鈣鹽清凈劑對(duì)生物質(zhì)燃油碳煙的分散性影響

劉天霞，宋汝鴻，劉一鳴，徐玉福，胡獻(xiàn)國

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鈣鹽清凈劑對(duì)生物質(zhì)燃油碳煙的分散性影響

劉天霞1,2，宋汝鴻1，劉一鳴1，徐玉福1，胡獻(xiàn)國1

（1合肥工業(yè)大學(xué)機(jī)械與汽車工程學(xué)院，安徽 合肥 230009；2北方民族大學(xué)化學(xué)與化學(xué)工程學(xué)院，寧夏 銀川 750021)

摘要:碳煙分散性是清凈劑的主要功能之一，采用黏度法、斑點(diǎn)實(shí)驗(yàn)法、沉降法及粒徑分布法4種模擬實(shí)驗(yàn)考察3種鈣鹽清凈劑（高堿值合成磺酸鈣T106、烷基水楊酸鈣T109、高堿值硫化烷基酚鈣T115B）對(duì)生物質(zhì)燃油碳煙（BS）在液體石蠟（LP，基礎(chǔ)油模擬物）中分散性能的影響，并借助 X射線光電子能譜儀和傅里葉變換紅外光譜儀分析鈣鹽清凈劑對(duì)BS的分散機(jī)理。結(jié)果表明，BS濃度高的分散體系剪切稀化明顯，有非牛頓型流體特性。相比之下添加 T109時(shí)分散體系黏度最小，油泥斑點(diǎn)分散值最大，清液層高度下降率最大，在正庚烷中團(tuán)聚體的粒徑范圍和平均粒徑最小，T109對(duì)BS在LP中的分散效果最好。機(jī)理分析顯示BS表面含有羧基、羥基等含氧極性基團(tuán)，可與鈣鹽清凈劑的極性端通過氫鍵或酸堿作用吸附清凈劑；同時(shí)，鈣鹽清凈劑中非極性端的烷烴基團(tuán)的親油性又使得烷烴基團(tuán)在LP中形成空間位阻，阻礙BS顆粒團(tuán)聚，從而起到分散BS的效果。

關(guān)鍵詞:鈣鹽清凈劑；生物質(zhì)燃油；碳煙；分散；吸附

引 言

隨著環(huán)保要求的逐漸提高，世界各國都制定了越來越嚴(yán)格的尾氣排放法規(guī)以減少汽車尾氣污染物排放，為滿足排放法規(guī)，重負(fù)荷柴油機(jī)多采用發(fā)動(dòng)機(jī)燃油延遲噴射技術(shù)及尾氣再循環(huán)（EGR）技術(shù)，使得機(jī)油中碳煙污染物的含量越來越高，由此造成的危害主要包括:增大關(guān)鍵部件的磨損、油品黏度增長過快、加速油品氧化和堿值消耗、機(jī)油過濾器堵塞、形成油泥等[1]，減少碳煙污染危害的主要途徑是提高潤滑油對(duì)碳煙的分散能力，工業(yè)上主要是通過添加各種清凈分散劑來解決這一問題。清凈劑（又稱有灰分散劑）主要起清凈、分散、增溶及酸中和四大作用，占潤滑油添加劑中近一半比例[2]，包括各類磺酸鹽、水楊酸鹽、硫化烷基酚鹽、環(huán)烷酸鹽等類型，在主劑中占絕大多數(shù)的是3種鈣鹽:磺酸鈣、硫化烷基酚鈣及水楊酸鈣。

