一种乙醇柴油的微乳化性能研究*

吴鉴臻， 王相福， 闫 锋**

（1.辽宁石油化工大学 石油化工学院，辽宁 抚顺 113001；2.中石油抚顺石化公司 石油二厂，辽宁 抚顺113003）

一种乙醇柴油的微乳化性能研究*

吴鉴臻1， 王相福2， 闫 锋1**

（1.辽宁石油化工大学 石油化工学院，辽宁 抚顺 113001；2.中石油抚顺石化公司 石油二厂，辽宁 抚顺113003）

针对乙醇与柴油互溶性差的特点，采用添加表面活性剂脂肪醇聚氧乙烯醚（AEO3）和助溶剂正戊醇的方法，改变乙醇柴油的微乳化性能。并通过实验考察了它们的最佳复配比，通过乙醇、柴油、稳定剂体系的拟三元相图，考察了温度对其稳定性的影响。最后对乙醇柴油的主要物性进行了测定。通过一系列实验得知，醇类可以作为乙醇柴油混合燃料的助溶剂，正戊醇的助溶效果相对较好；随着温度的降低，乙醇柴油的微乳化液会逐渐变浑浊，最终会分离；乙醇、助溶剂和表面活性剂的加入会降低乙醇柴油的闪点；表面活性剂AEO3作为乳化剂，在醇类稳定剂助溶下（例如AEO3∶正戊醇=1∶4）制成的乙醇柴油微乳液，稳定时间可达二个月以上。

乙醇；柴油；表面活性剂；助溶剂；脂肪醇聚氧乙烯醚（AEO3）；正戊醇

前 言

由于受到石油资源日益枯竭的威胁以及全世界对环境保护的高度重视，传统的石油燃料汽油和柴油的使用面临着极大的挑战[1]。因此，如何节约石油燃料的消耗，降低环境的污染，已成为当今世界科技界关注的焦点之一，世界各国也在不同程度上加紧对汽车替代燃料和混合燃料进行开发利用[2]。

乙醇柴油是传统柴油的替代燃料。从植物中提取的乙醇作为一种可再生的含氧燃料，具有大规模的生产潜力[3]。但由于结构和性质的差异，乙醇柴油的相溶性较差。向乙醇柴油中添加助溶剂又增大了柴油的生产成本，以上因素在不同程度上都阻碍了乙醇柴油的推广应用。今后乙醇柴油的研究重点应是向开发高效、经济实用的助溶剂方向发展，降低乙醇柴油的成本；同时在使用乙醇柴油时也应采取降低NOx的技术措施，更大程度地减小对环境的污染[4]。

本研究针对乙醇与柴油互溶性差的特点，通过微乳化的手段，得到性质相对稳定的乙醇柴油，并对其重要性质进行了测定，通过与0#柴油的性质进行对比，对其进行了分析。

（注：本文中所提及的乙醇柴油均为柴油与乙醇体积比为9∶1）。

1 研究方法

1.1 试验材料

0#柴油（市售）、工业乙醇、脂肪醇聚氧乙烯醚（AEO3）、甲醇、正戊醇、正庚醇、正丙醇、正癸醇、蒸馏水。

1.2 实验原理

柴油是多沸程有机物的混合物，而乙醇是具有单一沸点的化合物。它们混合后，其混合物的蒸馏曲线与混合前各自的沸点或蒸馏曲线均有区别。研究证明，在醇类中含C原子数越大，其物性更接近于柴油[5]。因此，利用正戊醇作为助溶剂。既可把正戊醇作为代用燃料的一部分，又可显著提高乙醇与柴油的互溶度。通过改变助溶剂的加入量，使乙醇与柴油在不同的温度下均能完全互溶。同时，正戊醇的C原子数比乙醇更接近于柴油的C原子数，这符合相似相溶原理[6]。

本实验通过用表面活性剂脂肪醇聚氧乙烯醚（AEO3）和助溶剂正戊醇复配研制出一种使乙醇和柴油形成稳定的微乳化混合燃料的稳定剂，并研究了该乙醇柴油体系的某些物理化学性质。

