用均勻設(shè)計的方法進行陽離子型重油乳化劑的研究

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),運動黏度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℃水浴中采用電動攪拌器充分攪拌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(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

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、攪拌速度和攪拌時間等對乳化效果也有很大影響。根據(jù)經(jīng)驗及考慮乳化效果和水損失率,乳化重油的溫度定為90℃,電動攪拌器攪拌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。實際乳化時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。此外,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,由于形成表面雙電層,當兩個液滴互相接近時,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)計的方法進行乳化劑的選擇。均勻設(shè)計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。

實驗中選擇了6個自變量。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次實驗的均勻設(shè)計表U^*₂₀(20⁷)。根據(jù)實驗結(jié)果,做等值線圖(圖1)。

從圖1中可見,陰離子和陽離子表面活性劑不能同時使用,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。為了詳細考察陽離子表面活性劑與非離子表面活性劑復(fù)配的情況,取這兩類表面活性劑重新進行均勻設(shè)計。

2.2 陽離子型乳化劑配方的設(shè)計及優(yōu)化

根據(jù)前面的實驗,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。同時考慮到pH起到很重要的作用,故一起進行優(yōu)化。確定此配方的自變量及變化范圍列于表2。

實驗方案設(shè)計中選了5個自變量,1個因變量,15次實驗,15個水平,采用U₁₅(15⁵)表。具體實施方案及結(jié)果見表3。

將表3中的實驗數(shù)據(jù)用均勻設(shè)計軟件進行處理,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)。

根據(jù)上述分析確定約束條件,經(jīng)過全排列進行優(yōu)化,優(yōu)化結(jié)果列于表4中。

由表4的第3號配方可見,在氯化十八烷基二甲基芐基銨10mg,聚氧乙烯失水山梨醇單月桂酸酯1mg,失水山梨醇單硬脂酸酯1mg,乳酸乙酯5.1mg(乳化劑用量為重油總質(zhì)量的0. 017%)時,可在80℃下穩(wěn)定12h。從表4還可看出,實驗值雖與預(yù)測值有一定誤差,但已經(jīng)比較接近了,這說明實驗數(shù)據(jù)比較準確。將此配方用量增加到原來的7倍,即氯化十八烷基二甲基芐基銨70mg,聚氧乙烯失水山梨醇單月桂酸酯7mg,失水山梨醇單硬脂酸酯7mg,乳酸乙酯36mg(乳化劑用量共占乳化油總質(zhì)量的0.12%)后做乳化實驗,結(jié)果表明乳化重油可穩(wěn)定72h。

做了貯存穩(wěn)定性考察實驗,將乳化重油樣品3份分裝在密封的燒杯內(nèi),在室溫下放置,過1a后看燒杯內(nèi)水的析出情況。常溫貯存實驗表明,w(水)=30%的乳化重油可以在常溫下穩(wěn)定貯存1a以上,無水析出。

2.3 不同重油的乳化

表5是采用最佳配方(乳化劑用量為重油總質(zhì)量的0.12%)乳化重油,在80℃下恒溫3d后的結(jié)果。

由表5可知,重油來源不同對乳化液質(zhì)量影響很大。華北、保定重油較易乳化,燕化公司煉油廠重油較難乳化。總的趨勢是隨著加水量的增加,乳化渣油的析水量是逐漸增大的。

3結(jié)論

(1)陰離子表面活性劑與陽離子表面活性劑復(fù)配時可能反應(yīng)生成沒有表面活性的物質(zhì),不利于乳化。

(2)陽離子表面活性劑與非離子表面活性劑復(fù)配時有協(xié)同作用,對乳化性能影響很大。

(3)用均勻設(shè)計與調(diào)優(yōu)軟件可以較快地得到最佳配方,并可對變量間的相互關(guān)系進行分析,找出協(xié)同作用,有利于指導(dǎo)實驗。

(4)在一次均勻設(shè)計的基礎(chǔ)上,根據(jù)所得結(jié)果改變變量重新進行設(shè)計,可以更準確地把握變量間的變化規(guī)律,更快地得到最好結(jié)果。

(5)所得配方在用量為0.12%時可使乳化重油在80℃下穩(wěn)定3d(72h),可以在常溫下貯存1a以上.