傳統(tǒng)化石能源日漸枯竭，開發(fā)利用新能源具有戰(zhàn)略意義，可再生清潔能源生物質(zhì)油經(jīng)精制改性后有望作為發(fā)動(dòng)機(jī)替代燃料使用[3-5]。采用減壓蒸餾分離出稻殼基生物質(zhì)原油中的輕組分油，按質(zhì)量分?jǐn)?shù)5%與柴油乳化所得的燃油可在現(xiàn)有柴油機(jī)中正常使用[6]。此油燃燒產(chǎn)生的生物質(zhì)燃油碳煙（BS）在潤滑油中的分散特性及其與清凈分散劑間的相互作用值得探究。BS是由一次顆粒直徑約40 nm球形顆粒組成的團(tuán)聚體，顆粒內(nèi)部呈微細(xì)的石墨亂層結(jié)構(gòu)[7-9]。潤滑油無灰分散劑T154能明顯改善BS在液體石蠟（LP，基礎(chǔ)油模擬物）中的分散性[10]，從而改善BS/LP分散體系的流變性能，而且BS/LP分散體系相對(duì)黏度隨碳煙濃度的增加呈指數(shù)函數(shù)增加[11]。BS的比表面積小于0#柴油碳煙（DS），表面能低于DS，親油性強(qiáng)于DS，在LP中團(tuán)聚傾向低于DS[11]，這些不同于DS的性質(zhì)對(duì)清凈劑的作用效果也有影響。

一般來說，清凈分散劑基質(zhì)的結(jié)構(gòu)組成(烴類及有機(jī)官能團(tuán))與分散作用和增溶作用有關(guān)，而堿性組分含量和堿性組成的理化結(jié)構(gòu)與酸中和作用有關(guān)[2]。由于添加劑分散和增溶作用與碳煙顆粒的表面特性關(guān)系密切，而碳煙顆粒的表面特性又與燃油的種類與組成有關(guān)，新型燃油碳煙BS與清凈分散劑間的相互作用尚未見報(bào)道。另一方面，柴油機(jī)中的沉積物包括在活塞表面生成的漆膜和積炭等高溫沉積物以及在潤滑油中形成的“油泥”等低溫沉積物。低溫沉積物“油泥”主要來自燃料的不完全燃燒產(chǎn)物隨著竄氣進(jìn)入機(jī)油中所致。清凈分散劑的清凈作用主要作用于高溫沉積物，而分散和增溶作用主要針對(duì)低溫沉積物，新燃油、新碳煙、新油泥必然會(huì)對(duì)清凈劑的分散性能提出新要求，再考慮清凈劑的作用與化學(xué)結(jié)構(gòu)的關(guān)系，本文用黏度法、斑點(diǎn)實(shí)驗(yàn)法、沉降法、粒徑分布法4種模擬實(shí)驗(yàn)來考察3種常用鈣鹽清凈劑（高堿值合成磺酸鈣T106、烷基水楊酸鈣T109、高堿值硫化烷基酚鈣T115B）對(duì)含BS的LP分散性能的影響規(guī)律和分散作用機(jī)理，以探討B(tài)S對(duì)不同分散劑基質(zhì)的感應(yīng)性，為生物質(zhì)燃油發(fā)動(dòng)機(jī)的機(jī)油配方提供基礎(chǔ)。

1　實(shí)驗(yàn)部分

1.1 原料與設(shè)備

BS（稻殼原料的生物質(zhì)燃油[12]在自制燃油碳煙捕集裝置[13]中燃燒所得）；正庚烷（國藥集團(tuán)化學(xué)試劑有限公司）；液體石蠟 (衡水帝乙石化有限公司)；T106、T109、T115B（錦州康泰潤滑油添加劑股份有限公司）。高剪切實(shí)驗(yàn)室乳化機(jī)（SG400型，上海尚貴流體設(shè)備有限公司）；旋轉(zhuǎn)黏度計(jì)（NDJ-5S型，寧波維德儀器有限公司）；高速離心機(jī)（HC-2064型，安徽中科中佳科學(xué)儀器有限公司）；雙頻數(shù)控超聲清洗器（KQ-300VDE型，昆山市超聲儀器有限公司）。

1.2 黏度法實(shí)驗(yàn)

