新型環(huán)保醇基汽油抗水性能研究及其對(duì)燃料性能的影響

魏承濤（西北工業(yè)學(xué)校，陜西 興平 713100）

1 引言

1.1 課題的意義

當(dāng)前，國(guó)內(nèi)國(guó)際能源日趨緊張，開發(fā)生物質(zhì)新能源、充分利用可再生能源，以保護(hù)環(huán)境，減排二氧化碳及石油燃料燃燒所產(chǎn)生的其他污染氣體，改變國(guó)民經(jīng)濟(jì)完全依賴石油能源的狀況，是大勢(shì)所趨[1]。

新型環(huán)保醇基汽油是將一定比例的甲醇（30%～40%） 和乙醇（10%） 調(diào)入基礎(chǔ)汽油（92# 汽油或催化裂化汽油，或這前兩者加入一定比例的直餾汽油或石腦油），再加入一定比例的具有抗水性、油溶性、抗爆穩(wěn)定性、抗氧化安定性、抗溶脹及腐蝕抑制劑等綜合性能的復(fù)合劑調(diào)合而成的高品位生物質(zhì)汽油。由于甲醇可從秸稈氣化、木屑干餾等制取，而乙醇更可從糧食、甘蔗、甜高粱等發(fā)酵制取，故新型環(huán)保醇基汽油是一種可再生的生物質(zhì)高品位汽油。而且可大量地減排二氧化碳、一氧化碳、碳?xì)浠?，大大地減少汽油燃燒對(duì)大氣的污染。故開發(fā)新型環(huán)保醇基汽油具有革新能源結(jié)構(gòu)，改變?nèi)加桶儆嗄陙?lái)完全依賴石油這種狀況的能源戰(zhàn)略意義。并且甲乙醇汽油成本將比石油汽油的低約30%，故具有很大的經(jīng)濟(jì)效益，對(duì)國(guó)民經(jīng)濟(jì)的發(fā)展、能源戰(zhàn)略和環(huán)境保護(hù)都具有戰(zhàn)略意義，是一項(xiàng)利國(guó)利民的好項(xiàng)目。

甲乙醇與汽油的溶解度受溫度的影響很大。溫度越高，互溶性越好，溫度越低，互溶性越差，越易分層。由于甲醇乙醇是極性很強(qiáng)的物質(zhì)，與水完全互溶，相對(duì)于無(wú)鉛汽油，甲醇乙醇汽油的吸水性顯著增強(qiáng)。而水分的存在會(huì)使甲醇乙醇與汽油的臨界互溶溫度提高，分層更為容易，即使穩(wěn)定的體系，當(dāng)混入水分時(shí)也會(huì)重新分層。因此，應(yīng)嚴(yán)格控制醇基汽油中的水分含量。對(duì)此我主要考察醇基汽油的抗水性能的研究，同時(shí)研究醇基汽油的配方調(diào)油技術(shù)，及其不同甲醇、乙醇對(duì)抗水性、透光率密度的影響，以及醇基汽油綜合配方燃料性能的考察研究，經(jīng)過(guò)初步的醇基汽油理化特性與指標(biāo)試驗(yàn)驗(yàn)證，能夠指導(dǎo)醇基汽油的工業(yè)生產(chǎn)，促進(jìn)醇基汽油燃料汽車產(chǎn)業(yè)健康、有序的發(fā)展。

1.2 國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀

當(dāng)前，乙醇汽油在吉林、黑龍江、河南、安徽等省正大力推廣應(yīng)用。乙醇汽油是由10%無(wú)水乙醇和92%車用汽油調(diào)合而成。乙醇汽油推廣應(yīng)用中的主要問(wèn)題是有漆膜生膠積碳、局部腐蝕、遇水（約0.5%～1%）分層及抗溶脹等問(wèn)題，這些問(wèn)題主要是缺少相應(yīng)的功能添加劑，問(wèn)題不難解決。

