石墨-正癸烷納米流體燃料的物理特性研究

杜紅哲,胡澤健,黃雪峰,李盛姬

(1.杭州電子科技大學(xué)理學(xué)院，浙江 杭州 310018；2.杭州電子科技大學(xué)材料與環(huán)境工程學(xué)院，浙江 杭州 310018)

0 引 言

納米流體一直備受關(guān)注，在能源化工領(lǐng)域具有巨大的應(yīng)用前景[1]。將納米顆粒添加到傳統(tǒng)液體燃料中制成的特殊固-液兩相懸浮液稱為納米流體燃料[2]。納米顆粒的添加改變了基液燃料的物理性質(zhì)，包括懸浮穩(wěn)定性、密度、粘性系數(shù)和表面張力系數(shù)等[3]。迄今為止，大多數(shù)納米流體燃料的相關(guān)研究使用納米金屬(或金屬氧化物)作為固相添加劑，使基液燃料的蒸發(fā)、點(diǎn)火和燃燒性能有所提高。例如，Dai等[4]將納米氧化鈰添加到柴油中，發(fā)現(xiàn)納米氧化鈰-柴油液滴中的納米顆粒降低了柴油的表面張力，促進(jìn)了微爆，大大減少了蒸發(fā)時(shí)間。但金屬納米流體燃料也有其明顯的缺陷，即由于顆粒上存在的非能氧化物鈍化層，以及燃燒過程中產(chǎn)生的固體氧化物反應(yīng)產(chǎn)物，導(dǎo)致燃料的燃燒性能受到影響[5]。而碳完全燃燒的燃燒產(chǎn)物為二氧化碳，無殘留且排放物相對清潔，因此研究人員通過往傳統(tǒng)液體燃料中添加碳的納米顆粒來增強(qiáng)基液燃料的燃燒效率[6]。例如，Ghamari等[7]研究了不同結(jié)構(gòu)碳顆粒的納米流體燃料，發(fā)現(xiàn)各種碳顆粒的添加劑均使基液燃料的燃燒速率提高了7%～10%。可見，納米石墨在解決納米金屬作為納米流體添加劑固有弊病的同時(shí)，也較好地提升了基液燃料的燃燒效率，值得深入研究。正癸烷作為目前常用的航空煤油替代燃料，以其成分單一的優(yōu)勢，常被用做納米流體燃料的基液[8]。故本文以石墨-正癸烷納米流體燃料為研究對象，試驗(yàn)研究納米石墨濃度對燃料基液的懸浮穩(wěn)定性、密度、粘性和表面張力系數(shù)等物理特性的影響，為進(jìn)一步研究該燃料霧化、蒸發(fā)、點(diǎn)火與燃燒等實(shí)際工程應(yīng)用作鋪墊。

1 試驗(yàn)方案設(shè)計(jì)

1.1 試驗(yàn)材料

試驗(yàn)使用的納米石墨購自北京德科島金有限公司。納米石墨粉通過氣相沉積法制備，為片狀顆粒，具有純度高、粒度小、均勻、表面活性高等特點(diǎn)。納米石墨的物性參數(shù)如表1所示。

表1 納米石墨基本物性參數(shù)

試驗(yàn)使用的正癸烷購自上海麥克林生化科技有限公司。為了增強(qiáng)納米流體燃料的懸浮穩(wěn)定性，向其中添加了表面活性劑。試驗(yàn)使用的表面活性劑為失水山梨糖醇脂肪酸酯(SP80)，亦購自上海麥克林生化科技有限公司。正癸烷和SP80的物性參數(shù)參見文獻(xiàn)[8]。

1.2 納米流體燃料的制備

試驗(yàn)采用“兩步法”配置納米流體燃料[9]，并采用超聲波振蕩的方法來增強(qiáng)納米流體燃料的懸浮穩(wěn)定性。通過一系列測試發(fā)現(xiàn)，對于石墨-正癸烷納米流體燃料，添加1%體積濃度的失水山梨糖醇脂肪酸酯(SP80)并超聲振蕩10 min獲得的納米流體燃料的懸浮穩(wěn)定性最佳，普遍能穩(wěn)定30 min及以上。故本試驗(yàn)均在上述條件下制備納米流體燃料。試驗(yàn)組濃度區(qū)間為0.1～1.0 mg/mL，每隔0.1 mg/mL設(shè)置1組。為了排除表面活性劑對試驗(yàn)結(jié)果的影響，增設(shè)了空白對照組，即量取同等體積的正癸烷并加入同等體積濃度表面活性劑(SP80)但不加入納米石墨的零濃度組。