參考柴油機(jī)油換油指標(biāo)及性能評(píng)定法(Mack T-8法)選定質(zhì)量分?jǐn)?shù)2%和4.8%分別代表機(jī)油中低、高碳煙水平，用黏度法考察3種鈣鹽清凈劑對(duì)BS 在LP中的分散性的影響。分別配制含BS質(zhì)量分?jǐn)?shù)2%和4.8%，鈣鹽清凈劑0、1%、2%、3%、4%、5%的LP油樣，玻璃棒充分?jǐn)嚢韬螅?0℃水浴中用高剪切實(shí)驗(yàn)室乳化機(jī)800 r·min-1混合30 min，BS質(zhì)量分?jǐn)?shù)2%的油樣在12 r·min-1、4.8%的油樣在30 r·min-1測量體系黏度，取3次測量的平均值來表征分散性，在相同濃度下，分散體系的黏度越低則分散性越好。同時(shí)選定質(zhì)量分?jǐn)?shù)4.8%、鈣鹽清凈劑5%的高煙炱水平濃度油樣分別在6、12、30、60 r·min-1下測定各試樣動(dòng)力黏度，以考察BS/LP/清凈劑分散體系黏度與剪切速度的關(guān)系。

1.3 斑點(diǎn)實(shí)驗(yàn)

配制BS質(zhì)量分?jǐn)?shù)2%，鈣鹽清凈劑0、1%、2%、3%、4%、5%的LP油樣，用玻璃棒充分?jǐn)嚢韬笤?5 kHz，300 W下超聲分散10 min，再在20℃下磁力攪拌24 h使體系分散吸附達(dá)到平衡，取部分油樣做斑點(diǎn)實(shí)驗(yàn)（SH/T 0623—1995），用油泥斑點(diǎn)分散值（SDT）來表征分散效果，SDT越大分散性越好。

1.4 靜態(tài)沉降實(shí)驗(yàn)

取1.3節(jié)中分散吸附平衡的油樣20 ml倒入25 ml帶蓋樣品瓶中，室溫下靜置，每10天記錄一次樣品上清液高度，連續(xù)觀察3個(gè)月，定義清液層高度下降率來表征分散性

式中，h0為未加鈣鹽清凈劑油樣的清液層高度，mm；h為添加鈣鹽清凈劑油樣的清液層高度，mm；φ為清液層高度下降率，φ越大分散性越好。

1.5 粒徑分布法實(shí)驗(yàn)

用Zeta電位儀的動(dòng)態(tài)光散射原理測粒徑分布，也可考察BS顆粒分散性。Zeta電位儀測量納米粒子粒徑分布時(shí)最好使用無色透明的純?nèi)軇┓稚㈩w粒，由于工業(yè)LP帶色，透明度不高，而3種鈣鹽清凈劑的顏色也比較深且有色差，直接用LP配的樣品測量誤差太大；加之LP黏度大，BS在其中很難分散到儀器可測量的粒度范圍。本實(shí)驗(yàn)選用對(duì)BS分散效果較好的溶劑正庚烷來模擬考察 T106、T109、T115B對(duì)BS在LP中的分散性影響。用梯度稀釋和超聲分散相結(jié)合的方法配制含 BS和鈣鹽清凈劑質(zhì)量分?jǐn)?shù)均為0.001%的正庚烷懸浮液，用Zeta電位儀（Nano-ZS90，Malvern）測量樣品中BS顆粒團(tuán)聚體的粒徑分布，與不加鈣鹽清凈劑的樣品對(duì)照。

1.6 分散機(jī)理分析實(shí)驗(yàn)

取1.3節(jié)中分散吸附平衡的油樣6 ml置于7ml離心管中高速離心分離（13500 r·min-1，60 min），分離出固體補(bǔ)加正庚烷至6 ml，用力充分振搖洗滌、離心（13500 r·min-1，30 min）兩次，溶劑自然揮發(fā)完后 110℃烘干，研磨，用傅里葉變換紅外光譜儀（FTIR，Nicolet 6700，Thermo Nicolet）和X射線光電子能譜儀（XPS，ESCALAB250，Thermo）測試吸附鈣鹽清凈劑后BS中官能團(tuán)、表面元素含量及化合價(jià)態(tài)，與BS對(duì)照分析分散機(jī)理。

