地沟油在乳化炸药中的应用

王道阳，申夏夏，马怀田，汪志鸿，黄文尧

（安徽理工大学化学工程学院，安徽 淮南，232001）

地沟油在乳化炸药中的应用

王道阳，申夏夏，马怀田，汪志鸿，黄文尧

（安徽理工大学化学工程学院，安徽 淮南，232001）

采用化学方法将地沟油转换成生物柴油，以生物柴油为油相材料制备乳化炸药，对乳化炸药的热分解、爆速、储存稳定性进行了测定，并与使用复合蜡制备的乳化炸药进行比较。结果表明：使用生物柴油制备的乳化炸药的热稳定性好，放热量与复合蜡制备的乳化炸药接近，且爆速高，但药态稀软不耐储存，适合用作现场混装的油相材料或与粘度大的石油蜡按比例混合使用。

乳化炸药；地沟油；生物柴油；油相材料

乳化炸药是一种油包水型的乳胶状炸药。油相材料的质量和性能直接关系到乳化炸药的药态、爆炸性能和稳定性［1］。理论上认为，石油产品都可以充当乳化炸药油相材料，如果油相材料选择得当，不仅能提高爆炸性能和储存稳定性，而且还能降低成本［2］。地沟油泛指在生活中存在的各类劣质油，如回收的食用油、反复使用的食物油等，对人体的危害极大。而在国外地沟油是一种优质资源，是制取脂肪酸、肥皂、甘油、生物柴油、航空油等化工产品的原料之一。目前我国餐饮业每年产生的地沟油高达500万吨，开发利用地沟油作为新能源，不仅可以提高资源的利用率，创造经济价值，还能使地沟油得到较好的治理和应用。薛世忠［3］提出了按一定比例将地沟油与石蜡、地蜡等乳化炸药常用蜡混合，作为油相材料制备乳化炸药的方法。但是因为地沟油是动物油与植物油的混合物，常温下不稳定，放置后容易分层，与乳化剂的相容性差。

研究发现以植物油为主的地沟油一般由14～18个碳链组成，而柴油分子是由15个左右的碳链组成，因此将地沟油再生为生物柴油的研发便成了国内外专家的主攻方向［4］。将地沟油转化成生物柴油，不仅化废为宝实现了能源的再生，而且健康环保。将其用作乳化炸药的油相材料，对于拓展炸药油相原料来源具有重要意义。本研究采用化学方法把地沟油转化成生物柴油，使用该生物柴油制备乳化炸药，同时检测了乳化炸药的热分解、爆速及储存性能。

1　实验部分

1.1实验试剂与器材

试剂：硝酸铵、硝酸钠，工业级；sp-80，工业级；亚硝酸钠、磷酸、浓硫酸、氢氧化钠、甲醇，化学纯；水，蒸馏水，地沟油，等。

仪器：电子分析天平，电子称，铁架台，乳化器，三口烧瓶，滴定管，温度计，分液漏斗，恒温水浴槽，搅拌器，C80微热量热仪（Seteram公司生产），DDS-307型实验室电导率仪等。

1.2地沟油制备生物柴油

地沟油的主要成分是长碳链的甘油三酯。生物柴油是以废弃动植物油为原料油，通过酯交换工艺制成的可代替石化柴油的再生性柴油燃料。因为地沟油通常含有大量的游离脂肪酸，如硬脂酸、软脂酸和油酸，所以不能用碱性催化剂直接转化为生物柴油，需要先用浓硫酸作为酸性催化剂，通过水解反应预处理这些高游离脂肪酸原料，再用氢氧化钠作为碱催化剂使游离脂肪酸与甲醇进一步发生转酯化反应。反应方程式如图1～2所示。