1.3 試驗(yàn)方法

1.3.1 懸浮穩(wěn)定性的判定

本文采用灰度值法對懸浮穩(wěn)定性進(jìn)行評價(jià)。先將裝有配好納米流體燃料的試劑瓶水平靜置在恒溫恒濕且恒光照的環(huán)境中，每隔一定時(shí)間用相機(jī)進(jìn)行拍照得到原始圖片；再分別提取所得圖片每個(gè)像素點(diǎn)灰度值(0代表黑色，255代表白色)，使用肖維勒準(zhǔn)則剔除粗大誤差后，將剩余像素點(diǎn)的灰度值取平均并歸一化，用以表征納米流體燃料的懸浮穩(wěn)定性。

1.3.2 密度、粘性系數(shù)及表面張力系數(shù)的測量

本文采用標(biāo)準(zhǔn)密度瓶法測量密度，試驗(yàn)儀器選用上海市崇明建設(shè)玻璃儀器廠有限公司生產(chǎn)的附溫比重瓶。并采用奧式粘度計(jì)測量粘性系數(shù)，試驗(yàn)儀器選用北京騰達(dá)實(shí)驗(yàn)科教儀器廠生產(chǎn)的奧氏粘度計(jì)。最后采用改進(jìn)的DuNoüy吊環(huán)法對各濃度納米流體燃料的表面張力系數(shù)進(jìn)行測量，試驗(yàn)儀器選用HZDH公司生產(chǎn)的型號為DH4607的液體表面張力系數(shù)測量儀。

2 試驗(yàn)結(jié)果與討論

2.1 納米石墨濃度對納米流體燃料懸浮穩(wěn)定性的影響

圖1 石墨-正癸烷納米流體燃料的灰度值比率隨濃度變化情況

運(yùn)用灰度法值對納米流體燃料的懸浮穩(wěn)定性進(jìn)行定量表征，其中，靜置初始時(shí)刻、靜置1 h，2 h，4 h及8 h的納米流體燃料灰度值比率隨其中納米顆粒濃度Ф的變化情況如圖1所示，其中初始時(shí)刻的值為“1”。從圖1可以看出，隨著靜置時(shí)間的延長，各濃度的灰度值均有所增加，即納米流體燃料的顏色隨時(shí)間逐漸變淺，這是由于納米顆粒團(tuán)聚沉降引起納米流體燃料中懸浮的納米石墨顆粒變少所致；灰度值比率隨納米流體燃料濃度的增大而增大，即納米流體燃料的懸浮穩(wěn)定性隨其濃度的增大而減弱。納米流體燃料的懸浮穩(wěn)定性與顆粒沉降速度相關(guān)，顆粒沉降速度為：

(1)

式中，v為顆粒沉降速度，d為團(tuán)聚顆粒直徑，ρs為固體顆粒密度，ρl為基液密度，η為基液粘性系數(shù)，g為重力加速度。由式(1)可知，顆粒的沉降速度與自身粒徑的平方成正比。納米流體燃料濃度越大，其中顆粒越容易吸附在一起形成大顆粒，從而加快沉降速度，懸浮穩(wěn)定性減弱。

2.2 納米石墨濃度對納米流體燃料密度的影響

圖2 石墨-正癸烷納米流體燃料的密度及其不確定度隨濃度變化情況

測量納米石墨-正癸烷流體燃料的密度時(shí)，進(jìn)行了3次重復(fù)試驗(yàn)，密度均值及其不確定度隨濃度變化情況如圖2所示。由圖2可以看出，納米流體燃料的密度隨著納米石墨顆粒濃度的增加而線性增加。這表明納米石墨顆粒的添加，使整體質(zhì)量增大的程度大于體積增大的程度。這是由于基液液體分子之間存在空隙，石墨分子由于更小的體積得以插入這些間隙之間。而密度的不確定度來源于兩個(gè)方面：一是標(biāo)準(zhǔn)密度瓶精度導(dǎo)致的系統(tǒng)誤差，二是稱量試驗(yàn)樣品時(shí)產(chǎn)生的隨機(jī)誤差。

