1、微乳柴油的擬三元相圖繪制及燃燒熱的測(cè)定化學(xué)與環(huán)境學(xué)院 2010級(jí)一、 實(shí)驗(yàn)資料微乳液：微乳液是一種由兩種互不相溶的液體在表面活性劑界面膜的作用下生成的熱力學(xué)穩(wěn)定、各向同性的透明的分散體系。由于其能形成超低界面張力,且具有高穩(wěn)定性、大增溶量、以及粒徑小等特殊性質(zhì),已引起人們廣泛關(guān)注。柴油微乳液：油與水在表面活性劑的作用下以合適的比例混勻?qū)⒆园l(fā)產(chǎn)生穩(wěn)定的微乳燃料，它可以使燃燒更為完全且效率更高，從而節(jié)約了能源也同時(shí)更加環(huán)保。微乳燃料的節(jié)能環(huán)保及經(jīng)濟(jì)效益吸引著世界各國(guó)的科學(xué)家，并成為各國(guó)競(jìng)相開(kāi)發(fā)的熱點(diǎn)。隨著近年來(lái)對(duì)兩親分子有序組合體研究的不斷深入,微乳液理論在乳化燃油領(lǐng)域取得了突破性進(jìn)展，開(kāi)發(fā)透明、

2、穩(wěn)定、性能與原燃油差不多的微乳液燃料成為了研究熱點(diǎn)。二、 實(shí)驗(yàn)原理微乳柴油與燃燒減排機(jī)理：乳化燃油與通常的乳狀液一樣，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(chēng)為分散相或內(nèi)相，燃料油則包在水珠的外層，被稱(chēng)為連續(xù)相或外相。我們目前所見(jiàn)的大多數(shù)乳化燃料油都為油包水型乳化燃料。乳化燃料燃燒是個(gè)復(fù)雜的過(guò)程，對(duì)其節(jié)能降污機(jī)理較為成熟的解釋是乳化燃料中存在的“微爆”現(xiàn)象和水煤氣反應(yīng)，也就是從燃料的物理過(guò)程和化學(xué)過(guò)程來(lái)解釋。 物理作用“微爆現(xiàn)象”油包水型分子基團(tuán)，油是連續(xù)相，水是分散相，由于水沸點(diǎn)(100)低于燃油沸點(diǎn)(130以上)。在氣缸溫度急

3、劇升高時(shí)，水微粒先沸騰氣化，體積在萬(wàn)分之一秒內(nèi)瞬間增大了1500倍左右，其氣化膨脹相當(dāng)于一次極小的爆炸。當(dāng)油滴中的壓力超過(guò)油的表面張力及環(huán)境壓力之和時(shí)。水蒸氣產(chǎn)生的巨大壓力將沖破油膜的束縛，無(wú)數(shù)小液珠產(chǎn)生的阻力使油滴發(fā)生爆炸，油霧化成更細(xì)小的油滴。小油滴與空氣接觸的比表面積成倍提高，形成二次燃燒的霧化條件，爆炸后的細(xì)小油滴更易燃燒，其燃燒表面比純?nèi)加驮黾恿?04倍左右。因此，減少了物理上的不完全燃燒和排煙損失，提高了燃燒效率，使內(nèi)燃機(jī)達(dá)到節(jié)能的效果。微爆產(chǎn)生的為數(shù)甚多的爆炸波，沖破了包圍火焰面的CO2，N2惰性氣體抑制層，促使空氣形成強(qiáng)烈的紊流，紊流使空氣、燃油蒸氣在燃燒室內(nèi)做更均勻的分布，同

4、時(shí)使溫度場(chǎng)也變得更加均勻，從而加快了燃燒速度，減少了后燃現(xiàn)象，避免了燃燒區(qū)間局部高溫而產(chǎn)生的熱解和裂化，使燃燒更加完全。 化學(xué)作用“水煤氣反應(yīng)”：在缺氧條件下，油燃燒產(chǎn)生熱裂解，形成難以燃燒的碳，使排煙冒黑煙，而在水煤氣存在時(shí)，水微粒高速汽化中所含的氧與碳粒子充分結(jié)合，并被完全燃燒而形成二氧化碳，從而大大提高噴燃霧化效果，使發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒效率提高，達(dá)到增強(qiáng)發(fā)動(dòng)機(jī)動(dòng)力、節(jié)省燃料的效果。C + H2O=CO+ H2C + 2 H2O=CO2 +2H2。CO+ H2O=CO2+ H2H2 +O2=H2O上述反應(yīng)過(guò)程中，提高了乳化燃料的燃燒率，降低了排煙中的煙塵含量。同時(shí)由于乳化水的蒸發(fā)作用，均衡了燃燒時(shí)

