柴油的微乳化及其浮選應用效果研究

董敬申，劉 帥

（1.安徽理工大學材料科學與工程學院，安徽淮南232001；2.山東交通職業(yè)學院學生工作處，山東濰坊261206）

當今石油資源的日益匱乏成為制約我國經(jīng)濟發(fā)展的一個重要因素，因此研究和開發(fā)清潔且燃燒效率較高的代用燃料已是大勢所趨。微乳化柴油被認為是一種有著廣泛前景的清潔燃料，與普通柴油相比，使用微乳化柴油不僅能降低氮氧化物和碳煙的生成，而且具有更好的燃燒性能、更低的能耗、更少的污染等優(yōu)點[1-3]。

微乳化柴油是一種各向同性、外觀透明的熱力學穩(wěn)定體系，它是將柴油摻入一定比例的水，通過微乳化劑的作用，在柴油的體系中形成比較穩(wěn)定的納米粒徑（＜50 nm）的油包水（w/o）型結構（圖 1）[4]。其性質(zhì)極其穩(wěn)定且不易分層，節(jié)油率達5%～50%，在節(jié)能環(huán)保及經(jīng)濟效益上都有著較為顯著的效果，已經(jīng)成為各國相競開發(fā)的熱點。為了形成穩(wěn)定的乳化液,要求乳化劑不僅能大量降低水的表面張力,而且能在油水界面形成堅固的保護膜。有些物質(zhì)的表面活性大,能大量降低水的表面張力；有些物質(zhì)的表面活性雖然較差，但能在水微粒周圍形成堅固的保護膜。選擇具有相似分子結構的這兩類表面活性劑,把它們組合起來,就可以取長補短,達到更好的乳化效果。因此，使用一種以上的表面活性劑加輔助表面活性劑制備的微乳液，比用單一表面活性劑加輔助表面活性劑制備的微乳液更穩(wěn)定。柴油和水是兩相互不相溶的體系，水是分散相。為使水的微小液滴在兩相交流中足夠穩(wěn)定，必須采用復配乳化劑[5]。

圖1 油包水（w/o）型結構圖

1 試劑與方法

1.1 實驗試劑

實驗所使用的主要試劑見表1。

表1 實驗主要試劑

1.2 實驗方法

選用陽離子表面活性劑十六烷基三甲基溴化銨、陰離子表面活性劑油酸及非離子型表面活性劑失水山梨醇單油酸酯進行兩兩復配，得到穩(wěn)定的復配乳化劑。

微乳化柴油的制備：先將制備好的乳化劑和柴油混合攪拌均勻后，逐滴加水，攪拌變澄清后繼續(xù)加水，直至加入最后一滴水，溶液不再變澄清為止。以體系出現(xiàn)渾濁時的前一滴水量作為此微乳化柴油方案的最大加水量，按上述方式重新配制。

2 實驗過程及結果

2.1 方案一：油酸+CTAB

復配乳化劑的制備：在100 mL的燒杯中加入36.5 g油酸，再逐滴加入5.0 g氨水，此時燒杯中生成乳白色膏狀物質(zhì)；在磁力加熱攪拌器上攪拌約2 min后白色膏狀物質(zhì)逐漸變成淺黃色；再往燒杯中邊攪拌邊逐滴加入2.64 g正丁醇，此時淺黃色膏狀物質(zhì)開始慢慢溶解，但仍有少量膏狀物質(zhì)殘留；在磁力攪拌器上不斷攪拌約20 min后，燒杯中的物質(zhì)變成淺黃色油狀乳濁液，繼續(xù)邊加熱邊攪拌，約15 min后該乳濁液變成黃色透亮、澄清的油狀液體；最后再直接加入0.5 g CTAB。將制好的復配乳化劑放置備用。各組分含量如表2所示。

表2 方案一乳化劑組成

微乳化柴油的制備：用50 mL燒杯準確稱取復配乳化劑1 g、柴油5 g，在79-1磁力加熱攪拌器（30℃）上攪拌10 min后，用滴定管往燒杯中逐滴加入蒸餾水，每加入一滴蒸餾水攪拌約10 min，在觀察到體系逐漸變?yōu)槌吻逋噶恋囊后w后，再繼續(xù)滴加一滴水，直至體系內(nèi)液體變渾濁為止。以體系出現(xiàn)渾濁時的前一滴水量作為此微乳化柴油方案的最大加水量，按上述步驟重新配制微乳化柴油。加水量約為1.38 g。各組分含量如表3所示。

表3 方案一微乳化柴油組成

2.2 方案二：Span 80+CTAB

往50 mL燒杯1中加入0.5 g Span80和5 g柴油，在磁力加熱攪拌器攪拌均勻；在50 mL燒杯2中加入0.3 g CTAB，再加入2.08 g水，邊攪拌邊滴入0.5 g正丁醇。在燒杯2中的固體顆粒完全融化后將燒杯1中的柴油混合物倒入燒杯2中繼續(xù)攪拌約5 min，變?yōu)槌吻逋噶恋奈⑷榛裼汀Ｈ榛瘎└鹘M分含量如表4所示。

