微乳柴油拟三元相图的绘制及燃烧热的测定

微乳柴油的拟三元相图绘制及燃烧热的测定

化学与环境学院 2010级

一、实验资料

微乳液：微乳液是一种由两种互不相溶的液体在表面活性剂界面膜的作用下生成的热力学稳定、各向同性的透明的分散体系。由于其能形成超低界

面张力,且具有高稳定性、大增溶量、以及粒径小等特殊性质,已引起人们广泛关注。

柴油微乳液：油与水在表面活性剂的作用下以合适的比例混匀将自发产生稳定的微乳燃料，它可以使燃烧更为完全且效率更高，从而节约了能源也

同时更加环保。

微乳燃料的节能环保及经济效益吸引着世界各国的科学家，并成为各国竞相开发的热点。随着近年来对两亲分子有序组合体研究的不断深入,

微乳液理论在乳化燃油领域取得了突破性进展，开发透明、稳定、性能与原燃油差不多的微乳液燃料成为了研究热点。

二、实验原理

微乳柴油与燃烧减排机理：乳化燃油与通常的乳状液一样，也分为油包水型(W/o)和水包油型(O/W)，在油包水型乳化燃料油中，水是以分散相均匀

地悬浮在油中，被称为分散相或内相，燃料油则包在水珠的外层，被称为连续相或外相。我们目前所见的大多数乳化燃料油都为油包水型乳化燃

料。乳化燃料燃烧是个复杂的过程，对其节能降污机理较为成熟的解释是

乳化燃料中存在的“微爆”现象和水煤气反应，也就是从燃料的物理过程和化学过程来解释。

物理作用—“微爆现象”油包水型分子基团，油是连续相，水是分散相，由于水沸点(100℃)低于燃油沸点(130℃以上)。在气缸温度急剧升高时，水微粒先沸腾气化，体积在万分之一秒内瞬间增大了1500倍左右，其气

化膨胀相当于一次极小的爆炸。当油滴中的压力超过油的表面张力及环境压力之和时。水蒸气产生的巨大压力将冲破油膜的束缚，无数小液珠产生的阻力使油滴发生爆炸，油雾化成更细小的油滴。小油滴与空气接触的比表面积成倍提高，形成二次燃烧的雾化条件，爆炸后的细小油滴更易燃烧，其燃烧表面比纯燃油增加了104倍左右。因此，减少了物理上的不完全燃

烧和排烟损失，提高了燃烧效率，使内燃机达到节能的效果。微爆产生的

为数甚多的爆炸波，冲破了包围火焰面的CO

2，N

2

惰性气体抑制层，促使

空气形成强烈的紊流，紊流使空气、燃油蒸气在燃烧室内做更均匀的分布，同时使温度场也变得更加均匀，从而加快了燃烧速度，减少了后燃现象，避免了燃烧区间局部高温而产生的热解和裂化，使燃烧更加完全。

化学作用—“水煤气反应”：在缺氧条件下，油燃烧产生热裂解，形成难以燃烧的碳，使排烟冒黑烟，而在水煤气存在时，水微粒高速汽化中所含的氧与碳粒子充分结合，并被完全燃烧而形成二氧化碳，从而大大提高喷燃雾化效果，使发动机燃烧效率提高，达到增强发动机动力、节省燃料的效果。

C + H

2O==CO+ H

2

C + 2 H

2O==CO

2

+2H

2

。

CO+ H

2O==CO

2

+ H

2

H 2 +O

2

==H

2

O

上述反应过程中，提高了乳化燃料的燃烧率，降低了排烟中的烟尘含量。同时由于乳化水的蒸发作用，均衡了燃烧时的温度场，从而抑制了NOx的形成，达到节能环保的目的。

掺混效应：微爆产生的爆炸波冲破了包围在火焰周围的CO

2、N

2

惰性气体

层，促使空气形成强烈的紊流，紊流使空气和柴油蒸汽在燃烧室内做更均匀的分布，同时温度场也变得更加均匀，从而加快了燃烧速度，减少了后燃现象，避免了在燃烧区间的局部高温而产生的热解和裂化，使燃烧完全。

抑制NO的生成：NO的生成主要有三个重要途径：（1）由空气中的NO

2

在高温区反应生成的热反应NOx；（2）火焰面上生成的活性NOx；（3）燃料中氮元素生成的燃料NOx。因此，生成的NO可分为温度型NOx和燃料型NOx，其中以温度型NOx为主。

影响NO生成的因素有：可燃混合物的组成，燃料在反应区停留时间，燃料温度和工作压力等。根据J.B.Howcr机理，NOx的生成速度为:

d[NOx]/dt = A•exp[-Ea/RT]•[N

2]•[0

2

]1/2

可见无论在内燃机或是其它燃烧装置上，NOx的生成量与反应温度呈指数关系增加。如果空燃比高，燃烧强度大，反应温度高，停留时间长，NOx则急剧增加。燃烧乳化油时，由于水滴汽化、产生微爆均需吸热，由

此可降低气缸工作温度，防止燃烧火焰局部高温，缩短燃烧时间，而且油掺水燃烧改善了空气和燃料混合比例，可以用较小的过量空气系数，即

[N

2]、[0

2

]浓度大幅度降低，从而显著降低温度型和燃料型NOx的生成，

抑制NOx对环境的污染。

水-柴油微乳液的配制与研究方法:对微乳柴油的研究通常包括为微乳燃油配

方选择合适的表面活性剂和助表面活性剂，并考察各组分对可增溶水量的影响，确

定最佳的微乳燃油配方比例。然后针对微乳柴油体系，通过相图、电导、NMR、FT-IR、分子光谱、荧光光谱、黏度法、电子显微镜等方式研究微乳液的结构,并进行燃烧性能与尾气排放量测定。

拟三元相图的研究方法：研究平衡共存的相数、组成和相区边界最方便、最有效的工具就是相图。在等温等压下三组分体系的相行为可以采用平面三角形来表示，称为三元相图。

对四组分体系，需要采用立体正四面体。而四组分以上的体系就无法全面的表示。通常对四组分或四组分以上体系，采用变量合并法，比如固定某两个组分的配比，使实际独立变量不超过三个，从而仍可用三角相图来表示，这样的相图称为拟三元相图。

对柴油微乳液的研究可采用拟三元相图的方法研究, 相图绘制简单，根据相图可以初步推测体系的结构状态,能够比较直观地反映微乳体系相

的变化,当体系有液晶相、凝胶相出现时,也能对微乳液及其相边界进行直观表示。

在表面活性剂和助剂含量一定情况下，将水往油中滴加，水量很少时为油包水型的球形微乳液，继续滴加水，水与油的比例将会变动，体系发生这样的变化:对称性水的球体一不对称性柱体一层状结构一水为外相的

各种结构，最终为对称性油的球体，这是体系内部引力变动而引起各种结构迭变的结果，而研究此方面最方便有效的工具就是相图，因此，表面活性剂相图的研究一直受到人们的关注。

也可以在水量一定的情况下，将复合表面活性剂往油中滴加，通过观察体系相的状态的变化以及体系中物质的重量比，通过拟三元相图的绘制，研究体系中物质的相溶性以及形成微乳液的条件。本实验采用此种方法进行乳化柴油的绘制。

三、实验目的