用均勻設(shè)計(jì)的方法進(jìn)行陽離子型重油乳化劑的研究

　　目前世界所產(chǎn)石油越來越重。重油的凝固點(diǎn)較高,在常溫下為不流動(dòng)的固體,輸送困難。同時(shí)黏度較大,在燃燒時(shí)霧化不充分,導(dǎo)致燃燒不完全產(chǎn)生大量炭粒形成黑煙污染環(huán)境。重油中含有較多的雜原子硫和氮,燃燒時(shí)由于爐堂內(nèi)噴嘴處的溫度較高,形成硫和氮的氧化物,污染空氣。現(xiàn)在采用較多的辦法是加水乳化降低黏度,以利于輸送,產(chǎn)生“微爆”形成更小的油滴使燃燒得更加充分,同時(shí)也降低了爐堂溫度和過剩空氣系數(shù),減少了硫和氮的氧化物的形成。作者擬用陽離子表面活性劑(氯化十八烷基二甲基芐基銨)與其他表面活性劑復(fù)配對重油進(jìn)行乳化。并借助均勻設(shè)計(jì)軟件,探討各種表面活性劑之間的相互關(guān)系。

1實(shí)驗(yàn)

試劑:氯化十八烷基二甲基芐基銨,聚氧乙烯失水山梨醇單月桂酸酯,失水山梨醇單硬脂酸酯,乳酸乙酯等均為市購化學(xué)純。

重油:燕山石油化工公司產(chǎn),運(yùn)動(dòng)黏度ν₁₀₀=120mm²/ｓ。

乳化方法:將加熱到90℃左右的重油和加有乳化劑的水混合,在90℃水浴中采用電動(dòng)攪拌器充分?jǐn)嚢?/SPAN>30min。

穩(wěn)定性考察:將乳化油置于溫度為80℃的恒溫箱中放置12ｈ,觀察水的析出情況。按100-析出水的毫升數(shù)×100/30作為穩(wěn)定性指標(biāo)(未析出水量)。

2結(jié)果與討論

2.1　重油乳化劑配方的均勻設(shè)計(jì)

影響乳化重油性能的因素除了乳化劑的種類以外,其操作條件如溫度、攪拌速度和攪拌時(shí)間等對乳化效果也有很大影響。根據(jù)經(jīng)驗(yàn)及考慮乳化效果和水損失率,乳化重油的溫度定為90℃,電動(dòng)攪拌器攪拌30min。

渣油是復(fù)雜的烴類及其衍生物,一般乳化劑很難將它乳化。實(shí)際乳化時(shí)乳化劑的選擇和乳化方法是重要因素。將油和水一同攪拌時(shí)由于界面不斷分裂,界面面積急劇增大,界面能形成極大的力,聚結(jié)的速度也急劇加快。由于乳化劑具有表面活性,它向油-水界面吸附,使界面能降低,防止油或水回復(fù)原狀。此,因乳化劑分子膜將油滴包住,可防止碰撞的液滴彼此合并。同時(shí),由于形成表面雙電層,當(dāng)兩個(gè)液滴互相接近時(shí),因電的相斥作用而防止了凝聚。乳化劑的這種作用使原來熱力學(xué)不穩(wěn)定體系的乳液可保持為準(zhǔn)穩(wěn)定體系。渣油可用陽離子型、非離子型和陰離子型乳化劑進(jìn)行乳化。但如果用單一型乳化劑乳化,其乳化效果不太理想,若采用兩種或兩種以上不同性質(zhì)的乳化劑進(jìn)行乳化,一般容易得到穩(wěn)定的重油乳化液。作者采用均勻設(shè)計(jì)的方法進(jìn)行乳化劑的選擇。均勻設(shè)計(jì)所選擇的乳化劑中表面活性劑(自變量)及其變化范圍列于表1中。

表1自變量取值范圍

　　實(shí)驗(yàn)中選擇了6個(gè)自變量。為了使乳化液總量為一定值,水作為填充量而成為不定量。采用7因素20水平20次實(shí)驗(yàn)的均勻設(shè)計(jì)表Ｕ^*₂₀(20⁷)。根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果,做等值線圖(圖1)。
　

 　圖中數(shù)值大表示析出水量大,后面圖中數(shù)值表示穩(wěn)定性,與此表示方法相反

圖1　陰離子與陽離子表面活性劑之間的協(xié)同作用對析出水量的影響

從圖1中可見,陰離子和陽離子表面活性劑不能同時(shí)使用,相互之間的干擾很大,這是由于兩種物質(zhì)之間發(fā)生反應(yīng),所生成的產(chǎn)物不具有表面活性作用。陽離子表面活性劑與非離子表面活性劑之間存在著不同的交互作用。但由于體系中有陰離子一同參與了優(yōu)化,而它的影響較大。為了詳細(xì)考察陽離子表面活性劑與非離子表面活性的情況,取這兩類表面活性劑重新進(jìn)行均勻設(shè)計(jì)。

2.2　陽離子型乳化劑配方的設(shè)計(jì)及優(yōu)化

根據(jù)前面的實(shí)驗(yàn),重新選擇非離子表面活性劑與陽離子表面活性劑復(fù)配,所選自變量為聚氧乙烯失水山梨醇單月桂酸酯、失水山梨醇單硬脂酸酯、乳酸乙酯和氯化十八烷基二甲基芐基銨。同時(shí)考慮到pH起到很重要的作用,故一起進(jìn)行優(yōu)化。確定此配方的自變量及變化范圍列于表2。

實(shí)驗(yàn)方案設(shè)計(jì)中選了5個(gè)自變量,1個(gè)因變量,15次實(shí)驗(yàn),15個(gè)水平,采用Ｕ₁₅(15⁵)表。具體實(shí)施方案及結(jié)果見表3。

表3　陽離子型乳化劑均勻設(shè)計(jì)實(shí)施計(jì)劃

　　　將表3中的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)用均勻設(shè)計(jì)軟件進(jìn)行處理,作等值線圖2～5。從圖2～3可見,陽離子表面活性劑(氯化十八烷基二甲基芐基銨)與非離子表面活性劑(聚氧乙烯失水山梨醇單月桂酸酯)之間有強(qiáng)烈的協(xié)同作用,陽離子表面活性劑用量越大對穩(wěn)定性越有利,對聚氧乙烯失水山梨醇單月桂酸酯有一最佳值,對失水山梨醇單硬脂酸酯則同樣是用量越大越好。而對乳酸乙酯則用量越小越好(圖略)。pH越高對穩(wěn)定性越有利(圖4)。聚氧乙烯失水山梨醇單月桂酸酯與乳酸乙酯之間存在協(xié)同作用,聚氧乙烯失水山梨醇單月桂酸酯的用量有一最佳值(圖5)。