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CO2，N2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 + H2O==CO+ H2C + 2 H2O==CO2+2H2。
CO+ H2O==CO2+ H2H 2 +O2==H2O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CO2、N2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NO2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]•[N2]•[02]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[N2]、[02]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、实验目的本实验学习柴油微乳体系拟三元相图的绘制与研究方法，并通过氧弹卡计对部分柴油微乳溶液进行燃烧性能测定，比较柴油、微乳柴油燃烧时其燃烧效率的不同，对微乳柴油的经济与环保价值进行评价。
四、实验仪器、试剂实验试剂：柴油0#、油酸（化学纯）、十六烷基三甲基溴化铵（CTAB）（化学纯）、氨水（化学纯）、正丁醇（化学纯）实验仪器：燃烧热测定装置一套、充氧装置一套、氧气瓶一个、万用电表、5安保险丝、压片机、1000ml烧杯、磁力搅拌器、搅拌子（中）、电子分析天平（每组一台）、烧杯（50ml）、烧杯（250ml）、镊子、滤纸、称量纸、玻璃棒、洗耳球、胶头滴管、保鲜膜、剪刀五、实验内容及现象随着复合乳化剂的滴加，油混合液逐渐变为浑浊的乳白色，并逐渐变成膏状，继续滴加，膏状固体逐渐溶纯柴油燃烧的现象：燃烧产物有板结，氧弹内有少量液体。
9:1乳化柴油的燃烧现象：有少量板结，槽中还剩余少六、实验数据记录与处理复合乳化剂的配比数据记录配方烧杯70.4937烧杯+油酸107.063 36.5693烧杯+油酸+氨110.784 3.721CTAB 0.4933正丁醇13.283氨水 1.6531柴油微乳液的配置：数据记录：比例烧杯重量/g 烧杯+柴油重量/g烧杯+柴油+水重量/g烧杯+柴油+水+磁子重量/g烧杯+柴油+水+磁子+乳化剂重量/g4.5:0.5 37.6420 42.1490 42.6578 46.7499 47.37084:1 34.7315 38.7609 39.7692 44.1820 44.8350 3:2 34.4100 37.4303 39.4661 43.1079 44.8510 2:3 35.2388 37.2326 40.2340 44.6199 48.3822 1:4 37.7428 38.7692 42.7787 46.4863 49.2978比例柴油水乳化剂总质量柴油百分比/% 水/% 乳化剂/% 4.5:0.5 4.5070 0.5088 0.6209 5.6367 79.958% 9.027% 11.015%4:1 4.0294 1.0083 0.6530 5.6907 70.807% 17.718% 11.475% 3:2 3.0203 2.0358 1.7431 6.7992 44.421% 29.942% 25.637% 2:3 1.9938 3.0014 3.7623 8.7575 22.767% 34.272% 42.961% 1:4 1.0264 4.0095 2.8115 7.8474 13.079% 51.093% 35.827%数据处理：柴油微乳液拟三元相图：燃烧热的测定：此范围内共溶此范围内不共溶数据记录1：时间（×30s）9:1乳化柴油纯柴油4:1乳化柴油1 27.584 26.764 25.5592 27.577 26.772 25.5673 27.574 26.779 25.5744 27.572 26.788 25.5815 27.571 26.798 25.5886 27.566 26.804 25.5957 27.567 26.811 25.68 27.565 26.817 25.6089 27.564 26.822 25.61510 27.567 26.829 25.62111 27.566 26.91 25.62912 27.608 27.218 25.64113 28.16 27.581 25.65114 28.681 27.88 25.67515 29.134 28.137 26.06416 29.378 28.316 26.55617 29.548 28.443 26.8218 29.607 28.526 26.97919 29.729 28.592 27.08820 29.786 28.642 27.16221 29.83 28.684 27.2222 29.863 28.714 27.26723 29.891 28.744 27.30724 29.912 28.766 27.34125 29.93 28.784 27.36526 29.946 28.802 27.3927 29.961 28.816 27.40928 29.973 28.827 27.42529 29.984 28.942 27.4430 29.996 28.946 27.45431 30.003 28.951 27.46432 30.007 28.957 27.51533 30.01 27.5234 30.013 27.52835 30.016 27.53736 30.017 27.54537 30.017 27.55238 30.017 27.55839 27.56440 27.571 燃烧热数据记录2：燃烧热图：4:1乳化柴油：△T=1.571℃∴△/g=1.295Qv=22844.46J ∴Qv/g=18833.026 9:1乳化柴油△T=2.2786℃∴△/g=1.856Qv=33133.92J ∴Qv/g=26995.21 柴油△T=1.6274℃∴△/g=1.352Qv=23664.59J ∴Qv/g=19663.14七、分析与讨论1、燃烧热图像斜率的比对根据斜率的比对可发现，9:1的乳化柴油效率最高，4:1的乳化柴油比纯柴油放热快，但是产热没有纯柴油多。