圖1　黏度法實(shí)驗(yàn)結(jié)果Fig.1 Viscosity experimental result

2　結(jié)果與討論

2.1 黏度法分散結(jié)果

黏度經(jīng)常用來表征油品中碳煙分散性，在實(shí)驗(yàn)室中用炭黑模擬碳煙分散在油中并測定其黏度，是評(píng)定油品碳煙分散性能的最常用實(shí)驗(yàn)方法之一[14]，在相同濃度下，分散體系的黏度越低則分散性越好。本實(shí)驗(yàn)也采用黏度法來模擬評(píng)定不同鈣鹽清凈劑對(duì)BS在LP中分散性能的影響，結(jié)果見圖1。由圖1（a）可以看出，對(duì)于2%(質(zhì)量) BS的油樣，隨著T106和T115B添加濃度的增加，分散體系黏度逐漸下降但降幅逐漸減小，超過一定濃度后黏度基本穩(wěn)定，相同濃度下T115B的分散效果好于 T106。而添加 T109的油品黏度先隨T109濃度的增加而降低，在T109濃度高于4%(質(zhì)量)時(shí)黏度又稍有增加。從圖1（b）可以看出，對(duì)4.8%(質(zhì)量) BS的油樣，黏度隨著T106和T115B濃度的增加均逐漸下降，但降幅逐漸減小且兩者相差不大，而隨T109濃度的增加先降低后略有升高，相同濃度下T109黏度最低。對(duì)比圖1（a）、（b）可知對(duì)于低碳煙濃度體系T115B和T109分散效果相差不大且均優(yōu)于T106，對(duì)高碳煙濃度體系T109分散效果更好。

2.2 剪切速度對(duì)含鈣鹽清凈劑的BS污染LP的黏度影響

含碳煙油品的流變性能受顆粒的濃度、膠體穩(wěn)定性、連續(xù)相基本黏度、溫度、剪切歷史等多種因素影響[15]。通過實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)鈣鹽清凈劑能顯著影響高碳煙濃度的 BS/LP/清凈劑分散體系的非牛頓流體性質(zhì)，隨鈣鹽清凈劑濃度的增加，剪切速度對(duì)分散體系黏度的影響逐漸減小，選取高添加濃度得到的結(jié)論同樣適用其他低濃度情況，所以選鈣鹽清凈劑濃度5%（質(zhì)量）進(jìn)行分析。圖2給出添加鈣鹽清凈劑5%(質(zhì)量)、BS 4.8%(質(zhì)量)的LP分散體系的動(dòng)力黏度隨剪切速度的變化曲線。可以看出3種含鈣鹽清凈劑的分散體系黏度均隨著剪切速度的增加而下降，剪切稀化明顯，有非牛頓流體特性，這是因?yàn)楹紵煹挠推佛ざ热Q于顆粒團(tuán)聚過程和通過水動(dòng)力作用破壞團(tuán)聚結(jié)構(gòu)的競爭結(jié)果[15]，也即油品中BS顆粒的粒徑分布對(duì)黏度有顯著影響。隨著剪切速度增加，轉(zhuǎn)子直接帶動(dòng)的油品與周圍低速油品之間形成較大的速度梯度，剪切力場增強(qiáng)，能將BS顆粒團(tuán)聚體破碎成更小的尺度，團(tuán)聚體粒徑分布發(fā)生變化，因此油品黏性下降，分散性好轉(zhuǎn)。在相同剪切速度下，添加T109的分散體系黏度最小，說明T109分散效果最好。

圖2　剪切速度對(duì)含不同鈣鹽清凈劑的BS污染LP的動(dòng)力黏度影響Fig.2 Effect on dynamic viscosity of LP contaminated with BS including calcium salt detergent by shear velocity

