Технические науки /4. Транспорт

Аспирант А. М. А. Аттия, д.т.н., профессор А. Р. Кульчицкий

Владимирский государственный университет им. А.Г. и Н.Г. Столетовых,

 Россия

 

Применение смесового эмульгатора для приготовления

однородной водотопливной эмульсии

 

Улучшение экологических показателей дизелей является актуальной проблемой, которая решается разными способами, в том числе применением альтернативных топлив. Одним из видов последних являются смеси воды с дизельным топливом.

Поскольку вода в дизельном топливе не растворяется, то их смесь может существовать только в виде водотопливной эмульсии (ВТЭ), при этом вода представляет собой дисперсную фазу, а топливо – дисперсную среду. Недостаток такой эмульсии  - это агломерирование капель воды с последующим их оседанием в связи с различием плотностей обоих компонентов (т.е. произойдёт расслоение эмульсии). Указанная проблема может решена применением поверхностно-активного вещества (ПАВ) − эмульгатора.

Принцип действия эмульгатора заключается в снижении межфазного поверхностного натяжения жидкостей, предотвращая тем самым возможность перемещения слоев одной жидкости относительно другой. Существуют два типа ПАВ: первый основан на химических материалах − синтетические ПАВ, а второй − на биологических материалах − биологические ПАВ [1]. При этом биологические ПАВ менее токсичны в связи с отсутствием в их молекулярной структуре ароматических колец, включающих атомарные азот и серу.

Эмульгатор содержит два компонента: гидрофильное, добавляемое к воде, и гидрофобное (липофильное), добавляемое к дизельному топливу; в дальнейшем вода и топливо смешиваются для получения ВТЭ. Соотношение между двумя компонентами представляет гидрофильно-липофильный баланс (ГЛБ), отражающий соотношение растворимостей ПАВ в воде и топливе; его величина для ВТЭ находится в диапазоне 3…8 единиц.

Биологические эмульгаторы, основанные на алифатических углеводородах, называются твин’ами (их ГЛБ > 14) − это гидрофильные вещества; они используются при приготовлении эмульсии масла в воде. Биологические эмульгаторы, основанные на сложных эфирах и жирных кислотах, носят название спан’ы (их ГЛБ < 5) − это липофильные вещества; они используются при приготовлении эмульсии воды в масле, аналогичные ВТЭ. При этом твёрдые спан’ы, для которых характерна длинноцепочечная структура, приводят (по сравнению с жидкими спан’ами) к образованию более стабильной эмульсии при высоком содержании воды. При малом содержании воды они же обеспечивают более высокую дисперсность эмульсии. Но высокий уровень межмолекулярного взаимодействия у твердых спан’ов способствует образованию конденсированных монослоев при 22…42 °С [2]. Cинергетичес­кий эффект применения смеси из твин’ов и спан’ов лучше, чем использование одного эмульгатора с эквивалентной величиной ГЛБ [3].

Существуют три способа добавления смесевого эмульгатора: добавление к дисперсной фазе, к дисперсной среде, а также добавление соответствующих частей эмульгатора к более растворяемой жидкости (например, при приготовлении ВТЭ гидрофильная часть добавляется к воде, а гидрофобная часть к дизтопливу). Во всех ситуациях первый способ не приводит к образованию стабильной эмульсии, а третий способ обеспечивает образование эмульсии с меньшим размером капель воды по сравнению со вторым способом [4].

Для получения однородной ВТЭ были использованы твердый спан-60 (ГЛБ=4,7) и жидкий твин-60 (ГЛБ=14,9). Поскольку спан-60 не растворяется в воде и, более того, при нормальной температуре является твёрдым веществом, то приготовление стабильной эмульсии возможно при следующей последовательности действий: добавление определённого количества эмульгатора в дизельное топливо, нагрев смеси до полного плавления спан-60, перемешивание, смешение с водой.

При подготовке эмульсии кроме исходных переменных (таких как содержание дисперсной фазы и эмульгатора) существуют еще два важных параметра: средний размер и распределение по размерам капель дисперсной фазы. Эти параметры, описывая морфологию эмульсии, измерены визуально с помощью оптического микроскопа и оборудования с динамическим рассеиванием лазерного света. В данной работе структура приготовленной эмульсии определена с помощью микроскопа МИКРОМЕД 3-20 с видеоокуляром DCM-510 (производство КНР) (Ошибка! Источник ссылки не найден.), а средний размер капель и их распределение по размерам определены на анализаторе размеров частиц Horiba LB-550 (производство Японии) (Рис. 2).

Степень дисперсности эмульсии определена по коэффициенту дисперсности δ, который показывает степень однородности размеров образованных капель:

где D90, D50 и D10 - диаметры капель, соответствующие 90, 50 и 10 об.% на интегральной кривой распределения по размерам. Чем меньше величина δ, тем уже распределение по размерам; при этом  если δ менее 0,5, то эмульсия считается монодисперсной.

В частности, как видно на рис.2, приготовленная эмульсия имеет очень узкое (однородное) распределение по размерам капель воды (т.е. по дисперсной фазе), которое характеризуется следующими данными: D90 = 0,67 мкм, D50 = 0,52 мкм и D10 = 0,45 мкм, δ = 0,42. Правая шкала ординат обозначает процент капель,  имеющих размер меньше некоторого (который может задаваться произвольно); и по этим данным также можно рассчитать значения D90, D50 и D10 и соответствующее им значение δ.

Выводы

1. Обеспечены стабильность и однородность водотопливной эмульсии на базе дизельного топлива (с содержанием воды до 17%) применением смесового эмульгатора: характеристики ВТЭ сохранялись неизменными в течение более 30 суток (без каких-либо следов расслоения), кроме образования в некоторых случаях белых монослоев в результате кристаллизации.

2. Для исключения явления кристаллизации возможно применение другого способа приготовления эмульсии, например вместо смешивания − путем мембранного эмульгирования, что позволяет повысить стабильность и однородность ВТЭ.

Рис.1. Структура ВТЭ (светлые точки – капли воды).

Примечание: 1 - общее увеличение х1200, в т.ч. окуляра - х40 и цифрового увеличения - х30); 2 - Состав ВТЭ по массе: 82 % дизельного топлива, 17,2 % воды и 0,8 % смесового эмульгатора с ГЛБ=7,23.

 

Рис. 2. Анализ распределения по размерам капель воды в ВТЭ через 15 дней ее получения.

Примечание: состав ВТЭ – по рис.1.

Литература

1. Lima, A. V., Alegre, R. M., “Evaluation of emulsifier stability of biosurfactant produced by saccharomyces lipolytica CCT-0913”, Brazilian archives of biology and technology, Vol. 52, No. 2, PP. 285-290, 2009.

2. Márquez, A. L., Palazolo, G. G., Wagner, J. R., “Water in oil (w/o) and double (w/o/w) emulsions prepared with spans: microstructure, stability, and rheology”, Colloid Polym Sci, Vol. 285, P.1119-1128, 2007.

3. Lif, A., Holmberg, K., “Water-in-diesel emulsions and related systems”, Advances in Colloid and Interface Science, Vol. 123, No. 126, PP.231 - 239, 2006.

4. Porras, M., Solans, C., Gonzalez, C., Gutierrez, J.M., “Properties of water-in-oil (W/O) nano-emulsions prepared by a low-energy emulsification method”, Colloids and Surfaces A: Physicochemical and Engineering Aspects, Vol. 324, P. 182-188, 2008.