第1步酸催化预酯化反应见图1。预酯化反应的条件为：醇油摩尔比10∶l，反应温度70℃，催化剂用量1.0%，反应时间4h［5］。

第2步碱催化转酯化反应见图2。转酯化反应的反应条件为：醇油摩尔比8∶1，反应温度70 ℃，催化剂用量为原料油质量的3.0 %，反应时间2h［6］。因为水解是可逆反应，产物中的甘油需要及时分离，以促使反应向正向进行。在将产物中的脂肪酸甲酯洗涤干燥后即可得到生物柴油。产物不需要精制，粗产品即可用作乳化炸药的油相材料。反应的主要装置如图3所示，地沟油与产物见图4。

图1　酸催化预酯化反应方程Fig.1　The reaction equation of pre-esterification by acid catalyst

图2　碱催化转酯化反应方程Fig.2　The reaction equation of transesterification by base catalyst

图3　地沟油制取生物柴油反应装置示意图Fig.3　The sketch of reactor for producing biodiesel by gutter oil

1.3乳化炸药的制备

按照1号岩石乳化炸药的配方称取硝酸铵、硝酸钠、水、sp-80和生物柴油，分别把水相材料混合加热溶解，油相材料加热熔化，按照图5所示工艺流程制备乳化炸药。其他条件不变，使用复合蜡制备乳化炸药，与之对比。排水法测定乳胶基质密度为1.35～1.38g·cm-3，化学敏化后炸药密度为1.05～1.08 g·cm-3，装药直径为32mm，装药量为150g/卷。采用生物柴油制备的乳胶基质见图6。

图5　乳化炸药制备工艺Fig.5　Preparing process of emulsion explosive

图6　使用生物柴油制备的乳胶基质Fig.6　Emulsion matrix made from biodiesel

1.4炸药性能测试

1.4.1热分解测试

使用C80微热量热仪，检测乳化炸药的放热量。C80参数设置： 起始温度25℃，保温时间1 800s；升温至：290℃，升温速率：1.5K/min；恒温：290℃，恒温时间：1 800s；降温过程：从290℃降至25℃，降温速率：1.5K/min。药量取（50±1）mg。

1.4.2爆速测试

选用DDBS-20型多段时间隔测量仪，采用电测法［7］对乳化炸药进行测试。

1.4.3储存稳定性测试

采用高低温循环法［8］：高温50℃，恒温8h，低温-16℃、恒温16h，1次高温和1次低温为1个周期，循环10个周期。然后采用DDS-307型实验室电导率仪，测试乳化炸药的电导率。

2　实验结果与分析

2.1热分解测试结果

将实验所得的数据进行处理，将处理后的实验数据以温度为x轴，热流为y轴，做出热流与温度的关系图，如图7所示。对热流速曲线在其反应区间内积分，得到该物质的反应放热量［9］，即：

式（1）中：T0为反应开始温度，Tend为反应中止温度，M0为反应性化学物质的初始量。结果如表1所示。

图7　样品的热流——温度图Fig.7　 Curve of heat flow vs temperature

表1　乳化炸药的放热量Tab.1　Heat of emulsion explosive

从图7可知，该配方下使用复合蜡制得乳化炸药的初始反应温度在200℃左右，使用生物柴油制得的乳化炸药的初始反应温度在210℃左右，说明生物柴油制备的乳化炸药的热安定性更好。因为生物柴油具有比石化柴油略高的十六烷值，一般在50～60之间［10］，所以其对能量的刺激较迟钝，更安全。

从表1可知，该配方下使用生物柴油制备的乳化炸药的放热量为3 121 kJ·kg-1，使用复合蜡制备的乳化炸药的放热量为3 341kJ·kg-1，前者的放热量比后者少6.6%，符合乳化炸药对能量的要求，从能量角度看生物柴油是制备乳化炸药的良好的含能材料。