2.3 斑點(diǎn)法實(shí)驗(yàn)結(jié)果

斑點(diǎn)實(shí)驗(yàn)主要用來模擬油品對(duì)低溫油泥的分散情況，實(shí)驗(yàn)結(jié)果與汽油機(jī)油ⅤD和ⅤE臺(tái)架試驗(yàn)的油泥和漆膜評(píng)分有一定的關(guān)聯(lián)性。圖3給出了添加不同鈣鹽清凈劑時(shí)含BS 2%(質(zhì)量)的LP體系清凈劑濃度與 SDT之間的關(guān)系。由圖可知對(duì)于2%(質(zhì)量) BS污染的LP，鈣鹽清凈劑能明顯提高SDT。實(shí)驗(yàn)濃度范圍內(nèi)SDT值隨T106濃度的增大呈線性增大，Pearson相關(guān)系數(shù)為 0.996，修正相關(guān)系數(shù)（Adj. R-Square）為0.990；加1%(質(zhì)量) T109或 T115B時(shí)，即可大幅提高SDT，繼續(xù)增加T109或T115B濃度，SDT持續(xù)增大，但當(dāng)二者濃度超過一定值時(shí)，SDT反而稍微下降，這說明對(duì)BS濃度一定的LP，清凈劑T109和T115B有最適添加濃度。從整體來看，在清凈劑的實(shí)驗(yàn)濃度范圍內(nèi)，加 T109時(shí) SDT最大，說明 T109 對(duì)BS在LP中分散效果最好。

圖3　斑點(diǎn)實(shí)驗(yàn)結(jié)果Fig.3 Spot experimental result

圖4　靜態(tài)沉降實(shí)驗(yàn)結(jié)果Fig. 4 Static state sedimentation experimental result

2.4 靜態(tài)沉降實(shí)驗(yàn)結(jié)果

靜態(tài)沉降實(shí)驗(yàn)中清液層高度亦可表征油品的分散性。圖4、圖5給出了靜態(tài)沉降實(shí)驗(yàn)結(jié)果，從圖4可以看出，隨著鈣鹽清凈劑添加濃度的增加，清液層高度下降率φ逐漸上升，BS在LP中的分散性增強(qiáng)，說明3種鈣鹽清凈劑對(duì)提高BS分散性均有作用，但從整體來說T115B對(duì)BS在LP中的分散作用最差，T106效果較好，T109最好。對(duì)比圖 5靜態(tài)沉降 3個(gè)月實(shí)驗(yàn)照片可以看出，加入T109的樣品中清液層還有少量可見小顆粒，比較混濁，與沉降層分界線不太清晰，而加入 T106 和T115B的油品清液層透亮，分界線清晰，這也說明3種鈣鹽清凈劑中T109對(duì)BS在LP中的分散作用最好。

圖5　靜態(tài)沉降實(shí)驗(yàn)照片F(xiàn)ig. 5 Static state sedimentation experimental photo

2.5 粒徑分布法實(shí)驗(yàn)結(jié)果

用粒度儀分析碳煙顆粒的分散粒徑也可考察BS在油中分散性，本實(shí)驗(yàn)選用對(duì)BS分散效果較好的溶劑正庚烷來模擬LP，用Zeta電位儀測試3種鈣鹽清凈劑對(duì) BS在正庚烷中分散性影響，結(jié)果見圖6。由圖6可以看出加入T109時(shí)BS在正庚烷中團(tuán)聚體的粒徑范圍最小，BS在正庚烷中團(tuán)聚體的平均粒徑為656 nm，添加T106時(shí)為341 nm，添加T109時(shí)為283 nm，添加T115B時(shí)為335 nm，加入鈣鹽清凈劑后 BS在正庚烷中團(tuán)聚體的平均粒徑均明顯降低。說明3種鈣鹽清凈劑對(duì)BS在正庚烷中分散性均具有較好的作用，但 T109分散效果更好。

圖6　粒徑分布法實(shí)驗(yàn)結(jié)果Fig. 6 Particle size distribution experimental result

表1　吸附鈣鹽清凈劑前后BS的XPS元素含量分析結(jié)果Table 1 XPS element content analysis result of BS adsorption calcium salt detergent before and after adsorption

