甲醇燃料摻雜表面活性劑的研究

尹國杰,孔永平,張玫姣,王文霞,郝山林,王景鵬

(1.洛陽理工學院 環(huán)境工程與化學學院，河南 洛陽 471023;2.鄭州星創(chuàng)能源科技有限公司，河南 鄭州 450001)

能源是當今社會面臨的一個非常嚴峻的問題，尋找更加清潔高效的新能源迫在眉睫。甲醇是一種能夠大量生產使用的替代能源，是一種非常合適的清潔能源，其市場前景廣闊[1]。

甲醇作為結構最簡單的飽和一元醇，屬于極性較大的溶劑。分子間存在氫鍵，氫鍵的作用力比范德華力大得多，使得甲醇的沸點比分子量接近的烷烴要高。同時作為碳鏈最短的醇，還可以與水形成氫鍵，使之能與水以任意比混溶。甲醇的化學性質主要由它的羥基官能團決定，既可以看成酸(羥基具有活潑氫)也可以看成堿(氧能提供電子對)，添加表面活性劑可以調控溶液的表面張力[2-4]。

近年來，甲醇燃料作為發(fā)動機機燃料已經(jīng)在我國很多城市被推廣使用[5-7]。作為車用燃料，其主要有形式兩種：一是將甲醇添加至汽油、柴油中，再加入合適的添加劑或在甲醇中摻雜其他燃料成為混合燃料；二是由甲醇合成技術衍生出來的合成甲醇燃料。目前，國內外的研究和使用主要集中在第一種途徑上[8]。作為能源，甲醇燃燒使用技術十分有限，傳統(tǒng)蒸發(fā)汽化和簡單加壓霧化方式的燃燒工藝無法使其熱效率最大化，無法滿足大功率燃燒，在這方面?zhèn)鹘y(tǒng)的石油能源占據(jù)著巨大的優(yōu)勢，因此能否解決好這個問題成了甲醇燃料發(fā)展的一個巨大阻礙[9-10]。這使得向甲醇燃料中摻雜適當?shù)奶砑觿?，來改善提升甲醇燃料品質，成為了一個新的研究方向，這也是中國部分燃油工業(yè)鍋爐、窯爐、中央空調等中小型熱力裝置所在部門正在探索的道路。

本文設計的甲醇燃料是醇基燃料的一種，以粗甲醇為原料，加入適當?shù)乃推鹋輨?，其使用方向是應用于炊具的燃燒。還有一大方向是添加適當?shù)奶砑觿┖蠹尤氲狡突虿裼椭?，制成的一種新型清潔燃料。更低的成本以及更小的污染使之成為當今民用燃料發(fā)展的一大熱點，同時這種技術的普及也得到了政府部門的高度重視。甲醇的生產方式有很多，天然氣、煤炭、焦炭、渣油、石腦油、乙炔尾氣等都可以作為原料生產甲醇。當今甲醇生產技術主要使用中壓法和低壓法兩種工藝，并以低壓法為主，而高壓法的發(fā)展已處停滯狀態(tài)，這兩種工藝生產的甲醇約占世界甲醇總產量的八成以上[11]。

本文針對甲醇燃料摻雜表面活性劑進行研究，選取十二醇、AES、十六烷基三甲基溴化銨來加入到甲醇溶液中，使甲醇溶液起泡，以泡沫狀態(tài)在爐具中燃燒。調整表面活性劑的比例，通過實驗測定尋找低成本的最佳表面活性劑配方。研究甲醇燃料新的使用方法，使其在家庭灶具或餐飲行業(yè)中使用，從而代替?zhèn)鹘y(tǒng)的液化氣。主要方向是實現(xiàn)甲醇燃料應用更簡便、更清潔、更高效，設計出合適的工具，使配制的甲醇燃料能大規(guī)模生產并應用。

1 實驗材料與方法

1.1 實驗材料

本實驗中使用的試劑和藥品，均為化學純或分析純。

1.2 實驗方法

1.2.1 表面活性劑的配方設計

實驗的初始配比：在50 mL甲醇中加入20 mL去離子水，再加入0.1 g十六烷基三甲基溴化銨、1.5 g AES、0.3 g正十二醇[12]?？紤]到成本問題，實驗的理想配比應盡量小，起泡狀態(tài)達到預計適合燃燒的狀態(tài)即可。

實驗采取對照法，對不同比例的表面活性劑、水的含量進行對照實驗，達到適合燃燒的狀態(tài)同時又能節(jié)約成本。本溶液起泡方式采用搖晃法。實驗時，使用帶有刻度的錐形瓶，加入適量的甲醇，并根據(jù)要求加入相應水和表面活性劑充分溶解后，急速搖晃30 s左右，觀察溶液是否起泡并記錄下停止攪拌時泡沫的體積。這種方法所用的試劑與儀器少，可以精確測量，也可以粗測表面活性劑的起泡性能，實驗周期短，使用條件受限制較少[12]。實驗的主要目的是使甲醇產生泡沫(在此不再記錄半衰期)，相對有一定的穩(wěn)定時間，適合燃燒即可。

