油酸甲酯和硬脂酸甲酯熱解特性及動力學研究

王學春，方建華，李 亮，王 九，吳 江

（后勤工程學院 軍事油料應用與管理工程系，重慶 401311）

油酸甲酯和硬脂酸甲酯熱解特性及動力學研究

王學春，方建華，李 亮，王 九，吳 江

（后勤工程學院 軍事油料應用與管理工程系，重慶 401311）

通過熱重分析儀對油酸甲酯和硬脂酸甲酯的熱解特性進行了研究，發(fā)現(xiàn)油酸甲酯相變硬脂酸甲酯具有較差的熱安定性。在升溫速率分別為10、15、20、30 ℃/min條件下，利用TG-DTG曲線分析了它們的基本熱解特性。結果表明，隨著升溫速率的增加，它們的起始熱分解溫度、最大失重速率、最大失重速率峰值溫度以及其他熱分解參數(shù)均呈增大趨勢。同時，用多元線性回歸法求得相應的反應級數(shù)、活化能和指前因子，發(fā)現(xiàn)油酸甲酯和硬脂酸甲酯的熱解反應機理函數(shù)不同，且反應活化能和指前因子之間表現(xiàn)出較好的動力學補償效應。

油酸甲酯；硬脂酸甲酯；熱重分析；熱解；動力學

隨著能源消耗量日益增加以及礦物燃料的日趨枯竭，迫切要求新型石油替代能源的快速發(fā)展，其中，生物柴油作為一種新型能源，具有清潔、儲量大、可再生和環(huán)境友好，具有與石化柴油相近的燃料特性，已受到世界各國的普遍關注[1-5]。從化學組成看，生物柴油一般為油酸甲酯、亞油酸甲酯、亞麻酸甲酯等不飽和脂肪酸甲酯和飽和軟脂酸甲酯、硬脂酸甲酯等脂肪酸甲酯組成，是多種單脂肪酸甲酯的混合物，其脂肪酸碳鏈通常有14～18個碳原子；從化學結構看，生物柴油一般為直鏈分子，除少量飽和脂肪酸甲酯之外，一般含有一個以上的雙鍵。但是生物柴油分子中含有大量的不飽和脂鏈， 在高溫條件下很容易發(fā)生熱裂解反應，其裂解小分子產物可誘導發(fā)動機油變質，導致發(fā)動機油膠質增多、腐蝕性增大、清凈分散性變差，甚至引起燃料系統(tǒng)結膠、 過濾器和噴油嘴堵塞等問題。

目前，柴油發(fā)動機燃用生物柴油導致的發(fā)動機潤滑油性能衰變問題，國內外已有大量研究報導[6-8]。但大多都局限于從宏觀上描述生物柴油引起的發(fā)動機油常規(guī)理化指標和性能變化，缺乏從單脂肪酸甲酯結構水平上深入研究生物柴油熱解衰變的化學本質，因此分別研究生物柴油中主要不飽和組分的熱解動力學模型可以為整個生物柴油的動力學研究提供基于單脂肪酸甲酯熱解特性參數(shù)表達的動力學模型或判據。本文利用熱重分析儀對油酸甲酯和硬脂酸甲酯的熱降解特性進行比較分析，同時在不同升溫速率條件下考察油酸甲酯和硬脂酸甲酯的熱降解特征值；最后通過多元線性回歸法對油酸甲酯和硬脂酸甲酯熱解動力學進行分析，確定了反映油酸甲酯和硬脂酸甲酯熱解歷程的宏觀反應動力學參數(shù)。

1 實驗部分

1.1 材料與儀器

（1）油樣：油酸甲酯、硬脂酸甲酯均為分析純。

（2）儀器：美國Finnigan；SDT Q600型熱分析儀（TG-DSC）：德國NETZSCH。

1.2 實驗方法

采用SDT Q600綜合熱分析儀對油酸甲酯和硬脂酸甲酯進行熱重分析。在50 mL/min的高純氮氣保護下，程序升溫。在不同升溫速率下對油酸甲酯和硬脂酸甲酯從室溫至600 ℃進行熱重分析。