甲醇汽油起步較晚，但當(dāng)前已有山西5 個(gè)城市于2004 年開始推廣應(yīng)用。甲醇汽油推廣應(yīng)用中的主要問(wèn)題除了與乙醇汽油推廣應(yīng)用中存在主要問(wèn)題類同外。還有，甲醇汽油的油溶性和抗水性不如乙醇汽油的問(wèn)題。這些問(wèn)題只要有相應(yīng)的功能添加劑就可解決?？朔艘掖计秃图状计驮谑褂弥谐霈F(xiàn)的問(wèn)題，在抗水性、油溶性、抗爆穩(wěn)定性、抗氧化安定性、抗溶脹及腐蝕抑制等綜合性能方面有了很大的改進(jìn)，又拓寬了可再生車用燃油來(lái)源、大大地降低成本的顯著效果[2]。

2 實(shí)驗(yàn)部分

2.1 主要的實(shí)驗(yàn)儀器裝置

調(diào)速多用振蕩器，HY-4 型，上海浦東物理光學(xué)儀器廠；

分光光度計(jì)，T-72 型；

微電腦自動(dòng)量熱計(jì)，WZR-1A 型，長(zhǎng)沙奔特儀器設(shè)備有限公司；

電子天平梅特勒，AL104 型；

水浴（能維持在50 ℃）；

密度儀（量程0.700 0～0.800 0）；

溫度計(jì)（0～400 ℃）；

50 毫升具塞量筒；

分液漏斗，250 mL；試管；漏斗；量筒，25、50 和100 mL；錐形燒瓶，100 mL 和250 mL；量筒，25、50和100 mL；錐形燒瓶，100 mL 和250 mL；

磨光材料（150 號(hào)和180 號(hào)的砂紙）；

試驗(yàn)彈，磨片夾鉗，氧氣鋼瓶，萬(wàn)用表，腐蝕標(biāo)準(zhǔn)色板；

石油產(chǎn)品餾程測(cè)定器，銅片。

2.2 主要的實(shí)驗(yàn)試劑及藥品

92#車用汽油，市售，中石油陜西銷售；

無(wú)水甲醇，分析純，天津市紅巖化學(xué)試劑廠；

無(wú)水乙醇，分析純，天津市紅巖化學(xué)試劑廠；

AR 分析甲醇，分析純，廣東汕頭市西隴化工廠；

氫氧化鈉，分析純，成都市科龍化工試劑廠；

三水合乙酸鉛，AR 分析純，廣東汕頭市西隴化工試劑廠；

升華硫，天津市河?xùn)|區(qū)紅巖試劑廠；

苯，分析純，天津市永大化學(xué)試劑開發(fā)中心；

酚酞、甲基橙，指示劑；

復(fù)合劑；

洗滌溶液（1∶1 的醇苯溶液）。

2.3 實(shí)驗(yàn)原理

甲醇、乙醇和汽油是極性和非極性很強(qiáng)完全不相溶液液進(jìn)行混合溶解。它們混合后在復(fù)合劑的作用下形成微乳液，分散相微粒大約呈50～100 nm 的微小顆粒。從而形成不混濁、不分層、清澈透明的微乳液。復(fù)合劑的作用在于，能夠把醇基汽油中的醇分子和汽油分子結(jié)合在一起，形成一層極性和非極性分子膜，該膜的一端呈極性，與醇分子相聯(lián)，而另一端呈非極性，與汽油分子相連，從而形成穩(wěn)定地微乳液體系，使醇基汽油不易發(fā)生相分離。利用分子基團(tuán)的作用原理，分子基團(tuán)越大，它的非極性增強(qiáng)。實(shí)驗(yàn)證明，甲醇屬分子氫鍵締合，乙醇鍵較長(zhǎng)，為極化分子，與汽油混合相溶，能夠形成微乳液。

2.4 實(shí)驗(yàn)步驟

2.4.1 醇基汽油的調(diào)合

工藝流程圖如圖1 所示。

圖1 醇基汽油調(diào)合工藝原理流程

2.4.2 醇基汽油透光率的測(cè)定

用T-72 型分光光度計(jì)，1 cm 光槽，用4∶1 的甲乙醇做標(biāo)準(zhǔn)溶液，波長(zhǎng)在200～600 nm 范圍進(jìn)行探索，找出能區(qū)分這類樣品透光率的波長(zhǎng)。

