Водно-паливна мікроемульсія

Реферат: Винахід належить до рідких вуглеводневих палив, зокрема до пожежо- та вибухобезпечних водно-паливних мікроемульсій, які використовують для двигунів внутрішнього згорання, печей масляного обігріву і дозволяють зменшити витрати вуглеводневого пального, знизити токсичність відпрацьованих газів, зменшити теплонапруженість двигуна. Заявлено водно-паливну мікроемульсію на основі дизельного палива, водної фази та емульгаторастабілізатора, одержаного взаємодією олій з оксіетилованим етилендіаміном, причому як водну фазу містить електроактивовану лужну воду (аноліт). UA 102469 C2 (12) UA 102469 C2 UA 102469 C2 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 Винахід належить до рідких вуглеводневих палив, зокрема до пожежо- та вибухобезпечних водно-паливних мікроемульсій, які використовують для двигунів внутрішнього згоряння, печей масляного обігріву і дозволяють зменшити витрати вуглеводневого пального, знизити токсичність відпрацьованих газів, зменшити тепло напруженість двигуна. Мікроемульсійне паливо - це прозора, термодинамічно стійка двофазова емульсія, дисперсійним середовищем якої є широко використовувані традиційні палива - бензин, дизельне паливо, мазут, а внутрішньою фазою - вода, яка стабілізована поверхнево-активними речовинами (ПАР). Вода поліпшує горіння через додаткове дроблення крапель палива, збільшення площі поверхні частинок, добре перемішування пального з повітрям, що в сукупності сприяє істотному зниженню температури горіння палива в цілому. Час згорання краплі мікроемульсії скорочується, що сприятливо позначається на зниженні утворюваних оксидів азоту, вуглецю та сірки, догоранні вуглецевих залишків, зменшенні відкладень у вигляді нагару на робочих поверхнях двигуна чи сажі у продуктах горіння. Вигорання вуглеводнів досягає 99 %, а економія вуглеводневого палива за рахунок додавання води і поліпшення процесів його горіння складає від 5 до 25 %. Відомі паливні композиції, що містять вуглеводневе паливо, воду і ПАР, які слугують емульгаторами [1]. Недоліком їх є високі концентрації емульгаторів, які є малоефективними стабілізаторами, що зумовлює низьку стабільність утворених емульсій, їх розшарування при зберіганні з виділенням води і перебігом несприятливих процесів викликаних нею. Відомі зворотні мікроемульсійні системи з дизельного палива - 98,466-69,401, води - 1-20 та ПАР "Амікром М" - 0,534-10,599 [2]. "Амікром М" є продуктом взаємодії олеїнової кислоти (ТУ 9145-172-7431297-94) з діетаноламіном (ТУ 6-09-2652-86) і складається з діетаноламіду олеїнової кислоти, діетаноламінового мила олеїнової кислоти, діетаноламіну, моноестеру олеїнової кислоти і діетаноламіну та моноестеру олеїнової кислоти з аміноетанолом. Недоліками вказаної паливної композиції є використання вартісного емульгатора "Амікром М" в концентрацій близько 8 %, підвищена (більш ніж у 2 рази) в'язкість паливної мікроемульсії у порівнянні з вихідним паливом, що ускладнює її прокачування через фільтри очистки палива до форсунок та тривалий час приготування. Найбільш близьким до заявленого винаходу за технічною суттю і результатом є вибрана нами за прототип водно-паливна мікроемульсія [3], що містить, об. %: воду - 1,0-15,0, емульгатор-стабілізатор "Олеодін", одержаний взаємодією олій з оксіетилованим етилендіаміном - 0,1-5,0, дизельне паливо марок: літнє, зимове, авіаційне - решта до 100. До недоліків прототипу відносяться: 1. Тривалий час і високі енергетичні витрати на приготування мікроемульсій. 2. Підвищена в'язкість паливної мікроемульсії у порівнянні з вихідним паливом. 3. Недостатній вміст водної фази, що обмежує використання мікроемульсійного палива технікою, що експлуатується в умовах з підвищеною пожежобезпечністю. 