地溝油在乳化炸藥中的應(yīng)用

王道陽，申夏夏，馬懷田，汪志鴻，黃文堯

（安徽理工大學(xué)化學(xué)工程學(xué)院，安徽 淮南，232001）

地溝油在乳化炸藥中的應(yīng)用

王道陽，申夏夏，馬懷田，汪志鴻，黃文堯

（安徽理工大學(xué)化學(xué)工程學(xué)院，安徽 淮南，232001）

采用化學(xué)方法將地溝油轉(zhuǎn)換成生物柴油，以生物柴油為油相材料制備乳化炸藥，對乳化炸藥的熱分解、爆速、儲存穩(wěn)定性進行了測定，并與使用復(fù)合蠟制備的乳化炸藥進行比較。結(jié)果表明：使用生物柴油制備的乳化炸藥的熱穩(wěn)定性好，放熱量與復(fù)合蠟制備的乳化炸藥接近，且爆速高，但藥態(tài)稀軟不耐儲存，適合用作現(xiàn)場混裝的油相材料或與粘度大的石油蠟按比例混合使用。

乳化炸藥；地溝油；生物柴油；油相材料

乳化炸藥是一種油包水型的乳膠狀炸藥。油相材料的質(zhì)量和性能直接關(guān)系到乳化炸藥的藥態(tài)、爆炸性能和穩(wěn)定性［1］。理論上認(rèn)為，石油產(chǎn)品都可以充當(dāng)乳化炸藥油相材料，如果油相材料選擇得當(dāng)，不僅能提高爆炸性能和儲存穩(wěn)定性，而且還能降低成本［2］。地溝油泛指在生活中存在的各類劣質(zhì)油，如回收的食用油、反復(fù)使用的食物油等，對人體的危害極大。而在國外地溝油是一種優(yōu)質(zhì)資源，是制取脂肪酸、肥皂、甘油、生物柴油、航空油等化工產(chǎn)品的原料之一。目前我國餐飲業(yè)每年產(chǎn)生的地溝油高達500萬噸，開發(fā)利用地溝油作為新能源，不僅可以提高資源的利用率，創(chuàng)造經(jīng)濟價值，還能使地溝油得到較好的治理和應(yīng)用。薛世忠［3］提出了按一定比例將地溝油與石蠟、地蠟等乳化炸藥常用蠟混合，作為油相材料制備乳化炸藥的方法。但是因為地溝油是動物油與植物油的混合物，常溫下不穩(wěn)定，放置后容易分層，與乳化劑的相容性差。

研究發(fā)現(xiàn)以植物油為主的地溝油一般由14～18個碳鏈組成，而柴油分子是由15個左右的碳鏈組成，因此將地溝油再生為生物柴油的研發(fā)便成了國內(nèi)外專家的主攻方向［4］。將地溝油轉(zhuǎn)化成生物柴油，不僅化廢為寶實現(xiàn)了能源的再生，而且健康環(huán)保。將其用作乳化炸藥的油相材料，對于拓展炸藥油相原料來源具有重要意義。本研究采用化學(xué)方法把地溝油轉(zhuǎn)化成生物柴油，使用該生物柴油制備乳化炸藥，同時檢測了乳化炸藥的熱分解、爆速及儲存性能。

1　實驗部分

1.1實驗試劑與器材

試劑：硝酸銨、硝酸鈉，工業(yè)級；sp-80，工業(yè)級；亞硝酸鈉、磷酸、濃硫酸、氫氧化鈉、甲醇，化學(xué)純；水，蒸餾水，地溝油，等。

儀器：電子分析天平，電子稱，鐵架臺，乳化器，三口燒瓶，滴定管，溫度計，分液漏斗，恒溫水浴槽，攪拌器，C80微熱量熱儀（Seteram公司生產(chǎn)），DDS-307型實驗室電導(dǎo)率儀等。

1.2地溝油制備生物柴油

地溝油的主要成分是長碳鏈的甘油三酯。生物柴油是以廢棄動植物油為原料油，通過酯交換工藝制成的可代替石化柴油的再生性柴油燃料。因為地溝油通常含有大量的游離脂肪酸，如硬脂酸、軟脂酸和油酸，所以不能用堿性催化劑直接轉(zhuǎn)化為生物柴油，需要先用濃硫酸作為酸性催化劑，通過水解反應(yīng)預(yù)處理這些高游離脂肪酸原料，再用氫氧化鈉作為堿催化劑使游離脂肪酸與甲醇進一步發(fā)生轉(zhuǎn)酯化反應(yīng)。反應(yīng)方程式如圖1～2所示。

第1步酸催化預(yù)酯化反應(yīng)見圖1。預(yù)酯化反應(yīng)的條件為：醇油摩爾比10∶l，反應(yīng)溫度70℃，催化劑用量1.0%，反應(yīng)時間4h［5］。