1.3 实验所用工业乙醇与柴油的主要理化性能

表1 实验所用工业乙醇与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 实验步骤

2.1 表面活性剂的筛选

表面活性剂既有亲油基团，又有亲水基团。根据选择乳化剂的一般原则,要形成油包水（W/O）型微乳液,要求乳化剂的亲油性较强,其HLB值通常在3～9之间[7]。但对于具体的体系,特别是油相的性质,还需进一步考虑表面活性剂的结构。通过查阅文献，结合实验室具体情况，本实验用脂肪醇聚氧乙烯醚（AEO3）做表面活性剂。

2.2 助溶剂的筛选

助溶剂一般要选择中长碳链的脂肪醇、醚或胺等，醇类助溶剂的效果比芳烃、酯类的效果好，在离子型的表面活性剂中加入中长碳链的脂肪醇,可降表面低活性剂离子基团间的静电斥力,有助于表面活性剂在油水界面吸附。而在非离子型表面活性剂中加入中长链的脂肪醇,将有利于表面活性剂在界面上有序排列,进一步降低界面张力和表面活性剂的临界胶束浓度,增加界面膜强度。从界面的吸附角度考虑,直链助溶剂比支链的更合适[8]。实验结果见表2。

表2 乙醇柴油中滴加使其变澄清的助溶剂的添加量Table 2 The addition amount of cosolvent which makes the ethanol diesel clarified

表2数据显示的是在乙醇柴油中分别滴加不同醇使溶液变澄清时所需醇的添加量。从表中实验结果可以看出，助溶剂为甲醇或乙醇时，无论加多少助溶剂，溶液都不能变澄清，静置后分层，所以选做助溶剂的醇类的碳原子数应大于2。从表2可以看出，加入醇助溶剂后，乙醇在柴油中的最大溶解量显著增大。碳醇中碳原子数低于1O（正癸醇）时，随着碳原子数增加效果增强，正癸醇除外。温度升高后，助溶剂的用量减少。由表2结果可知，最佳助溶剂为正戊醇。

2.3 表面活性剂与助溶剂的复配

将表面活性剂与助溶剂复配使用，具有协同作用，可进一步降低界面张力，形成牢固的界面膜，增加乳液稳定性[9]。根据上述实验结果，选择脂肪醇聚氧乙烯醚与正戊醇复配。在室温条件下，向乙醇柴油中加入一定量的表面活性剂，不断搅拌，再滴加正戊醇至体系透明，静置一段时间不分层，结果见表3。

表3 表面活性剂与正戊醇的复配Table 3 The compounding between surfactant and pentanol

由表3可见，AEO3做表面活性剂，正戊醇做助溶剂，随着AEO3的用量增加，要使溶液变澄清，正戊醇的用量也增加，前三组和第五组AEO3与正戊醇的复配比大概为1∶6，但是稳定剂所占质量分数相对较大，第四组与第六组的复配比为1∶4，并且第六组的稳定剂所占质量分数为8.82,比其它组的小，第七组的复配比大概为1∶8，考虑经济效益的情况下，最终确定最佳复配比为1:4。

2.4 AEO3与正戊醇复配后对乙醇柴油体系的影响

乙醇柴油自然环境下存放，容易产生的两个问题：一是乙醇不断挥发导致乙醇柴油中乙醇的自然损失；二是由于体系中存在的乙醇吸收周围环境中的水分而导致体系水含量升高，从而造成油水分层，因此需要验证乙醇柴油的储存稳定性[10]。方法如下，用上述比例的稳定剂滴定乙醇柴油，使其变澄清，静置（闭口放置）。通过实验测定，在不同温度下，乙醇柴油稳定的时间在AEO3与正戊醇的复配比为1∶4时，其稳定时间都在两个月以上。

