方法

1.1 試驗材料

0#柴油（市售）、工業乙醇、脂肪醇聚氧乙烯醚（AEO3）、甲醇、正戊醇、正庚醇、正丙醇、正癸醇、蒸餾水。

1.2 實驗原理

柴油是多沸程有機物的混合物，而乙醇是具有單一沸點的化合物。它們混合后，其混合物的蒸餾曲線與混合前各自的沸點或蒸餾曲線均有區別。研究證明，在醇類中含C原子數越大，其物性更接近于柴油[5]。因此，利用正戊醇作為助溶劑。既可把正戊醇作為代用燃料的一部分，又可顯著提高乙醇與柴油的互溶度。通過改變助溶劑的加入量，使乙醇與柴油在不同的溫度下均能完全互溶。同時，正戊醇的C原子數比乙醇更接近于柴油的C原子數，這符合相似相溶原理[6]。

本實驗通過用表面活性劑脂肪醇聚氧乙烯醚（AEO3）和助溶劑正戊醇復配研制出一種使乙醇和柴油形成穩定的微乳化混合燃料的穩定劑，并研究了該乙醇柴油體系的某些物理化學性質。

1.3 實驗所用工業乙醇與柴油的主要理化性能

表1 實驗所用工業乙醇與柴油的主要理化性能Table 1 The main physical and chemical properties of industrial ethanol and diesel for the experiment

2 實驗步驟

2.1 表面活性劑的篩選

表面活性劑既有親油基團，又有親水基團。根據選擇乳化劑的一般原則,要形成油包水（W/O）型微乳液,要求乳化劑的親油性較強,其HLB值通常在3～9之間[7]。但對于具體的體系,特別是油相的性質,還需進一步考慮表面活性劑的結構。通過查閱文獻，結合實驗室具體情況，本實驗用脂肪醇聚氧乙烯醚（AEO3）做表面活性劑。

2.2 助溶劑的篩選

助溶劑一般要選擇中長碳鏈的脂肪醇、醚或胺等，醇類助溶劑的效果比芳烴、酯類的效果好，在離子型的表面活性劑中加入中長碳鏈的脂肪醇,可降表面低活性劑離子基團間的靜電斥力,有助于表面活性劑在油水界面吸附。而在非離子型表面活性劑中加入中長鏈的脂肪醇,將有利于表面活性劑在界面上有序排列,進一步降低界面張力和表面活性劑的臨界膠束濃度,增加界面膜強度。從界面的吸附角度考慮,直鏈助溶劑比支鏈的更合適[8]。實驗結果見表2。

表2 乙醇柴油中滴加使其變澄清的助溶劑的添加量Table 2 The addition amount of cosolvent which makes the ethanol diesel clarified

表2數據顯示的是在乙醇柴油中分別滴加不同醇使溶液變澄清時所需醇的添加量。從表中實驗結果可以看出，助溶劑為甲醇或乙醇時，無論加多少助溶劑，溶液都不能變澄清，靜置后分層，所以選做助溶劑的醇類的碳原子數應大于2。從表2可以看出，加入醇助溶劑后，乙醇在柴油中的最大溶解量顯著增大。碳醇中碳原子數低于1O（正癸醇）時，隨著碳原子數增加效果增強，正癸醇除外。溫度升高后，助溶劑的用量減少。由表2結果可知，最佳助溶劑為正戊醇。

2.3 表面活性劑與助溶劑的復配

將表面活性劑與助溶劑復配使用，具有協同作用，可進一步降低界面張力，形成牢固的界面膜，增加乳液穩定性[9]。根據上述實驗結果，選擇脂肪醇聚氧乙烯醚與正戊醇復配。在室溫條件下，向乙醇柴油中加入一定量的表面活性劑，不斷攪拌，再滴加正戊醇至體系透明，靜置一段時間不分層，結果見表3。

表3 表面活性劑與正戊醇的復配Table 3 The compounding between surfactant and pentanol

由表3可見，AEO3做表面活性劑，正戊醇做助溶劑，隨著AEO3的用量增加，要使溶液變澄清，正戊醇的用量也增加，前三組和第五組AEO3與正戊醇的復配比大概為1∶6，但是穩定劑所占質量分數相對較大，第四組與第六組的復配比為1∶4，并且第六組的穩定劑所占質量分數為8.82,比其它組的小，第七組的復配比大概為1∶8，考慮經濟效益的情況下，最終確定最佳復配比為1:4。

2.4 AEO3與正戊醇復配后對乙醇柴油體系的影響

乙醇柴油自然環境下存放，容易產生的兩個問題：一是乙醇不斷揮發導致乙醇柴油中乙醇的自然損失；二是由于體系中存在的乙醇吸收周圍環境中的水分而導致體系水含量升高，從而造成油水分層，因此需要驗證乙醇柴油的儲存穩定性[10]。方法如下，用上述比例的穩定劑滴定乙醇柴油，使其變澄清，靜置（閉口放置）。通過實驗測定，在不同溫度下，乙醇柴油穩定的時間在AEO3與正戊醇的復配比為1∶4時，其穩定時間都在兩個月以上。

3 乙醇、柴油、穩定劑體系的擬三元相圖

為進一步了解乙醇/柴油/AEO3-正戊醇的相行為,采用擬三元相圖表示組分間的相容性,見下表（其中A為乙醇，B為柴油，C為穩定劑）。

從圖1可以看出，曲線上方是微乳區，下方是兩相區，在25℃時，乙醇柴油體系均有一個微乳區，兩個兩相區。體系處于兩相區時，溶液不能均勻混合，繼續添加穩定劑，溶液慢慢變澄清，此時體系處于微乳區。