5、的溫度場(chǎng)，從而抑制了NOx的形成，達(dá)到節(jié)能環(huán)保的目的。摻混效應(yīng)：微爆產(chǎn)生的爆炸波沖破了包圍在火焰周?chē)腃O2、N2惰性氣體層，促使空氣形成強(qiáng)烈的紊流，紊流使空氣和柴油蒸汽在燃燒室內(nèi)做更均勻的分布，同時(shí)溫度場(chǎng)也變得更加均勻，從而加快了燃燒速度，減少了后燃現(xiàn)象，避免了在燃燒區(qū)間的局部高溫而產(chǎn)生的熱解和裂化，使燃燒完全。抑制NO的生成：NO的生成主要有三個(gè)重要途徑：（1）由空氣中的NO2在高溫區(qū)反應(yīng)生成的熱反應(yīng)NOx；（2）火焰面上生成的活性NOx；（3）燃料中氮元素生成的燃料NOx。因此，生成的NO可分為溫度型NOx和燃料型NOx，其中以溫度型NOx為主。影響NO生成的因素有：可燃混合物的組成，燃

6、料在反應(yīng)區(qū)停留時(shí)間，燃料溫度和工作壓力等。根據(jù)J.B.Howcr機(jī)理，NOx的生成速度為:dNOx/dt = Aexp-Ea/RTN2021/2可見(jiàn)無(wú)論在內(nèi)燃機(jī)或是其它燃燒裝置上，NOx的生成量與反應(yīng)溫度呈指數(shù)關(guān)系增加。如果空燃比高，燃燒強(qiáng)度大，反應(yīng)溫度高，停留時(shí)間長(zhǎng)，NOx則急劇增加。燃燒乳化油時(shí)，由于水滴汽化、產(chǎn)生微爆均需吸熱，由此可降低氣缸工作溫度，防止燃燒火焰局部高溫，縮短燃燒時(shí)間，而且油摻水燃燒改善了空氣和燃料混合比例，可以用較小的過(guò)量空氣系數(shù)，即N2、02濃度大幅度降低，從而顯著降低溫度型和燃料型NOx的生成，抑制NOx對(duì)環(huán)境的污染。 水-柴油微乳液的配制與研究方法: 對(duì)微乳柴油的

7、研究通常包括為微乳燃油配方選擇合適的表面活性劑和助表面活性劑，并考察各組分對(duì)可增溶水量的影響，確定最佳的微乳燃油配方比例。然后針對(duì)微乳柴油體系，通過(guò)相圖、電導(dǎo)、NMR、FT-IR、分子光譜、熒光光譜、黏度法、電子顯微鏡等方式研究微乳液的結(jié)構(gòu),并進(jìn)行燃燒性能與尾氣排放量測(cè)定。 擬三元相圖的研究方法：研究平衡共存的相數(shù)、組成和相區(qū)邊界最方便、最有效的工具就是相圖。在等溫等壓下三組分體系的相行為可以采用平面三角形來(lái)表示，稱(chēng)為三元相圖。對(duì)四組分體系，需要采用立體正四面體。而四組分以上的體系就無(wú)法全面的表示。通常對(duì)四組分或四組分以上體系，采用變量合并法，比如固定某兩個(gè)組分的配比，使實(shí)際獨(dú)立變量不超過(guò)三個(gè)

8、，從而仍可用三角相圖來(lái)表示，這樣的相圖稱(chēng)為擬三元相圖。對(duì)柴油微乳液的研究可采用擬三元相圖的方法研究, 相圖繪制簡(jiǎn)單，根據(jù)相圖可以初步推測(cè)體系的結(jié)構(gòu)狀態(tài),能夠比較直觀地反映微乳體系相的變化,當(dāng)體系有液晶相、凝膠相出現(xiàn)時(shí),也能對(duì)微乳液及其相邊界進(jìn)行直觀表示。在表面活性劑和助劑含量一定情況下，將水往油中滴加，水量很少時(shí)為油包水型的球形微乳液，繼續(xù)滴加水，水與油的比例將會(huì)變動(dòng)，體系發(fā)生這樣的變化:對(duì)稱(chēng)性水的球體一不對(duì)稱(chēng)性柱體一層狀結(jié)構(gòu)一水為外相的各種結(jié)構(gòu)，最終為對(duì)稱(chēng)性油的球體，這是體系內(nèi)部引力變動(dòng)而引起各種結(jié)構(gòu)迭變的結(jié)果，而研究此方面最方便有效的工具就是相圖，因此，表面活性劑相圖的研究一直受到人們的關(guān)