3 乙醇、柴油、稳定剂体系的拟三元相图

为进一步了解乙醇/柴油/AEO3-正戊醇的相行为,采用拟三元相图表示组分间的相容性,见下表（其中A为乙醇，B为柴油，C为稳定剂）。

从图1可以看出，曲线上方是微乳区，下方是两相区，在25℃时，乙醇柴油体系均有一个微乳区，两个两相区。体系处于两相区时，溶液不能均匀混合，继续添加稳定剂，溶液慢慢变澄清，此时体系处于微乳区。

图1 25℃时乙醇柴油体系的拟三相图Fig.1 The pseudoternary phase diagram of ethanol diesel system at 25℃

此外，图1可以推知，25℃时乙醇柴油的两相区有两个，说明当时稳定剂含量较高时，乙醇或柴油均不与稳定剂互溶。这可能是由于AEO3的凝固点较高，而稳定剂中正戊醇所占比例又较少，起不到维持微乳液界面膜稳定的作用，从而导致AEO3从液体中析出，产生浑浊。

4 测定微乳化乙醇柴油的相关指标

配制一定量乙醇柴油，以AEO3与正戊醇质量为1∶4作为复配比配制成的稳定剂滴定乙醇柴油，直至澄清，测定其重要指标，结果见表4。

表4 微乳化乙醇柴油的主要性质测定Table 4 The characterization of main properties of microemulsified ethanol diesel

由表4可见，与0#柴油指标相比，乙醇柴油的运动黏度相对偏低，闪点偏低，其它指标都符合标准。但要注意，乙醇柴油闪点降低,遇明火易燃烧,因此需要较为严格的安全措施。

5 结果与讨论

（1）醇类可以作为乙醇柴油混合燃料的助溶剂，但是要选择碳数大于2的，且碳原子数小于10时（正癸醇除外），随着醇中碳原子数增加，助溶效果变好，混合燃料的稳定性增强，而且正构醇的效果比带支链醇好；随温度的升高，乙醇柴油混合燃料的稳定性变好。正戊醇是相对较好的助溶剂。

（2）温度是影响乙醇柴油稳定性的一个重要因素。温度升高，乙醇柴油所需要的稳定剂的量会减少。从三相图可以推知，随着温度的降低，乙醇柴油的微乳化液会逐渐变浑浊，最终会分离。

（3）乙醇、助溶剂和表面活性剂的加入会降低乙醇柴油的闪点，但对其它指标影响小。

（4）以表面活性剂AEO3作为乳化剂，在醇类稳定剂助溶下（例如AEO3∶正戊醇=1∶4）制成的乙醇柴油微乳液，其稳定时间可达二个月以上。

［1］许锋，杜宝国，吴卫兵，等.在柴油机上燃用乙醇柴油的试验研究［J］.车用发动机,2003,4：2（l44）：24～27.

［2］贺泓，石晓燕，张长斌.生物乙醇柴油的特性及其在柴油发动机上的应用［J］.石油化工,2008,37（3）：209～215.

［3］黄艳娥，徐伟，沈春红.柴油微乳化技术中乳化剂的选择及配方的研究［J］.化工中间体,2006（9）：20～25.

［4］李会芬，余红东，黄锦成.以醇类为助溶剂的乙醇柴油混合燃料的试验研究［J］.广西大学学报：自然科学版,2010,35（2）：282～285.

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

［6］余红东，李会芬，莫海俊，等.乙醇柴油混合燃料助溶剂的试验研究［J］.装备制造技术,2009（8）：32～35.

［7］古文英,史权,彭勃,等.乙醇柴油的研究现状［J］.西安石油大学学报：自然科学版,2006,19（6）：57～62.

［8］王忠玲.微乳化油概述［J］.山东化工,2008,32：2～26.

［9］李会芬，李双定，黄锦成.室温下正丁醇作为乙醇一柴油混合燃料助溶剂的试验研究［J］.装备制造技术,2007（11）：4～5.

［10］古文英,史权,彭勃,等.乙醇柴油的物化性质研究米［J］.炼油技术与工程,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 *

轧制技术及连轧自动化国家重点实验室(东北大学)资助项目（编号：2009008）

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吴鉴臻（1984-），男，四川阆中人，在读硕士，研究方向，清洁燃料生产。