圖1 25℃時乙醇柴油體系的擬三相圖Fig.1 The pseudoternary phase diagram of ethanol diesel system at 25℃

此外，圖1可以推知，25℃時乙醇柴油的兩相區有兩個，說明當時穩定劑含量較高時，乙醇或柴油均不與穩定劑互溶。這可能是由于AEO3的凝固點較高，而穩定劑中正戊醇所占比例又較少，起不到維持微乳液界面膜穩定的作用，從而導致AEO3從液體中析出，產生渾濁。

4 測定微乳化乙醇柴油的相關指標

配制一定量乙醇柴油，以AEO3與正戊醇質量為1∶4作為復配比配制成的穩定劑滴定乙醇柴油，直至澄清，測定其重要指標，結果見表4。

表4 微乳化乙醇柴油的主要性質測定Table 4 The characterization of main properties of microemulsified ethanol diesel

由表4可見，與0#柴油指標相比，乙醇柴油的運動黏度相對偏低，閃點偏低，其它指標都符合標準。但要注意，乙醇柴油閃點降低,遇明火易燃燒,因此需要較為嚴格的安全措施。

5 結果與討論

（1）醇類可以作為乙醇柴油混合燃料的助溶劑，但是要選擇碳數大于2的，且碳原子數小于10時（正癸醇除外），隨著醇中碳原子數增加，助溶效果變好，混合燃料的穩定性增強，而且正構醇的效果比帶支鏈醇好；隨溫度的升高，乙醇柴油混合燃料的穩定性變好。正戊醇是相對較好的助溶劑。

（2）溫度是影響乙醇柴油穩定性的一個重要因素。溫度升高，乙醇柴油所需要的穩定劑的量會減少。從三相圖可以推知，隨著溫度的降低，乙醇柴油的微乳化液會逐漸變渾濁，最終會分離。

（3）乙醇、助溶劑和表面活性劑的加入會降低乙醇柴油的閃點，但對其它指標影響小。

（4）以表面活性劑AEO3作為乳化劑，在醇類穩定劑助溶下（例如AEO3∶正戊醇=1∶4）制成的乙醇柴油微乳液，其穩定時間可達二個月以上。

［1］許鋒，杜寶國，吳衛兵，等.在柴油機上燃用乙醇柴油的試驗研究［J］.車用發動機,2003,4：2（l44）：24～27.

［2］賀泓，石曉燕，張長斌.生物乙醇柴油的特性及其在柴油發動機上的應用［J］.石油化工,2008,37（3）：209～215.

［3］黃艷娥，徐偉，沈春紅.柴油微乳化技術中乳化劑的選擇及配方的研究［J］.化工中間體,2006（9）：20～25.

［4］李會芬，余紅東，黃錦成.以醇類為助溶劑的乙醇柴油混合燃料的試驗研究［J］.廣西大學學報：自然科學版,2010,35（2）：282～285.

［5］牛治剛.清潔燃料-乙醇柴油基本特性的研究［J］.安徽化工,2006（2）：45～47.

［6］余紅東，李會芬，莫海俊，等.乙醇柴油混合燃料助溶劑的試驗研究［J］.裝備制造技術,2009（8）：32～35.

［7］古文英,史權,彭勃,等.乙醇柴油的研究現狀［J］.西安石油大學學報：自然科學版,2006,19（6）：57～62.

［8］王忠玲.微乳化油概述［J］.山東化工,2008,32：2～26.

［9］李會芬，李雙定，黃錦成.室溫下正丁醇作為乙醇一柴油混合燃料助溶劑的試驗研究［J］.裝備制造技術,2007（11）：4～5.

［10］古文英,史權,彭勃,等.乙醇柴油的物化性質研究米［J］.煉油技術與工程,2005,35（5）：39～42.

Study on the Micro-emulsifying Property of Ethanol-diesel

WU Jian-zhen1,WANG Xiang-fu2and YAN Feng1
（1.College of Petrochemical Engineering,Liaoning Shihua University,Fushun 113001,China;2.Fushun Petrochemical NO.2 Company,China Petroleum,Fushun 113003,China）

In order to improve the poor miscibility of ethanol and diesel,the micro-emulsifying property of ethanol-diesel was modified by adding surfactant AEO3and cosolvent pentanol.The optimum compounding ratio of AEO3to pentanol was investigated by experiment.And the effect of temperature on stability was studied through the pseudoternary phase diagram of ethanol,diesel and stabilizer.Finally,the main physical properties of ethanol-diesel were tested.Through a series of experiments,it was found that the alcohols could be used as the cosolvent of ethanol diesel fuel combination,and the pentanol had relatively better effect.With the decrease of temperature,the ethanol-diesel micro-emulsion would gradually become turbid,and eventually be separated;the addition of ethanol,cosolvent and surfactant would reduce the flash point of ethanol diesel;with using the surfactant AEO3as emulsifiers and the alcohol stabilizer （for example AEO3∶pentanol=1∶4）as the cosolvent,the prepared ethanol diesel microemulsion would have a long stable period which was over two months.

Ethanol;diesel;surfactant;cosolvent;AEO3;pentanol

T E626.26

A

1001-0017（2012）06-0030-04

2012-05-24 *

軋制技術及連軋自動化國家重點實驗室(東北大學)資助項目（編號：2009008）

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吳鑒臻（1984-），男，四川閬中人，在讀碩士，研究方向，清潔燃料生產。