1.2.2 摻雜表面活性劑的甲醇燃料燃燒實驗

甲醇燃料需要一個能夠加壓的裝置讓其壓出，選擇市面上十分常見的壓力噴壺，實現(xiàn)了甲醇燃料在爐具里燃燒，并且能夠控制火焰的大小，貼近生活實際。起初的甲醇燃料以泡沫狀燃燒，待燃燒一段時間后爐具溫度升高，甲醇汽化，會產生更旺的火焰。

2 結果與討論

實驗過程中發(fā)現(xiàn)，直接在配制好的甲醇溶液中加入這3種表面活性劑其溶解速度非常緩慢，主要原因是AES在甲醇中溶解緩慢，十二醇在常溫下是固體加熱溶解后加入到甲醇溶液中又會凝固，十六烷基三甲基溴化銨在甲醇溶液中溶解也較為緩慢?？紤]到AES易溶于水、十二醇易溶于甲醇，將十二醇溶解在甲醇中，AES溶解在水中。十六烷基三甲基溴化銨在甲醇中溶解速度快，先加入到甲醇溶液中，最后再混合二者溶液，可以大大減少溶解的時間。甲醇燃料摻雜表面活性劑的最佳溶解方式為在甲醇中溶解十六烷基三甲基溴化銨以及十二醇，在水中溶解AES，再將二者溶液混合。

50 mL無水甲醇添加20 mL水，再添加十六烷基三甲基溴化銨0.1 g、AES1.5 g、十二醇0.3 g，在此最佳起泡配比的基礎上探究更為合適的低成本比例如表1所示，主要目的為降低各種添加劑的加入量。

表1 不同配比的表面活性劑

甲醇溶液的起泡效果隨著水量的減少而降低，也隨著添加的表面活性劑量的減少而降低，如圖1所示?？紤]到成本以及水量對后期燃燒的影響，確定使用比例為1.0 W的甲醇添加水0.375 W(約27.27%含水量)、0.001 9 W十六烷基溴化銨、0.028 1 W AES、0.005 6 W十二醇(注：W表示為質量比)。實驗結果中燃料含水量略高于工業(yè)粗甲醇，只需在工業(yè)粗甲醇中再添加少量的水即可達到配制需求。

圖1 甲醇燃料起泡效果對比

在不點燃的情況下進行流量控制實驗，如圖2所示。氮氣的壓力從5 MPa開始向下調整，直至能控制甲醇流速穩(wěn)定，不至于壓力過大噴射飛濺，最終確定充入壓力為3 MPa左右。在流速穩(wěn)定并能根據(jù)爐具的閥門調節(jié)控制流量大小后進行了燃燒實驗，如圖3所示。甲醇燃料與小試結果一樣順利燃燒，并在燃燒一段時間后爐具的溫度升高，甲醇汽化燃燒火焰溫度會大幅度提高，但是會有較多水流出。結果表明本燃料用于烹飪是可以滿足需求的，但還需要對爐具進行改造，增加自動點火裝置、熄火自動停止燃料流出裝置、流量調節(jié)裝置等，使其更加安全，更加便捷。

圖2 甲醇燃料流速測試裝置 圖3 甲醇燃料燃燒測試

3 甲醇燃料市場調查研究

3.1 生產成本

本燃料使用的甲醇對純度要求不高，一般工業(yè)粗甲醇含量80%～90%，剩余物質主要是水,還含有少量其他醇、醚、醛、酸等有機物。 工業(yè)粗甲醇價格在1 500～1 900元/t。按照實驗結果，1 t粗甲醇需添加十六烷基三甲基溴化銨1.6 kg、AES 23.9 kg、十二醇4.8 kg，十六烷基三甲基溴化銨市場價為220元/kg、AES為7元/kg、十二醇為12.5元/kg，粗略估算本甲醇燃料成本約為2 100～2 600元/t。

3.2 甲醇燃料與液化氣、天然氣價格對比

目前市場上天然氣價格在3.5元/m3左右，液化氣價格6～7元/kg。摻雜表面活性劑后的甲醇燃料價格在2.5元/kg左右。甲醇燃料的熱值約30.6～37.7 MJ/kg，天然氣的熱值約為31～37 MJ/m3，液化氣的熱值45.22～50.23 MJ/kg。從單價以及理論燃燒熱值來說，甲醇燃料的價格與天然氣比較接近，二者相對于液化氣便宜的多。所以從價格方面甲醇燃料是值得推廣發(fā)展的能源。

4 結 語

隨著能源結構的變化以及政府對環(huán)境治理力度的加強，甲醇燃料這種高效而又清潔的能源是極具發(fā)展?jié)摿Φ?。隨著生產技術的成熟提高，甲醇的生產成本使其更具市場競爭力，相信很快會成為市場的主導產品。本文設計出醇基燃料的新型使用方法，其成本遠遠低于液化氣的成本,值得大力推廣。