2 結果與討論

2.1 油酸甲酯和硬脂酸甲酯熱解特性

圖1為試驗得到的硬脂酸甲酯和油酸甲酯在升溫速率β=10 ℃/min時的熱解曲線。由圖1(a)可見，硬脂酸甲酯的熱分解過程至少分為兩個階段，DTG曲線上的一個峰（起始溫度218.88 ℃，峰值溫度261.12 ℃）與TG曲線上的一個失重臺階相對應，同時也和DSC曲線上的第二個吸熱峰（起始溫度203.65 ℃，峰值溫度266.53 ℃）相對應。至于DSC曲線上的第一個吸熱峰（起始溫度31.91 ℃，峰值溫度37.99 ℃）是硬脂酸甲酯的熔融峰，吸收熱量較少，這可能是因為硬脂酸甲酯在38 ℃左右發(fā)生相轉變（硬脂酸甲酯的熔點為38 ℃）。由此認為，硬脂酸甲酯在600 ℃以下的熱分解過程為簡單反應，第二階段為分解的主要階段。圖1(b)所示為油酸甲酯熱解曲線，同硬脂酸甲酯相似，油酸甲酯熱分解過程也至少分為兩個階段，在DTG峰值溫度為249.63 ℃，而在DSC曲線上只有一個相當大的吸熱峰（起始溫度210.58 ℃，峰值溫度254.36 ℃），這說明油酸甲酯的失重主要發(fā)生在這個區(qū)域，與TG曲線上只有一個失重臺階相對應。表1是試驗和計算所得硬脂酸甲酯與油酸甲酯的熱重特性參數(shù)。

圖1 油酸甲酯和硬脂酸甲酯的TG-DTG-DSC曲線(β=10 ℃/min)Fig.1 TG/DTG and DSC curves of methyl stearate and methyl oleate (β=10 ℃/min)

表1 油酸甲酯和硬脂酸甲酯的熱解特性參數(shù)比較(β=10 ℃/min)Table 1 Comparison of the pyrolysis parameters of methyl stearate and methyl oleate(β=10 ℃/min)

綜上圖1和表1可知，油酸甲酯和硬脂酸甲酯具有不同的熱解特性，其中油酸甲酯起始失重溫度、失重速率峰值溫度都較硬脂酸甲酯低，失重速率峰值相對硬脂酸甲酯較大，半峰寬較窄，且發(fā)生熱解的溫度明顯提前。

這可能是因為油酸甲酯分子鏈中含有不飽和雙鍵，它們相對硬脂酸甲酯分子中的飽和鍵在相同溫度條件下更易熱解，從而使油酸甲酯的最大失重速率對應的溫度較低，具有較差的熱安定性。

2.2 升溫速率對油酸甲酯和硬脂酸甲酯熱解特性的影響

在N2氣氛，程序升溫30～600 ℃的條件下，考察油酸甲酯和硬脂酸甲酯在升溫速率分別為10、15、20、30 ℃/min下的熱解特性，結果見圖2，其中表2為油酸甲酯和硬脂酸甲酯在不同升溫速率下的熱解特征值。從圖2(a)和圖2(c)可以看出，油酸甲酯和硬脂酸甲酯熱分解過程均只呈現(xiàn)出一個主要失重臺階，且隨著升溫速率的增加，TG曲線向高溫區(qū)偏移，失重率呈現(xiàn)逐漸增大的趨勢，熱分解過程的起始失重溫度和終止失重溫度都明顯向高溫方向移動，反應區(qū)間也逐漸變寬，一方面可能是因為提高升溫速率會增大熱解反應活化能，另一方面也與傳熱的滯后性有關；各升溫速率下的TG曲線很類似，說明油酸甲酯和硬脂酸甲酯的失重率是基本一致的。從圖2(b) 和圖2(d)中可以看出，在油酸甲酯和硬脂酸甲酯的DTG曲線上均出現(xiàn)有一個相當明顯的峰，說明油酸甲酯和硬脂酸甲酯的失重主要發(fā)生在這個區(qū)域，這與TG曲線上只有一個失重臺階相對應。且隨著升溫速率的增加，熱滯后現(xiàn)象越明顯，試樣的最大熱解失重速率(dM/dτ)max值增大，而且最大熱解失重速率(dM/dτ)max對應的峰值溫度Tmax也出現(xiàn)明顯的上升。這可能是因為要達到相同溫度時，升溫速率越快，使得試樣達到預定失重所需的時間越短，反應程度就越低，從而加速了熱解反應的進行；同時升溫速率影響到試樣外層與內部間的溫度梯度，導致熱滯后現(xiàn)象加重，致使試樣熱重曲線向高溫區(qū)移動。