2.3 納米石墨濃度對納米流體燃料粘性的影響

圖3 石墨-正癸烷納米流體燃料的粘性系數(shù)及其不確定度隨濃度變化情況

測量納米石墨-正癸烷流體燃料的粘性系數(shù)時(shí)，進(jìn)行了5次重復(fù)試驗(yàn)，粘性系數(shù)均值及其不確定度隨濃度變化情況如圖3所示。由圖3可以看出，粘性系數(shù)隨濃度呈3次項(xiàng)擬合規(guī)律。相比濃度為0的空白對照組，其他各濃度納米流體燃料的粘性系數(shù)略微增大，最大增幅不超過5%。隨著濃度的增大，粘性系數(shù)先增大后減小再增大。

由于基液中添加了納米顆粒引起粘性系數(shù)的增大，增強(qiáng)了體系的剪切效應(yīng)[10]，但在顆粒濃度不高的情況下，納米顆粒的加入對于利用兩步法制備的納米流體的運(yùn)動(dòng)粘度來說影響很小[11]。粘性系數(shù)隨濃度的增大產(chǎn)生小幅波動(dòng)可能是由于納米顆粒的團(tuán)聚效應(yīng)導(dǎo)致的，納米顆粒的團(tuán)聚使顆粒在基液中分布不均，從而改變體系的剪切效應(yīng)。

2.4 納米石墨濃度對納米流體燃料表面張力的影響

圖4 石墨-正癸烷納米流體燃料的表面張力系數(shù)及其不確定度隨濃度變化情況

測量納米石墨-正癸烷流體燃料的表面張力系數(shù)時(shí)，進(jìn)行了10次重復(fù)試驗(yàn)，表面張力系數(shù)均值及其不確定度隨濃度變化情況如圖4所示。從圖4可以看出，納米石墨顆粒對體系表面張力的影響分為2個(gè)階段：

(1)濃度為0～0.2 mg/mL時(shí)，納米石墨-正癸烷流體燃料的表面張力系數(shù)隨濃度的增大而線性減小，說明固相對液相的影響十分顯著，并且可以改變氣/液相界面。Tanvir等[12]對此做出了解釋：在低顆粒濃度下，加入表面活性劑后，納米流體中表面張力降低的原因在于，表面活性劑層的存在產(chǎn)生了顆粒之間的靜電排斥力，降低了表面自由能，從而導(dǎo)致表面張力降低。

(2)濃度為0.2～1.0 mg/mL時(shí)，表面張力系數(shù)與納米石墨顆粒濃度呈4次遞增關(guān)系。納米石墨-正癸烷流體燃料的表面張力系數(shù)先隨納米石墨顆粒濃度的增大而迅速增大，隨后增大速率越來越小，直至平緩。這是因?yàn)樵跐舛容^低時(shí)，隨著大量納米石墨顆粒的加入，更多的納米石墨顆粒傾向于積聚在液體/氣體界面上并試圖彼此靠近，這使得顆粒間的引力勢能(范德華力)增大，從而減少了納米顆粒和液體分子之間的平均間距[13]，最終導(dǎo)致表面張力的增加；隨著濃度的繼續(xù)增大，納米顆粒的團(tuán)聚效應(yīng)加劇，從而加速了顆粒的沉降速度，進(jìn)而導(dǎo)致納米流體燃料表面的顆粒數(shù)越來越難增加，所以表面張力的增大速率減弱。

3 結(jié)束語

本文對石墨-正癸烷體系的納米流體燃料的懸浮穩(wěn)定性與物性參數(shù)等物理特性進(jìn)行了研究。納米流體燃料在低濃度(0～1.0 mg/mL)下，隨著納米顆粒濃度的增大，納米流體燃料的懸浮穩(wěn)定性減弱，密度呈線性增大，粘性有微弱的增大，表面張力系數(shù)先線性減小后呈4次遞增，說明納米添加劑對基液物理特性具有一定的規(guī)律性作用。后續(xù)將對較高顆粒濃度下的石墨-正癸烷納米流體燃料的物理特性展開更深入的研究。