第2步堿催化轉(zhuǎn)酯化反應(yīng)見圖2。轉(zhuǎn)酯化反應(yīng)的反應(yīng)條件為：醇油摩爾比8∶1，反應(yīng)溫度70 ℃，催化劑用量為原料油質(zhì)量的3.0 %，反應(yīng)時間2h［6］。因為水解是可逆反應(yīng)，產(chǎn)物中的甘油需要及時分離，以促使反應(yīng)向正向進行。在將產(chǎn)物中的脂肪酸甲酯洗滌干燥后即可得到生物柴油。產(chǎn)物不需要精制，粗產(chǎn)品即可用作乳化炸藥的油相材料。反應(yīng)的主要裝置如圖3所示，地溝油與產(chǎn)物見圖4。

圖1　酸催化預(yù)酯化反應(yīng)方程Fig.1　The reaction equation of pre-esterification by acid catalyst

圖2　堿催化轉(zhuǎn)酯化反應(yīng)方程Fig.2　The reaction equation of transesterification by base catalyst

圖3　地溝油制取生物柴油反應(yīng)裝置示意圖Fig.3　The sketch of reactor for producing biodiesel by gutter oil

1.3乳化炸藥的制備

按照1號巖石乳化炸藥的配方稱取硝酸銨、硝酸鈉、水、sp-80和生物柴油，分別把水相材料混合加熱溶解，油相材料加熱熔化，按照圖5所示工藝流程制備乳化炸藥。其他條件不變，使用復(fù)合蠟制備乳化炸藥，與之對比。排水法測定乳膠基質(zhì)密度為1.35～1.38g·cm-3，化學(xué)敏化后炸藥密度為1.05～1.08 g·cm-3，裝藥直徑為32mm，裝藥量為150g/卷。采用生物柴油制備的乳膠基質(zhì)見圖6。

圖5　乳化炸藥制備工藝Fig.5　Preparing process of emulsion explosive

圖6　使用生物柴油制備的乳膠基質(zhì)Fig.6　Emulsion matrix made from biodiesel

1.4炸藥性能測試

1.4.1熱分解測試

使用C80微熱量熱儀，檢測乳化炸藥的放熱量。C80參數(shù)設(shè)置： 起始溫度25℃，保溫時間1 800s；升溫至：290℃，升溫速率：1.5K/min；恒溫：290℃，恒溫時間：1 800s；降溫過程：從290℃降至25℃，降溫速率：1.5K/min。藥量?。?0±1）mg。

1.4.2爆速測試

選用DDBS-20型多段時間隔測量儀，采用電測法［7］對乳化炸藥進行測試。

1.4.3儲存穩(wěn)定性測試

采用高低溫循環(huán)法［8］：高溫50℃，恒溫8h，低溫-16℃、恒溫16h，1次高溫和1次低溫為1個周期，循環(huán)10個周期。然后采用DDS-307型實驗室電導(dǎo)率儀，測試乳化炸藥的電導(dǎo)率。

2　實驗結(jié)果與分析

2.1熱分解測試結(jié)果

將實驗所得的數(shù)據(jù)進行處理，將處理后的實驗數(shù)據(jù)以溫度為x軸，熱流為y軸，做出熱流與溫度的關(guān)系圖，如圖7所示。對熱流速曲線在其反應(yīng)區(qū)間內(nèi)積分，得到該物質(zhì)的反應(yīng)放熱量［9］，即：

式（1）中：T0為反應(yīng)開始溫度，Tend為反應(yīng)中止溫度，M0為反應(yīng)性化學(xué)物質(zhì)的初始量。結(jié)果如表1所示。

圖7　樣品的熱流——溫度圖Fig.7　 Curve of heat flow vs temperature

表1　乳化炸藥的放熱量Tab.1　Heat of emulsion explosive

從圖7可知，該配方下使用復(fù)合蠟制得乳化炸藥的初始反應(yīng)溫度在200℃左右，使用生物柴油制得的乳化炸藥的初始反應(yīng)溫度在210℃左右，說明生物柴油制備的乳化炸藥的熱安定性更好。因為生物柴油具有比石化柴油略高的十六烷值，一般在50～60之間［10］，所以其對能量的刺激較遲鈍，更安全。

從表1可知，該配方下使用生物柴油制備的乳化炸藥的放熱量為3 121 kJ·kg-1，使用復(fù)合蠟制備的乳化炸藥的放熱量為3 341kJ·kg-1，前者的放熱量比后者少6.6%，符合乳化炸藥對能量的要求，從能量角度看生物柴油是制備乳化炸藥的良好的含能材料。