2.2爆速测试结果

爆速为在乳化炸药制备好后24h内测得，每组测试3次，结果取平均值，见表2。

表2　乳化炸药的爆速　　　　(m·s-1)Tab.2　Detonation velocity of emulsion explosive

爆速测试结果显示：该配方下，两种油相材料制备的乳化炸药的爆速均达到5 000m·s-1以上，说明两种油相材料均可以较好地敏化。因为实验的标准误差S≤200m·s-1［11］，所以使用生物柴油制备的乳化炸药爆速比使用复合蜡制备的乳化炸药的爆速高出300m·s-1不是由测试误差引起的。而是因为复合蜡的粘度比生物柴油的粘度大，在采用化学发泡工艺的条件下，粘度小的油相比粘度大的油相更容易发泡［12］，所以使用生物柴油的乳化炸药的爆速更高。

2.3储存期测试结果

高低温循环之前，两种乳化炸药的电导率测试均为0，高低温循环之后乳化炸药的电导率见表3。

表3　 循环10个周期后乳化炸药的电导率Tab.3　Electrical conductivity of emulsion explosive after 10 cycles of high and low temperature test

由实验结果可知，经过10个高低温循环后，使用复合蜡的乳化炸药基本不导电，说明乳胶粒子油包水的结构未发生破坏，而使用生物柴油的乳化炸药电导率增大到3.53μs/cm，说明后者已经发生了一定程度的破乳。破乳主要是因为生物柴油的粘度小，制备的乳化炸药药态稀软，不耐储存。因此生物柴油最好用作现场混装的油相材料，或者通过在生物柴油中添加粘度较大的石油产品来提高油相的粘度，从而延长乳化炸药的储存期，同时也能降低油相材料的成本。

3　结论

（1）采用化学方法把地沟油转化成生物柴油，使用生物柴油作为油相材料可以制备乳化炸药。

（2）使用地沟油转化的生物柴油制备的乳化炸药比使用复合蜡制备的乳化炸药的热安定性好，安全性更高。且放热量与复合蜡制备的乳化炸药接近，符合乳化炸药对能量的要求，从能量角度看该生物柴油是制备乳化炸药的良好的含能材料。

（3）由地沟油制备的生物柴油的粘度小，敏化时容易发泡，用其制备的乳化炸药的爆速高，但药态稀软，容易破乳不耐储存。因此该生物柴油最好用作现场混装的油相材料，或者把生物柴油与粘度较大的石油产品混合使用，提高油相粘度，从而延长乳化炸药的储存期，同时达到降低油相材料成本的目的。

［1］ 张建雨，吕全海，胡景娜，等.植物型乳化炸药专用复合蜡的研究［J］.石油炼制与化工，2008，39（5）∶59-61.

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［10］ 陈振斌，蒋盛军，肖明伟，等.生物柴油与石化柴油性能的比较分析［J］.中国油脂，2008，33（11）∶1-3.

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［12］ 黄文尧，颜事龙.炸药化学与制造［M］.北京∶冶金工业出版社，2009.

Application of Gutter Oil in Emulsion Explosive

WANG Dao-yang，SHEN Xia-xia，MA Huai-tian，WANG Zhi-hong，HUANG Wen-yao
（Anhui University of Science and Technology，Huainan，232001）

The emulsion explosive was made of biodiesel， which was made from gutter oil by chemical means. The properties of thermal decomposition，detonation velocity，as well as the storage stability of the emulsion explosive were studied. Furthermore， the emulsion explosive was compared with which made by compound wax. The results show that the emulsion explosive which was made of biodiesel has good thermal stability and high detonation velocity， and its output heat closes to that of the emulsion explosive made by compound wax. However， the cartridge was soft， so this biodiesel oil was suit for oil phase of field mixing-loading vehicles， or being mixed with the high viscosity petroleum wax in proportion.

Emulsion explosive；Gutter oil；Biodiesel；Oil phase material

TQ560.4

A

1003-1480（2015）01-0041-04

2014-09-04

王道阳（1991-），男，在读硕士研究生，从事爆炸理论及应用研究。