由圖2和表2可見，隨著升溫速率的增大，油酸甲酯和硬脂酸甲酯發(fā)生熱解的起始溫度明顯提前，最大失重溫度、失重速率峰值溫度、失重速率峰值和熱解產物釋放指數(shù)都有所增加，半峰寬變大，使試樣達到熱解所需溫度的響應時間變短，促進熱解反應的進行。

圖2 油酸甲酯和硬脂酸甲酯在不同升溫速率下的TG/DTG曲線Fig.2 TG and DTG curves of methyl oleate and methyl stearate at different hating rates(1)β=10 ℃/min；(2)β=15 ℃/min；(3)β=20 ℃/min；(4)β=30 ℃/min

表2 油酸甲酯和硬脂酸甲酯在不同升溫速率下的熱解特性參數(shù)Table 2 Main pyrolysis parameters of methyl oleate pyrolysis at different heating rates

2.3 油酸甲酯和硬脂酸甲酯在氮氣氣氛中的非等溫熱分解動力學

正采用TG-DTG熱分析技術，在線性升溫條件下，研究了油酸甲酯和硬脂酸甲酯在氮氣氣氛中的非等溫熱分解動力學。假設試樣在程序升溫下進行熱解反應，試樣初始質量為m0，當?shù)竭_時間t時，試樣質量變?yōu)閙t，試樣最終殘余質量為m∞，則油酸甲酯和硬脂酸甲酯熱分解速率可表示為：

式中：k —反應速率常數(shù)；

α —失重率。

反應機理函數(shù)f（α）的表達式假設為f（α）=（1-α）n，n為反應級數(shù)。根據Arrhenius方程：

式中：E —反應活化能；

A —指前因子；

R —理想氣體常數(shù)。

此時試樣熱分解速率可表示為：

將升溫速率β=dTdt 代入（3）式可得：

對方程（4）兩邊取對數(shù)得：

方程（5）可以被表示為如下線性關系：

式（6）中常數(shù)B、C、D可以通過Origin 8.0 軟件對試樣熱解過程的TG-DTG數(shù)據進行多元線性回歸來計算，根據線性關系所得擬合動力學參數(shù)見表3。

表3 油酸甲酯和硬脂酸甲酯在不同升溫速率下的熱解動力學參數(shù)Table 3 Pyrolysis kinetic parameters of methyl oleate and methyl stearate at different heating rates by Multiple-Linear Regression method

圖3 動力學補償效應Fig.3 Kinetic compensation effects between activation and pre-exponential factors

由表3可知，隨著升溫速率的增大，油酸甲酯和硬脂酸甲酯的熱解反應活化能和指前因子均呈現(xiàn)不同程度的降低，這是由于升溫速率提高，試樣更加容易進行熱解反應，因此反應活化能會降低。

2.4 動力學補償效應

由表3可知，隨著升溫速率的增加，油酸甲酯和硬脂酸甲酯在熱分解過程中指前因子并不是一個常數(shù)，而是隨著活化能的變化而改變的，這種現(xiàn)象稱為動力學補償效應（見圖3）。由圖3可知，油酸甲酯和硬脂酸甲酯熱分解動力學參數(shù)擬合方程線性關系顯著，由此可認為熱解反應活化能和指前因子呈現(xiàn)出較好的動力學補償效應。

3 結 論

（1） 分別采用TG/DTG和DSC分析技術研究了油酸甲酯和硬脂酸甲酯在氮氣氣氛中的熱分解特性，研究表明兩種試樣在氮氣氣氛中的熱分解均至少分為兩個階段，同時第二階段為其分解的主要階段，且油酸甲酯相比硬脂酸甲酯具有較差的熱安定性。

（2）升溫速率對油酸甲酯和硬脂酸甲酯的熱解特性的影響。隨著升溫速率的增加，油酸甲酯和硬脂酸甲酯的TG和DTG曲線均向高溫區(qū)移動，熱滯后現(xiàn)象越明顯，最大熱解失重速率(dM/dτ)max值增大，且最大熱解失重速率 (dM/dτ)max對應的峰值溫度Tmax也出現(xiàn)明顯的上升。