2.2爆速測試結(jié)果

爆速為在乳化炸藥制備好后24h內(nèi)測得，每組測試3次，結(jié)果取平均值，見表2。

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

爆速測試結(jié)果顯示：該配方下，兩種油相材料制備的乳化炸藥的爆速均達到5 000m·s-1以上，說明兩種油相材料均可以較好地敏化。因為實驗的標(biāo)準(zhǔn)誤差S≤200m·s-1［11］，所以使用生物柴油制備的乳化炸藥爆速比使用復(fù)合蠟制備的乳化炸藥的爆速高出300m·s-1不是由測試誤差引起的。而是因為復(fù)合蠟的粘度比生物柴油的粘度大，在采用化學(xué)發(fā)泡工藝的條件下，粘度小的油相比粘度大的油相更容易發(fā)泡［12］，所以使用生物柴油的乳化炸藥的爆速更高。

2.3儲存期測試結(jié)果

高低溫循環(huán)之前，兩種乳化炸藥的電導(dǎo)率測試均為0，高低溫循環(huán)之后乳化炸藥的電導(dǎo)率見表3。

表3　 循環(huán)10個周期后乳化炸藥的電導(dǎo)率Tab.3　Electrical conductivity of emulsion explosive after 10 cycles of high and low temperature test

由實驗結(jié)果可知，經(jīng)過10個高低溫循環(huán)后，使用復(fù)合蠟的乳化炸藥基本不導(dǎo)電，說明乳膠粒子油包水的結(jié)構(gòu)未發(fā)生破壞，而使用生物柴油的乳化炸藥電導(dǎo)率增大到3.53μs/cm，說明后者已經(jīng)發(fā)生了一定程度的破乳。破乳主要是因為生物柴油的粘度小，制備的乳化炸藥藥態(tài)稀軟，不耐儲存。因此生物柴油最好用作現(xiàn)場混裝的油相材料，或者通過在生物柴油中添加粘度較大的石油產(chǎn)品來提高油相的粘度，從而延長乳化炸藥的儲存期，同時也能降低油相材料的成本。

3　結(jié)論

（1）采用化學(xué)方法把地溝油轉(zhuǎn)化成生物柴油，使用生物柴油作為油相材料可以制備乳化炸藥。

（2）使用地溝油轉(zhuǎn)化的生物柴油制備的乳化炸藥比使用復(fù)合蠟制備的乳化炸藥的熱安定性好，安全性更高。且放熱量與復(fù)合蠟制備的乳化炸藥接近，符合乳化炸藥對能量的要求，從能量角度看該生物柴油是制備乳化炸藥的良好的含能材料。

（3）由地溝油制備的生物柴油的粘度小，敏化時容易發(fā)泡，用其制備的乳化炸藥的爆速高，但藥態(tài)稀軟，容易破乳不耐儲存。因此該生物柴油最好用作現(xiàn)場混裝的油相材料，或者把生物柴油與粘度較大的石油產(chǎn)品混合使用，提高油相粘度，從而延長乳化炸藥的儲存期，同時達到降低油相材料成本的目的。

［1］ 張建雨，呂全海，胡景娜，等.植物型乳化炸藥專用復(fù)合蠟的研究［J］.石油煉制與化工，2008，39（5）∶59-61.

［2］ 姚安梅，吳勇欣，姚海洋，等.乳化炸藥專用蠟開發(fā)進展及市場預(yù)測［J］.精細石油化工進展，2012（3）∶45-49.

［3］ 周文，史巍，李燕芳，等.地溝油制備生物柴油技術(shù)中國專利申請狀況分析［J］.中國專利與統(tǒng)計，2013（2）∶58-62.

［4］ 張勇.利用地溝油制備生物柴油［J］.中國油脂，2008，33 （11）∶48-50.

［5］ 孔永平，鄭冀魯.利用地溝油制備生物柴油技術(shù)的研究［J］.化學(xué)工程與裝備，2008（4）∶62-67.

［6］ 張玉軍，張愛華.堿性離子液體1-甲基-3-丁基咪唑氫氧化物催化地溝油制備生物柴油的研究［J］.生物產(chǎn)業(yè)技術(shù)，2009（1）∶36-40.

［7］ 張立.爆破器材性能與爆炸效應(yīng)測試［M］.合肥∶中國科技大學(xué)出版社，2006.

［8］ 汪旭光.乳化炸藥［M］.北京∶冶金工業(yè)出版社，2008.

［9］ 孫金華，丁輝.化學(xué)物質(zhì)熱危險性評價［M］.北京∶科學(xué)出版社，2007.

［10］ 陳振斌，蔣盛軍，肖明偉，等.生物柴油與石化柴油性能的比較分析［J］.中國油脂，2008，33（11）∶1-3.

［11］ 孟吉復(fù)，惠鴻斌.爆破測試技術(shù)［M］.北京∶冶金工業(yè)出版社，1992.

［12］ 黃文堯，顏事龍.炸藥化學(xué)與制造［M］.北京∶冶金工業(yè)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

王道陽（1991-），男，在讀碩士研究生，從事爆炸理論及應(yīng)用研究。