表4 方案二乳化劑組成

微乳化柴油各組分含量見表5。

表5 方案二微乳化柴油組成

2.3 方案三：油酸+Span80

復配乳化劑的制備：在50 mL燒杯中加入5 g油酸，再逐滴加入1.5 g氨水，燒杯中生成乳白色膏狀物質(zhì)；在磁力加熱攪拌器上攪拌約2 min后白色膏狀物質(zhì)逐漸變成淺黃色；再往燒杯中邊攪拌邊逐滴加入1.5 g正丁醇，此時淺黃色膏狀物質(zhì)開始慢慢溶解，但仍有少量膏狀物質(zhì)殘留；在磁力攪拌器上不斷攪拌約20 min后，燒杯中的物質(zhì)變成淺黃色油狀乳濁液，繼續(xù)攪拌并加入0.6 gSpan，攪拌至透亮澄清，將制備好的復配乳化劑放置備用。各組分含量如表6所示。

表6 方案三乳化劑組成

微乳化柴油的制備：用50 mL燒杯準確稱取復配乳化劑1 g、柴油5 g，在磁力加熱攪拌器（30℃）上攪拌10 min后，用滴定管往燒杯中逐滴加入蒸餾水，每加入一滴蒸餾水攪拌約10 min，此次加水量約為2.8 g。各組分含量如表7所示。

3 微乳化柴油浮選效果評定

3.1 浮選所用原料及器材

浮選所用煤樣來自徐州礦業(yè)集團有限公司三河尖選煤廠浮選入料。所用主要儀器與設備見表8。

對獲得的原煤煤樣進行以下處理：

①烘干：將原煤均勻地平鋪在托盤中，置于電熱鼓風干燥箱中105℃烘干。

②研磨過篩：用0.5 mm的標準篩篩分原煤，將粒徑＜0.5 mm的原煤作為實驗煤樣。

③縮分：采用堆摻四分法縮分，為粒度分析、元素分析準備煤樣。

④存放：將篩分好的煤樣放置在干燥器中備用。

3.2 浮選效果評定

當前有許多關于煤泥浮選效果評定的方法，不同的方法也有著不同的適用條件以及評定指標，其中最主要的評定指標包括精煤產(chǎn)率、精煤灰分及浮選完善指標。而對于同一種煤在不同的工藝條件下其浮選效果的評定主要采用的是浮選完善指標：

浮選完善指標=[精煤產(chǎn)率/（100-精煤灰分）]*[（入料灰分-精煤灰分）/入料灰分]

3.3 浮選實驗

煤泥水濃度為80 g/L，以制備好的微乳化柴油及原柴油為捕收劑，用量為1000 g/t；以仲辛醇為起泡劑，用量為100 g/t，分別進行速度浮選實驗，實驗結果見表9～12。

表9 柴油浮選實驗結果

表10 方案一浮選實驗結果

表11 方案二浮選實驗結果

表12 方案三浮選實驗結果

對原柴油及微乳化柴油的浮選結果進行對比，做出浮選完善指標曲線，如圖2所示。

由精煤產(chǎn)率及浮選完善指標曲線的比較得知，方案一和方案三微乳化柴油的浮選速度明顯要快，說明經(jīng)微乳化后，藥劑分散得好，在煤樣表面吸附得多，使煤附著于氣泡上上浮速度加快，可以縮短浮選時間。

方案三制得的微乳化柴油捕收效果最好，與純柴油的浮選完善指標相比高約22%。復合乳化劑對于微乳液的制備有很大的影響，故復合乳化劑的制備是本次實驗的關鍵。在制備方案二微乳柴油的時候，本實驗中的制備順序是直接制備，將易溶于油的藥劑在油中溶解，易溶于水的藥劑在水中溶解，然后將兩者混合均勻。猜測可能是因為制備復合乳化劑時各種試劑的加入順序不當，又或是制備復配乳化劑時選擇的乳化劑本身穩(wěn)定性就不好，導致該方案微乳化柴油的浮選效果不如純柴油的浮選效果。

圖2 浮選完善指標比較

4 結論及展望

本文設計的三種方案均制備出了澄清、透明、均一的微乳化柴油，其中由油酸和Span80復配制備出的微乳化柴油其乳化劑僅占微乳化柴油的5%左右，油水比高達1∶2.7，其復配乳化劑比例為：油酸58.14%、氨水17.44%、Span80 6.98%、正丁醇17.44%，而且此方案浮選完善指標相比純柴油最高可提升22%左右，在實際生產(chǎn)中有著極其顯著的經(jīng)濟效益，且能減少環(huán)境污染。

微乳化柴油因節(jié)能、環(huán)保而具有良好的應用前景,有望成為世界各國廣泛使用的清潔燃料，但仍存在一些待解決的問題。由于微乳化柴油受溫度和保存時間的影響較大，在長時間的放置后會出現(xiàn)類似分層、絮凝、破乳等現(xiàn)象，從而影響到實際應用，所以還必須進一步提高其穩(wěn)定性，如使用乳化效果更好的乳化劑，嘗試更多復配乳化劑的組合，改變攪拌方式，改變加入方式，改變使用溫度等。