2.4.3 醇基汽油相對(duì)密度的測(cè)定

用量程范圍在0.700 0～0.800 0 的密度儀進(jìn)行測(cè)量。

2.4.4 醇基汽油抗水性的測(cè)定

取樣品各200 mL，分別置于兩只300 mL 三角瓶中，向1#樣品加入2 mL 蒸餾水，劇烈搖蕩30 min，2#樣品不加水，將兩樣品置于15～20 ℃的室溫中，靜置72 h 后，無(wú)相分離，目測(cè)觀察樣品應(yīng)相同，并無(wú)混濁/分層現(xiàn)象；或?yàn)榱水?dāng)時(shí)就能觀測(cè)可先如下方法測(cè)試：用洗耳球?qū)χ兔娲碉L(fēng)，置其球嘴離油面約20 mm處用手用力捏球，吹100 余下，而無(wú)混濁現(xiàn)象，但后一方法只作為快速測(cè)試觀測(cè)方法。前一方法暫定標(biāo)準(zhǔn)名為XB-WP/T103—2006。

2.4.5 醇基汽油餾程的測(cè)定

方法概要：100 mL 試樣在規(guī)定的儀器及試驗(yàn)條件下，按產(chǎn)品性質(zhì)的要求進(jìn)行蒸餾，系統(tǒng)的觀察溫度讀數(shù)和冷凝液體積，然后從這些數(shù)據(jù)算出測(cè)定結(jié)果。

2.4.6 醇基汽油抗腐蝕性能的測(cè)定

本試驗(yàn)采用銅片腐蝕試驗(yàn)法GB 5096—85。

方法概要：把一塊已磨好的銅片浸在一定量的試樣中，并按產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)要求加熱到指定的溫度，保持一定的時(shí)間。待試驗(yàn)周期結(jié)束后，取出銅片，經(jīng)洗滌后與腐蝕標(biāo)準(zhǔn)色板進(jìn)行比較，確定腐蝕級(jí)別。

2.4.7 醇基汽油凈熱值的測(cè)定

方法概要：將試樣裝在氧彈內(nèi)的小皿中，用易燃而不透氣的膠片或把試樣封閉在聚乙烯管制成的管中，使試樣在壓縮氧氣中燃燒，以測(cè)定其燃燒時(shí)所發(fā)生的熱值（彈熱值），作為凈熱值的測(cè)定基礎(chǔ)[3]。

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析和討論

3.1 不同甲醇加入量對(duì)抗水性、透光率及相對(duì)密度的影響的測(cè)定結(jié)果

以ME50（40%甲醇+10%乙醇+50%汽油（90#）+外加5%復(fù)合劑）為準(zhǔn)，10%乙醇不變，改變甲醇的量10%、15%、20%、25%、30%、35%、40%，外加5%的復(fù)合劑不變。其測(cè)定結(jié)果如表1 所示。

表1 不同甲醇加入量對(duì)抗水性、透光率及相對(duì)密度的影響的測(cè)定結(jié)果

試驗(yàn)結(jié)果表明，隨著甲醇量的不斷增加，由于甲醇的密度較汽油大，其相對(duì)密度也隨之變大，其透光率基本上保持不變，醇基汽油的抗水性隨著甲醇量的增加在不斷的增強(qiáng)（圖2）。甲醇與汽油形成醇包油型微乳液，分散介質(zhì)甲醇量的增加，使其微粒變小，微乳液更加穩(wěn)定。當(dāng)加入水時(shí)，相當(dāng)于加入了破乳劑，刺破了微粒，使其不穩(wěn)定而分層。所以甲醇量增多了，可容忍更多水量，使抗水性增強(qiáng)。

圖2 甲醇加入量對(duì)醇基汽油的抗水性的影響

3.2 不同乙醇加入量對(duì)抗水性、透光率及相對(duì)密度的影響的測(cè)定結(jié)果

以ME50（40%甲醇+10%乙醇+50%汽油（90#）+外加5%復(fù)合劑）為準(zhǔn)，40%甲醇不變，改變乙醇的量2%、4%、6%、8%、10%、12%、14%，外加5% 劑不變。其測(cè)定結(jié)果如表2 所示。