9、注。也可以在水量一定的情況下，將復(fù)合表面活性劑往油中滴加，通過(guò)觀察體系相的狀態(tài)的變化以及體系中物質(zhì)的重量比，通過(guò)擬三元相圖的繪制，研究體系中物質(zhì)的相溶性以及形成微乳液的條件。本實(shí)驗(yàn)采用此種方法進(jìn)行乳化柴油的繪制。三、 實(shí)驗(yàn)?zāi)康谋緦?shí)驗(yàn)學(xué)習(xí)柴油微乳體系擬三元相圖的繪制與研究方法，并通過(guò)氧彈卡計(jì)對(duì)部分柴油微乳溶液進(jìn)行燃燒性能測(cè)定，比較柴油、微乳柴油燃燒時(shí)其燃燒效率的不同，對(duì)微乳柴油的經(jīng)濟(jì)與環(huán)保價(jià)值進(jìn)行評(píng)價(jià)。四、 實(shí)驗(yàn)儀器、試劑實(shí)驗(yàn)試劑：柴油0#、油酸（化學(xué)純）、十六烷基三甲基溴化銨（CTAB）（化學(xué)純）、氨水（化學(xué)純）、正丁醇（化學(xué)純）實(shí)驗(yàn)儀器：燃燒熱測(cè)定裝置一套、充氧裝置一套、氧氣瓶一個(gè)、萬(wàn)用電表

10、 、5安保險(xiǎn)絲、壓片機(jī)、1000ml燒杯、磁力攪拌器、攪拌子（中）、電子分析天平（每組一臺(tái)）、 燒杯（50ml）、燒杯（250ml）、鑷子、濾紙、稱(chēng)量紙、玻璃棒、洗耳球、膠頭滴管、保鮮膜、剪刀五、 實(shí)驗(yàn)內(nèi)容及現(xiàn)象實(shí)驗(yàn)步驟實(shí)驗(yàn)操作實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象復(fù)合乳化劑配比油酸66.15%，十六烷基三甲基溴化銨(CTAB)0.91%，氨水9.1%，正丁醇 23.8%復(fù)合乳化劑配制室溫下，將油酸36.5克放入100ml的燒杯中,加入3.8克氨水，攪拌反應(yīng)10min。持續(xù)攪拌并加入0.5克CTAB、13.2克正丁醇以及1.2克氨水。放入磁力攪拌器，并將凝膠狀物質(zhì)碾成小碎片，攪拌約40min。 加入氨水后，液體迅速出現(xiàn)淺米

11、色的凝膠狀固體，且隨著攪拌逐漸全部凝結(jié)。固體逐漸溶解為金黃色清晰透亮的油狀物。柴油-水-復(fù)合乳化劑微乳液柴油的制備在室溫下, 稱(chēng)取(10g)的水- 柴油,其中 m(柴油0#)m(水)分別為 91、 82、64、46、 37,、28,樣品 ，分別放在100ml燒杯中,開(kāi)動(dòng)磁力攪拌器，攪拌至水油分散，并于攪拌中逐漸往燒杯中滴加復(fù)合乳化劑, 并不斷在磁力攪拌器上攪拌至溶液剛好變澄清。隨著復(fù)合乳化劑的滴加，水油混合液逐漸變?yōu)闇啙岬娜榘咨?，并逐漸變成膏狀，繼續(xù)滴加，膏狀固體逐漸溶解，溶液重新變成淺黃色色透明。氧彈法測(cè)定燃燒熱使用氧彈法分別測(cè)定4:1,9:1，以及純柴油的燃燒熱，并且對(duì)比。純柴油燃燒的現(xiàn)象

12、：燃燒產(chǎn)物有板結(jié)，氧彈內(nèi)有少量液體。9:1乳化柴油的燃燒現(xiàn)象：有少量板結(jié)，槽中還剩余少量液體。有部分噴射的小顆粒粘結(jié)在氧彈頂部。4:1乳化柴油的燃燒現(xiàn)象：槽中有部分液體剩余，無(wú)板結(jié)。六、 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)記錄與處理復(fù)合乳化劑的配比數(shù)據(jù)記錄配方燒杯70.4937燒杯+油酸107.06336.5693燒杯+油酸+氨110.7843.721CTAB0.4933正丁醇13.283氨水1.6531柴油微乳液的配置：數(shù)據(jù)記錄：比例燒杯重量/g燒杯+柴油重量/g燒杯+柴油+水重量/g燒杯+柴油+水+磁子重量/g燒杯+柴油+水+磁子+乳化劑重量/g4.5:0.537.6420 42.1490 42.6578 46.7