4. Вузький температурний інтервал стабільності паливних мікроемульсій. В основу винаходу поставлено задачу створення водно-паливних мікроемульсій з покращеними технологічними властивостями за тривалістю і енерговитратами на приготування, пожежобезпечністю (вмістом водної фази) та розширеним інтервалом стабільності. Поставлена задача вирішується тим, що водно-паливна мікроемульсія з дизельного палива, водної фази і емульгатора-стабілізатора "Олеодін", одержаного взаємодією олій з оксіетилованим етилендіаміном, в якості водної фази містить електроактивовану лужну воду (аноліт), за наступного співвідношення компонентів, об. %: електроактивована лужна вода (аноліт) 1,0-21,0 емульгатор - стабілізатор "Олеодін" одержаний взаємодією олій з оксіетилованим етилендіаміном 0,1-5,0 дизельне паливо решта до 100. Вода є основним компонентом паливних мікроемульсій. Для створення композицій з покращеними технологічними властивостями використано електроактивовану лужну воду (аноліт) з рН 9,8-10,7. Останню отримують електролізом води у ємності, розділеній навпіл напівпроникною перегородкою (мембраною) і облаштованій відповідними електродами у кожній з двох камер. При накладанні різниці потенціалів вода між електродами піддається дії електричного струму, внаслідок якої в анодній камері отримують аноліт. Використання мінералізованої води чи водних розчинів солей небажане, оскільки солі кальцію та магнію при нагріванні осаджуються і перетворюються на абразив, що адсорбується на форсунках і засмічує паливну систему. Вуглеводневою рідиною слугує дизельне паливо - літнє, зимове, авіаційне чи марки Евро. 1 UA 102469 C2 5 10 15 20 25 Олеодін - продукт конденсації кислот ріпакової олії з N, N'-біс(2-гідроксіетил) етилендіаміном при 150-160 °C, взятих у мольному співвідношенні 1:3,2. За фізичними властивостями це в'язка, 3 мастилоподібна маса жовтувато-коричневого кольору з густиною 950-990 кг/м і температурою застигання - 8-12 °C. За кімнатної температури (20-25)°С добре розчиняється у вуглеводнях, а з водою утворює дисперсії молочного кольору. Методами ПМР, ІЧ- та мас-спектроскопії встановлено, що активною основою олеодіну є N, N'-біс(2-гідроксіетил) етиленмоноаміди жирних кислот - переважно олеїнової, лінолевої, ліноленової і ерукової кислот з двома гідроксогрупами. Інша частина включає гліцерин, моногліцериди і високодисперсні N, N'-біс(2гідроксіетил) етилендіаміди вищих жирних кислот. Олеодін має виражену дифільну будову розвиненою ліпофільною частиною з довжиною вуглеводневого радикалу С 14-22 й гідрофільною СН2СН2ОН, що створює всі передумови для максимального їх концентрування на межі поділу -2 фаз та зниження міжфазового натягу до 10 мН/м. Сумісна дія складових аміноамідів надає високих емульгуючих та структуроутворюючих властивостей, які проявляються у швидкому і легкому приготуванні мікроемульсійних систем з граничною стабілізацією дисперсної фази. Сутність запропонованого винаходу пояснюється прикладами. Приклад 1. У 94,5 мл (79,38 г) дизельного палива марки Л розчиняють 0,5 мл (0,485 г) "Олеодіну". В утворений вуглеводневий розчин ПАР при перемішуванні невеликими порціями додають водну фазу (аноліт) в кількості 5 мл і продовжують перемішування при сталому режимі впродовж 9 хв за швидкості перемішування 7000 об/хв. Цього часу виявилося достатньо для утворення гомогенної прозорої мікроемульсії з розміром водних крапель, за даними динамічного світлорозсіювання, до 20 нм. Для доведення переваг запропонованих мікроемульсій як палива визначено їх технологічні властивості. Для прикладу 1 вони виявилися наступними. Зовнішній вигляд - однорідна рідина 2 жовтуватого кольору, в'язкість кінематична при 20 °C-4,0 мм /с, температура спалаху 59 °C, інтервал термічної стабільності - від мінус 8 до понад 70 °C. Одержані результати зведені в табл. 1, їх аналізували у співставленні з дизельним паливом за ТУ 38.40130-88 і