表2 不同乙醇加入量對(duì)抗水性、透光率及相對(duì)密度的影響的測(cè)定結(jié)果

試驗(yàn)結(jié)果表明，隨著乙醇量的不斷增加，由于乙醇的密度較汽油大，其相對(duì)密度也隨之變大，其透光率基本上保持不變，醇基汽油的抗水性隨著乙醇量的增加在不斷的增強(qiáng)（圖3）。乙醇與汽油形成醇包油型微乳液，分散介質(zhì)乙醇量的增加，使其微粒變小，微乳液更加穩(wěn)定。當(dāng)加入水時(shí)，相當(dāng)于加入了破乳劑，刺破了微粒，使其不穩(wěn)定而分層。所以乙醇量增多了，可容忍更多水量，使抗水性增強(qiáng)。

圖3 乙醇加入量對(duì)醇基汽油的抗水性的影響

3.3 醇基汽油綜合配方的抗水性能的測(cè)定結(jié)果

以ME50 為基準(zhǔn)，進(jìn)行對(duì)ME30（M25E5）、ME40（M35E5）、ME50（M40E10）、ME60（M50E10）、ME70（M60E10）、ME80（M70E10）的抗水性能試驗(yàn)，其測(cè)定結(jié)果如表3 所示。

表3 綜合配方抗水性能的測(cè)定結(jié)果

試驗(yàn)結(jié)果表明：綜合配方的透光率不斷增大，其抗水性在不斷的增強(qiáng)。醇基汽油的抗水性隨著甲乙醇量的增加在不斷的增強(qiáng)（圖4）。甲乙醇與汽油形成醇包油型微乳液，分散介質(zhì)醇基含量的增加，使其微粒變小，微乳液更加穩(wěn)定不分層。當(dāng)加入水時(shí)，相當(dāng)于加入了破乳劑，刺破了微粒，使其不穩(wěn)定而分層。所以醇基量增多了，可容忍更多水量，抗水性增強(qiáng)了。

圖4 綜合配方抗水性能的影響

3.4 醇基汽油綜合配方燃料性能考察的測(cè)定結(jié)果

3.4.1 餾程的測(cè)定結(jié)果

以ME50 為基準(zhǔn)，進(jìn)行對(duì)ME30（M25E5）、ME40（M35E5）、ME50（M40E10） 的餾程性能試驗(yàn)，其測(cè)定結(jié)果如下所述。