13、499 47.3708 4:134.7315 38.7609 39.7692 44.1820 44.8350 3:234.4100 37.4303 39.4661 43.1079 44.8510 2:335.2388 37.2326 40.2340 44.6199 48.3822 1:437.7428 38.7692 42.7787 46.4863 49.2978 比例柴油水乳化劑總質(zhì)量柴油百分比/%水/%乳化劑/%4.5:0.54.50700.5088 0.6209 5.6367 79.958%9.027%11.015%4:14.02941.0083 0.6530 5.6907 70.807

14、%17.718%11.475%3:23.02032.0358 1.7431 6.7992 44.421%29.942%25.637%2:31.99383.0014 3.7623 8.7575 22.767%34.272%42.961%1:41.02644.0095 2.8115 7.8474 13.079%51.093%35.827%數(shù)據(jù)處理：柴油微乳液擬三元相圖：此范圍內(nèi)不共溶此范圍內(nèi)共溶燃燒熱的測(cè)定：數(shù)據(jù)記錄1：時(shí)間（×30s）9:1乳化柴油純柴油4:1乳化柴油127.58426.76425.559227.57726.77225.567327.57426.77925.574427

15、.57226.78825.581527.57126.79825.588627.56626.80425.595727.56726.81125.6827.56526.81725.608927.56426.82225.6151027.56726.82925.6211127.56626.9125.6291227.60827.21825.6411328.1627.58125.6511428.68127.8825.6751529.13428.13726.0641629.37828.31626.5561729.54828.44326.821829.60728.52626.9791929.72928.5922

16、7.0882029.78628.64227.1622129.8328.68427.222229.86328.71427.2672329.89128.74427.3072429.91228.76627.3412529.9328.78427.3652629.94628.80227.392729.96128.81627.4092829.97328.82727.4252929.98428.94227.443029.99628.94627.4543130.00328.95127.4643230.00728.95727.5153330.0127.523430.01327.5283530.01627.537

17、3630.01727.5453730.01727.5523830.01727.5583927.5644027.571燃燒熱數(shù)據(jù)記錄2：9:1乳化柴油純柴油4:1乳化柴油質(zhì)量1.22741.20351.2130實(shí)驗(yàn)溫度25.325.525.4燃燒熱圖：4:1乳化柴油：T=1.571 /g=1.295Qv=22844.46J Qv/g=18833.0269:1乳化柴油T=2.2786 /g=1.856Qv=33133.92J Qv/g=26995.21柴油T=1.6274 /g=1.352Qv=23664.59J Qv/g=19663.14七、 分析與討論1、 燃燒熱圖像斜率的比對(duì)根據(jù)斜率的比對(duì)可

18、發(fā)現(xiàn)，9:1的乳化柴油效率最高，4:1的乳化柴油比純柴油放熱快，但是產(chǎn)熱沒(méi)有純柴油多。乳化柴油的“微爆現(xiàn)象”可以使其燃燒的更為完全，所以9:1的乳化柴油燃燒效率較高，但是由于摻的水較多，4:1的乳化柴油產(chǎn)熱顯然低于了純柴油。2、 柴油主要是由烷烴、烯烴、環(huán)烷烴、芳香烴、多環(huán)芳烴與少量硫(260g/kg)、氮(<1g/kg)及添加劑組成的混合物。其燃燒后可產(chǎn)生氮氧化物，碳氧化物，碳?xì)浠衔?，水，PM顆粒（碳煙，柴油未燃盡的小液滴）以及一些未燃盡的柴油。3、 乳化柴油及微乳柴油的區(qū)別1、 外觀（1） 乳化柴油外觀顏色如同牛奶狀。（2） 微乳柴油外觀顏色與純柴油完全相似。2、 混油性能：二者都有相同的混油性能。3、 拒水性能：微乳柴油的拒水性能遠(yuǎn)好于乳化柴油。（與水更親和）4、穩(wěn)定性能（1） 乳化柴油大多1-3個(gè)月不分層，不錯(cuò)的也只有半年左右，因?yàn)樗皇菬崃W(xué)上的穩(wěn)定體系。（2） 微乳柴油一般都超過(guò)半年，好的都在一年以上，因?yàn)樗菬崃W(xué)上的穩(wěn)定體系。5、 高、低溫性能：微乳柴油的高、低溫性能一般都好于乳化柴油。6、添加劑（1） 乳化柴油用的添加劑，是以降低界面張力為設(shè)計(jì)目標(biāo)，讓表面活性劑組成的復(fù)合界面膜，強(qiáng)力而牢固地吸附在油水表面，以此達(dá)到油