（3）多元線性回歸法對油酸甲酯和硬脂酸酯熱解動力學分析表明，在不同升溫速率條件下試樣的熱分解過程具有不同的熱解機理函數(shù)f （a），并分別計算得出了油酸甲酯和硬脂酸甲酯在不同升溫速率下的相應的動力學參數(shù)，同時發(fā)現(xiàn)熱解反應活化能和指前因子之間表現(xiàn)出較好的動力學補償效應，且線性關系顯著，這些動力學擬合參數(shù)可以為研究生物柴油高溫熱解提供基礎性參考數(shù)據。

［1］Dwivedi G, Jain S, Sharma M P. Impact analysis of biodiesel on engine performance—A review[J]. Renewable and Sustainable Energy Reviews, 2011, 15(9): 4633-4641.

［2］Atadashi I M, Aroua M K, Abdul Aziz A R, et al. The effects of catalysts in biodiesel production: A review [J]. Journal of industrial and engineering chemistry, 2013, 19(1): 14-26.

［3］梅德清，袁銀男，孫平，等. 生物柴油發(fā)動機燃燒火焰與放熱過程特性研究[J]. 農業(yè)機械學報，2012， 43(11)：26-30.

［4］Venu Babu Borugadda, Vaibhav V. Goud. Biodiesel production from renewable feedstocks: Status and opportunities[J]. Renewable and Sustainable Energy Reviews, 2012, 16(7): 4763-4784.

［5］NO，S.Y. Inedible vegetable oils and their derivatives for alternative diesel fuels in CI engines: A review[J]. Renewable and Sustainable Energy Reviews, 2011, 15(1): 131-149.

［6］Gili, F., Igartua, A., Luther, R., et al. The impact of biofuels on engine oil’s performance[C]. 17th International Colloquim Tribology 2010-Solving Friction and Wear Problems 1: 492-504.

［7］Watson, S.A.G., Wong V.W. The effects of fuel dilution with biodiesel and low sulfur diesel on lubricant acidity, oxidation and corrosion-A bench scale study with CJ-4 and CI-4+ lubricants[C]. Proceedings of the STLE/ASME International Joint Tribology Conference, IJTC 2008: 233-235.

［8］王忠，許廣舉，黃慧龍，等. 發(fā)動機燃用生物柴油的可靠性[J]. 農業(yè)工程學報，2009，25(11):169-172.

Pyrolysis Characteristics and Kinetics of Methyl Oleate and Methyl Stearate

WANG Xue-chun，F(xiàn)ANG Jian-hua，LI Liang，WANG Jiu，WU Jiang
（Department of Military Oil Application & Administration Engineering, Logistical Engineering University, Chongqing 401311，China）

The differences in pyrolysis process of methyl stearate and methyl oleate were investigated under nitrogen atmosphere in a thermogravimetric analyzer at heating rate of 10 ℃/min from room temperature to 600 ℃. The results show that the methyl oleate has relatively lower stability of thermal decomposition compared with methyl stearate. At the same time, the pyrolysis and kinetic characteristics of methyl oleate and methyl stearate were further studied at heating rates of 10, 15, 20 and 30 ℃/min, respectively. The results indicate that the initial decomposition temperature, peak temperature of DTG curve, the maximum weight loss rate and other pyrolysis parameters all increase. In addition, the corresponding activation energy, pre-exponential factor and reaction order were calculated by Multiple-Linear Regression method. It’s found that the pyrolysis reaction mechanism functions of two kinds of fatty acid methyl ester are different,and the pyrolysis activation energy and pre-exponential factor present a good kinetic compensation effect.

Methyl oleate; Methyl stearate; Thermogravimetric analysis; Pyrolysis characteristics; Kinetics

TQ 050.4+6

： A

： 1671-0460（2015）01-0004-05

國家自然科學基金資助項目，項目號：51375491

2014-07-13

王學春（1990-），男，甘肅隴南人，碩士在讀，研究方向：從事環(huán)境友好潤滑劑及添加劑的研究。E-mail：tcxuechun@sina.com。

方建華（1971-），男，教授，博士，研究方向：主要從事環(huán)境友好潤滑劑及添加劑的研究。E-mail：fangjianhua71225@sina.com。