（1） ME30 餾程的測(cè)定結(jié)果。ME30（M25E5）的餾程結(jié)果如表4 所示。

表4 ME30 餾程測(cè)定結(jié)果（P=727.5 mmHg）

根據(jù)圖5 可知，餾出液體積=96.8 mL，殘留物體積=0.9 mL，蒸餾損失=2.3 mL。

圖5 ME30 餾程圖

（2） ME40 餾程的測(cè)定結(jié)果。ME40（M35E5）餾程的測(cè)定結(jié)果如表5 所示。

表5 ME40 餾程測(cè)定結(jié)果（P=728.5 mmHg）

根據(jù)圖6 可知，餾出液體積=97.2 mL，殘留物體積=0.8 mL，蒸餾損失=2.0 mL。

圖6 ME40 餾程圖

（3） ME50 餾程的測(cè)定結(jié)果。ME50 （M40E10） 餾程的測(cè)定結(jié)果如表6 所示。

表6 ME50 餾程的測(cè)定結(jié)果（P=726.3 mmHg）

根據(jù)圖7 可知，餾出液體積=97.1 mL，殘留物體積=0.9 mL，蒸餾損失=2.0 mL。

圖7 ME50 餾程圖

小結(jié)：試驗(yàn)結(jié)果表明，在醇基含量低于50%時(shí)從初餾點(diǎn)到80% 餾出體積時(shí)溫度變化不大，但到90%餾出體積時(shí)溫度變化很大。由于甲乙醇的沸點(diǎn)較低，已經(jīng)餾出很多，只剩下汽油，所以溫度突然變化很大。同時(shí)從以上試驗(yàn)可以看出10% 餾出溫度均在50 ℃左右，溫度較低，說(shuō)明其醇基汽油所含低沸點(diǎn)餾分越多，蒸發(fā)性強(qiáng)，能使汽油機(jī)在低溫下易于啟動(dòng)。50%餾出溫度都在65 ℃左右，比較低，在溫度下能很好的蒸發(fā)，從而能縮短汽油機(jī)的升溫時(shí)間，同時(shí)，還可以使發(fā)動(dòng)機(jī)加速靈敏、運(yùn)轉(zhuǎn)柔和。90%餾出溫度在135 ℃左右，溫度不高，說(shuō)明其醇基汽油中含有重質(zhì)餾分不多，可保證汽油在使用條件下可以完全蒸發(fā)和完全燃燒，可減少汽缸內(nèi)的積炭，耗油率降低，HC 排放濃度減小，避免未蒸發(fā)的汽油沖刷發(fā)動(dòng)機(jī)氣缸壁油膜，流入曲軸箱后稀釋發(fā)動(dòng)機(jī)潤(rùn)滑油，減少了發(fā)動(dòng)機(jī)潤(rùn)滑油的變質(zhì)，使其正常潤(rùn)滑[4]。在醇基含量大于50%時(shí)90%餾出溫度在70 ℃左右，明顯低于其他90%餾出溫度，說(shuō)明汽油含量減少，溫度上升的慢，屬于正?，F(xiàn)象。

3.4.2 抗腐蝕性能測(cè)定結(jié)果

以ME50 為基準(zhǔn)，進(jìn)行對(duì)ME30（M25E5）、ME40（M35E5）、ME50（M40E10） 的抗腐蝕性能試驗(yàn)，即銅片試驗(yàn)，其測(cè)定結(jié)果如表7 所示。

表7 抗腐蝕性能測(cè)定結(jié)果

試驗(yàn)結(jié)果表明：在50 ℃，3 h 恒溫水浴下銅片腐蝕均達(dá)到國(guó)家一級(jí)標(biāo)準(zhǔn)。

3.4.3 凈熱值性能的測(cè)定結(jié)果

以ME50 為基準(zhǔn)，進(jìn)行對(duì)ME30（M25E5）、ME40（M35E5）、ME50（M40E10）的水溶性酸堿，其測(cè)定結(jié)果如表8 所示。

表8 凈熱值性能測(cè)定結(jié)果

試驗(yàn)結(jié)果表明：隨著醇基含量的增加，其凈熱值在不斷減小，由于醇類熱值比較低，所產(chǎn)生的燃燒熱較汽油燃燒值低。但由于醇類分子中含有氧，完全燃燒所需的空氣質(zhì)量比汽油少得多，燃燒產(chǎn)生的尾氣帶走的熱量少，這就使發(fā)動(dòng)機(jī)總熱效率得到提高。同時(shí)醇類汽油的有效質(zhì)量燃油消耗率高，可以完全燃燒。所以在實(shí)際行車中凈熱值是較高的。（ ）

4 結(jié)語(yǔ)

（1） 本文主要研究與論述了醇基汽油的調(diào)油配方技術(shù)，及其不同甲醇、乙醇對(duì)抗水性、透光率密度的影響，以及進(jìn)行了醇基汽油綜合配方燃料性能的考察研究。

（2）找出了甲醇、乙醇等諸因素變化時(shí)，對(duì)產(chǎn)品性能的影響規(guī)律，即該兩個(gè)因素在配方中的比例不斷增加，則其醇基汽油的密度不斷的增大，其透光率基本保持不變，它的抗水性增強(qiáng)。

（3）在醇基汽油綜合配方的研究試驗(yàn)中，醇基汽油能使汽油機(jī)在低溫下易啟動(dòng)（10%餾出溫度較低）。加速靈敏，縮短汽油機(jī)的升溫時(shí)間，并很快能提起速度（50%餾出溫度較低），同時(shí)燃燒效果也好，積炭少，對(duì)潤(rùn)滑油腐蝕少（90%餾出溫度干點(diǎn)均較低）；在抗腐蝕方面符合國(guó)家車用燃油的標(biāo)準(zhǔn)，腐蝕性??；其產(chǎn)生的熱值不太理想，但燃燒效率比普通的汽油要高。