прототипом, характеристики яких також приведені в табл. 1. Таблиця 1 Склад і властивості водно-паливних мікроемульсій № прикладу композиції Паливо за ТУ 38.40130-88 Прототип 1 2 3 4 5 6 7 Склад мікроемульсій, % об. Властивості мікроемульсій Час пригоВодна фаза, Дизельне В'язкість Стабільність за тування ПАР, % об. паливо при температури: мікро-емуТспалаху,°С % об. марки Л, 20 °C, льсії, хв дистил. аноліт 0 °C % об. мм/с 0 0 0 100 1,5-6,0 30-62 5,0 0,5 0,5 5,0 5,0* 5,0 5,0* 5,0 5,0* 5,0 7,0 15,0 0 5,0 10,0 10,0 10,0 15,0 15,0 21,0 21,0 22,0 21,0 80,0 94,5 89,5 85,0 85,0 80,0 80,0 74,0 74,0 73,0 72,0 20 9 13 8 6 10 7 14 11 16 13 5,6 4,0 4,4 4,8 5,3 5,1 5,4 5,6 6,0 6,3 6,6 56 59 62 65 70 68 77 71 80 73 75 -5 -8 -7 -6 -4 -5 -2 -3 -1 -3 -4 >70 >70 >70 >70 >70 >70 >70 >70 >70 60 >70 Примітка: * - розмір мікроемульсійних частинок 300-400 нм, решта зразків - 12-50 нм. 30 35 Приклад 2. У 89,5 мл (75,18 г) дизельного палива марки Л розчиняють 0,5 мл (0,485 г) "Олеодіну". В утворений вуглеводневий розчин ПАР при перемішуванні невеликими порціями додають водну фазу (аноліт) в кількості 10 мл і продовжують перемішування при сталому режимі впродовж 13 хв за швидкості перемішування 7000 об/хв. Одержана гомогенна прозора мікроемульсія характеризувалася наступними властивостями. Зовнішній вигляд - однорідна 2 рідина світло-жовтого кольору, в'язкість кінематична при 20 °C-4,4 мм /с, температура спалаху – 62 °C, інтервал термічної стабільності - від мінус 7 до понад 70 °C. 2 UA 102469 C2 5 10 15 20 25 Приклади 3-7 готують аналогічно прикладу 1, змінюючи марку вуглеводневого середовища та співвідношення інгредієнтів у межах, приведених в табл. 1. Як видно з табл. 1, мікроемульсійні палива на основі дистильованої та активованої води за своїми властивостями досить близькі. Завдяки тонкому диспергуванню внутрішньої водної фази до крапель менших за 600 нм, вони однорідні, оптично-прозорі чи з незначною опалесценцією. За діаметру крапель води 12-50 нм системи за своїми властивостями настільки подібні до вихідного дизельного палива, на базі якого вони приготовлені, що візуально їх неможливо розрізнити. Єдиною зовнішньою ознакою їх відмінності є послаблення жовтого забарвлення дизельного палива з підвищенням концентрації солюбілізованої води. Водночас системи з використанням лужної води легше і швидше готуються. Час приготування зменшується з 20 хв. для прототипу до 3-16 хв. для запропонованих складів за одночасного підвищення концентрації води від 15,0 % до 22,0 %. Ймовірно, це зумовлено тим, що лужна вода активізує молекули ПАР, завдяки чому підвищується їх емульгуюча дія і стабілізуючий вплив на утворені нанокрапельки води. В свою чергу, це забезпечує збільшення температури спалаху, особливо для полідисперсних систем з розміром частинок від 12-50 нм до 300-400 нм (зразки 3*-5*), що значно розширює можливості практичного використання паливних мікроемульсій. Збільшення водної фази до 22 % (зразок 6) призводить до зростання в'язкості понад нормативну величину для дизельних палив за ТУ 38.40130-88 та ДСТ 52368-2005 і зменшення стійкості систем до 60-65 °C. Підвищена в'язкість відмічена і при зростанні вмісту ПАР до 7 % (зразок 7), що є негативним показником при використанні даної системи. Отже, найліпше поєднання процесів горіння, мікровибуху, роботи двигуна й викидів токсичних речовин забезпечуються мікроемульсійними композиціями із вмістом води 5-21 %, які до того ж характеризуються задовільною в'язкістю і стійкістю. Оскільки останнім часом широкого використання набуло дизпаливо марки Евро, аналогічно прикладам в табл. 1, ми приготували мікроемульсійні системи на основі Евро-2. Склад і властивості одержаних водно-паливних мікроемульсій продемонстровано результатами, зведеними у табл. 2. Таблиця 2 Склад і властивості водно-паливних мікроемульсій на