2.6 分散機(jī)理分析

影響固液兩相體系分散特性的因素很多，如顆粒表面特性、分散劑類型、粒徑分布等，本文主要探討含鈣鹽清凈劑對(duì)BS在LP中的分散性影響及其相互作用機(jī)理。由XPS分析可知BS表面主要含有C元素和O元素，與3種鈣鹽清凈劑相互作用后BS表面元素組成見表1，與T106作用后BS表面O含量大量增加，與T109、T115B作用后BS表面O含量均低于初始碳煙，這可能與T106總堿值遠(yuǎn)高于T109、T115B有關(guān)。與 3種鈣鹽清凈劑作用后 BS表面均出現(xiàn)鈣元素，說明T106、T109、T115B與BS表面發(fā)生吸附作用。對(duì)吸附鈣鹽清凈劑前后BS的XPS圖譜進(jìn)行高斯曲線擬合（圖 7）可知:O1s譜圖中電子結(jié)合能531.5 eV左右的峰歸屬于 CO或 C—O—C， 533.2 eV左右的峰歸屬于C—OH；C1s譜圖中電子結(jié)合能在284.6 eV左右的峰歸屬于有機(jī)物中的C—C，C—H鍵[16]；285.7 eV左右的峰歸于C— OH；287.1 eV左右的峰歸于CO；Ca2p譜圖中電子結(jié)合能在346.4 eV與347.5 eV的峰歸于O—Ca—O鍵；S2p譜圖中電子結(jié)合能在163.8 eV左右的峰歸于S—H鍵；167.8 eV左右的峰歸于S—O鍵。O 原子以CO、C—O—C、C—OH等鍵與C原子鍵合，這表明BS表面含有羧基、羥基等含氧極性基團(tuán)，易于與鈣鹽清凈劑的極性端通過氫鍵或酸堿作用吸附清凈劑。T109中有機(jī)官能團(tuán)極性較弱，在油中形成的反相膠束電荷多、細(xì)小且穩(wěn)定，只有較微弱的極化性能，增溶和分散能力稍弱。T106是極性較強(qiáng)的有機(jī)酸鹽，在油中易形成電荷少、較大且不穩(wěn)定的反相膠束，具有較好的增溶、分散能力。但T106屬于高堿值清凈劑，隨著堿度的增大，其酸中和作用增強(qiáng)，而大量堿性膠團(tuán)的存在，使T106對(duì)BS的增溶及分散作用反而降低。綜合起來T109對(duì)BS在LP中的分散性能更好一些。

圖7　吸附鈣鹽清凈劑前后BS的XPS譜圖Fig. 7 XPS spectra of BS adsorption calcium salt detergent before and after adsorption

對(duì)比圖8中BS吸附鈣鹽清凈劑前后的FTIR譜圖可知，吸附鈣鹽清凈劑前后都存在的吸收有—CO伸縮振動(dòng)（1714 cm-1）、結(jié)合在芳環(huán)上的CO的伸縮振動(dòng)（1614 cm-1）、C—C的骨架振動(dòng)（1157 cm-1）、CH2面外變形振動(dòng)（752 cm-1和877 cm-1）；吸附鈣鹽清凈劑后BS上新增加的吸收有—OH伸縮振動(dòng)（3460 cm-1）、—CH2不對(duì)稱伸縮振動(dòng)（2921 cm-1）、—CH2對(duì)稱伸縮振動(dòng)（2856 cm-1）、—CH3不對(duì)稱變形振動(dòng)（1460 cm-1）、—CH3對(duì)稱變形振動(dòng)（1381 cm-1），其中—OH伸縮振動(dòng)的吸收峰波數(shù)偏低，可能是受氫鍵影響[17-18]，比較峰強(qiáng)可知添加高堿值的T106中更容易形成氫鍵。可以看出吸附3種鈣鹽清凈劑后BS上均增加了一些有機(jī)官能團(tuán)，這些官能團(tuán)主要來自與BS表面形成氫鍵而吸附在BS表面的鈣鹽清凈劑，并且鈣鹽清凈劑在BS顆粒的表面形成雙電層，防止顆粒團(tuán)聚沉降；同時(shí)鈣鹽清凈劑中烷烴基團(tuán)親油性好，使烷烴鏈伸展在 LP中形成空間位阻來阻礙BS顆粒團(tuán)聚，從而起到分散BS的作用。

圖8　吸附鈣鹽清凈劑前后BS的FTIR譜圖Fig.8 FTIR spectra of BS adsorption calcium salt detergent before and after adsorption

3　結(jié) 論

（1）添加3種鈣鹽清凈劑的高濃度BS污染的LP分散體系黏度均隨著剪切速度的增加而快速下降，剪切稀化明顯，具有非牛頓流體性質(zhì)，在相同剪切速度下，添加T109的體系黏度最小。

（2）相同添加劑濃度下，添加T109的SDT最大，清液層高度下降率最大，在正庚烷中團(tuán)聚體的粒徑范圍和平均粒徑最小，T109對(duì)BS在LP中的分散效果最好。

（3）BS表面含有羧基、羥基等含氧極性基團(tuán)，易與鈣鹽清凈劑的極性端通過氫鍵或酸堿作用吸附鈣鹽清凈劑。

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2016-01-03收到初稿，2016-03-22收到修改稿。

聯(lián)系人:胡獻(xiàn)國。第一作者:劉天霞（1975—），女，博士研究生，副教授。

Received date: 2016-01-03.

中圖分類號(hào):TK 6

文獻(xiàn)標(biāo)志碼:A

文章編號(hào):0438—1157（2016）07—3032—08

DOI:10.11949/j.issn.0438-1157.20160005

基金項(xiàng)目:國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(51275143，51405124)。

Corresponding author:Prof. HU Xianguo, xghu@hfut.edu.cn supported by the National Natural Science Foundation of China (51275143, 51405124).

Effect of calcium salt detergent on dispersity of biofuel soot

LIU Tianxia1,2, SONG Ruhong1, LIU Yiming1, XU Yufu1, HU Xianguo1
(1School of Mechanical and Automotive Engineering, Hefei University of Technology, Hefei 230009, Anhui, China;2School of Chemistry and Chemical Engineering, Beifang University of Nationalities, Yinchuan 750021, Ningxia, China)

Abstract:Soot dispersity is one of the main functions of the detergent. It was investigated the influence of the three kinds of calcium salt detergents on the dispersity of the biofuel soot (BS) in liquid paraffin (LP, simulant of base stock) by means of viscosity, spot experiment, sedimentation and particle size distribution simulation method. The calcium salt detergent included higher total base number synthesis calcium sulfonate T106, alkyl calcium salicylate T109 and higher total base number sulfuration calcium alkylphenol T115B. The disperse mechanisms of calcium salt detergent to BS were investigated by means of X-ray photoelectron spectroscopy and Fourier transform infrared spectrometer. The results showed that the dispersed systems with high concentration of BS presented obvious phenomenon of shear thinning, which was similar to that of non-Newtonian fluid. Adding T109 to the LP contaminated with BS, the disperse system showed the minimal dynamic viscosity, the maximum sludge dispersion threshold, the largest drop ratio of supernatant liquid height, the minimum aggregate particle size range and the average particle size in n-heptane. T109 was the excellent additive to disperse BS in LP. The mechanisms analysis showed that the O-containing polar groups (such as carboxyl or hydroxyl) on the surface of BS were liable to adsorb calcium salt detergent through hydrogen bond or acid-base function. At the same time, the lipophilicity of non-polar chain alkane group of calcium salt detergent formed steric hindrance in the oil andimpeded BS particle aggregation. Consequently, the calcium salt detergent can disperse the BS particle in the oil.

Key words:calcium salt detergent; biofuel; soot; dispersion; adsorption