основі дизпалива марки Евро-2 Склад мікроемульсій, % об. Властивості мікроемульсій Водна фаза, Дизельне Стабільність за Час % об. паливо В'язкість температури: № прикладу приготування ПАР, марки при композиції мікроемульсії, Т ,°С % об. Евро-2, 20 °C, спалаху хв дистил. аноліт 0 °C сорт Е мм/с % об. Паливо за 0 0 0 100 2,0-4,5 65 ЕН 590:2004 1 0,5 5,0 94,5 7 2,4 70 -9 >70 2 0,5 10,0 89,5 11 2,7 74 -11 >70 5,0 10,0 85,0 9 3,3 72 -12 >70 3 5,0 10,0 85,0 5 3,1 76 -15 >70 5,0* 10,0 85,0 3 3,5 85 -13 >70 5,0 15,0 80,0 8 3,5 79 -12 >70 4 5,0* 1 5,0 80,0 5 3,8 88 -9 >70 5,0 21,0 74,0 12 4,7 83 -9 >70 5 5,0* 21,0 74,0 9 5,2 95 -7 >70 6 5,0 22,0 73,0 14 5,9 84 -8 65 7 7,0 21,0 72,0 11 6,1 87 -10 >70 Примітка: * - розмір мікроемульсійних частинок 300-400 нм, решта зразків - 12-50 нм. 30 Як випливає з табл. 2, використання дизельного палива Евро-2 знижує температуру застигання мікроемульсій до мінус 15 °C й підвищує температуру спалаху до 95 °C, що суттєво розширяє діапазон температурних умов використання палива, зокрема дає можливість застосовувати системи в умовах холодного клімату та при роботі з підвищеною пожежобезпечністю. 3 UA 102469 C2 5 10 15 20 25 Запропоновані водно-паливні мікроемульсії з використанням активованої лужної води (аноліту) у порівнянні з прототипом характеризуються наступними перевагами: 1. Завдяки підвищенню емульгуючої і стабілізуючої здатності ПАР під впливом аноліту час і енергетичні витрати на приготування паливних композицій зменшується з 20 хв для прототипу до 3-16 хв за одночасного підвищення вмісту води від 15,0 % до 22,0 % для запропонованих композицій. 2. Використання аноліту забезпечує зменшення в'язкості мікроемульсійного палива, що полегшує його прокачування до форсунок, а у поєднанні зі зменшенням міжфазового натягу тонкодисперсного розпилювання у камері згоряння. 3. Підвищений вміст водної фази збільшує температуру спалаху від 56 °C до 95 °C завдяки варіюванню розмірів частинок дисперсної фази, що розширює можливості використання мікроемульсійного палива технікою, яка експлуатується в умовах з підвищеною пожежобезпечністю. 4. Солюбілізація аноліту в концентрації до 21 % дозволяє отримувати високо стабільні водно-паливні мікроемульсії у діапазоні від -15 до +70 °C. Таким чином, водно-паливні мікроемульсії дозволяють, з одного боку, заощадити до 21 % вуглеводневої сировини, а з іншого, - зменшити навантаження на навколишнє середовище завдяки наявності біоПАР і води, яка мінімізує шкідливі викиди сажі, оксидів вуглецю й азоту, різних органічних речовин, а також надає паливним композиціям високої пожежо- й вибухобезпечності. Джерела іформації: 1. В.М. Иванов. "Топливные эмульсии", М.: Из-во АН СССР,1962, 15 с. 7 2. Пат. 2266947 РФ, МКИ С 10 L 1/22. Топливная композиция / B.C. Азев, В.В. Круть, В.В. Лунева, А.В. Улитько. Заявл. 11.08.2004. Опубл. 27.12.2005. 3. Пат. на винахід № 91305 України, МПК (2009), C10L 1/10. Водно-паливна мікроемульсія/ Г.С. Поп, В.І. Біленька, Л.Ю. Бодачівська, В.І. Гутник, Є.А. Прокопова/ЛБОНХ НАН України. Заявл. 07.09.2009. Опубл. 12.07.2010. Бюл. № 13. ФОРМУЛА ВИНАХОДУ 30 Водно-паливна мікроемульсія на основі дизельного палива, водної фази і емульгаторастабілізатора "Олеодін", одержаного взаємодією олій з оксіетилованим етилендіаміном, яка відрізняється тим, що як водну фазу містить електроактивовану лужну воду (аноліт), при наступному співвідношенні компонентів, об. %: електроактивована лужна вода (аноліт) 1,0-21,0 емульгатор-стабілізатор "Олеодін", одержаний взаємодією олій з оксіетилованим етилендіаміном 0,1-5,0 дизельне паливо решта до 100. 35 Комп’ютерна верстка Г. Паяльніков Державна служба інтелектуальної власності України, вул. Урицького, 45, м. Київ, МСП, 03680, Україна ДП “Український інститут промислової власності”, вул. Глазунова, 1, м. Київ – 42, 01601 4