胡麻油生物柴油与0#柴油混配物的性质研究

尚琼，汪淼，赵国虎，陈文魁

(1.城市环境污染控制甘肃省高校省级重点实验室，甘肃 兰州　730070；2.兰州城市学院化学与环境科学学院，甘肃 兰州　730070；3.甘肃中医药大学教学实验中心，甘肃 兰州　730000)



胡麻油生物柴油与0#柴油混配物的性质研究

尚琼1,2，汪淼3，赵国虎1,2，陈文魁1,2

(1.城市环境污染控制甘肃省高校省级重点实验室，甘肃 兰州730070；2.兰州城市学院化学与环境科学学院，甘肃 兰州730070；3.甘肃中医药大学教学实验中心，甘肃 兰州730000)

摘要：【目的】初步探讨生物柴油含量对混配物物性参数的影响规律.【方法】以甘肃产胡麻油为原料，研究了胡麻油生物柴油与0#柴油混配物的密度、黏度、冷滤点、凝点和闪点等性质.【结果】混配物的密度与胡麻油生物柴油在混配物中的体积分数呈线性关系；混配物的运动黏度可用公式ln(υρ)=v1ln(υ1ρ1) +v2ln(υ2ρ2) 预测；随着混配物中胡麻油生物柴油体积分数的增加，冷滤点和凝点依次降低；当胡麻油生物柴油体积分数在0～50%之间时，闪点随着生物柴油体积分数的增加而缓慢增加，当大于50%后，闪点大幅增加.【结论】为胡麻油生物柴油的研究和应用提供理论基础.

关键词：胡麻油；生物柴油；0#柴油；混配物；理化性质

近年来，在能源、环境承载力严重不足的紧迫形势下，生物柴油因具有含氧量高、十六烷值高、闪点高、硫含量极低、芳香烃含量少和废气逸出少等众多石化柴油不可企及的优点，成为众多学者研究的热点[1-2].目前，生产生物柴油的原料众多，如大豆和油菜籽等油料作物、麻疯油和黄连木等油料林木果实、工程微藻等油料水生植物以及动物油脂、废餐饮油等[3].胡麻是甘肃省的主要油料作物之一，在兰州、定西、天水、平凉、庆阳、白银等地广泛种植[4].胡麻属亚麻科草本植物，胡麻籽全籽含油率达35%～48%，富含亚麻酸(40%～60%)，是制备生物柴油优良的原料油之一[5-6].

现今在很多国家，由于生物柴油自身性质及价格等原因，生物柴油与石化柴油调配使用居多.众多研究表明，不同原料油制备的生物柴油由于脂肪酸组成不同，其理化性质差异很大，其与石化柴油的混配物性质也各不相同[7-9].目前，对胡麻油生物柴油及其混配物的研究尚未报道.本文拟采用产自甘肃本地的胡麻油为原料，以KOH为催化剂制备胡麻油生物柴油，研究其与0#柴油以不同配比组成的混配物的密度、黏度、冷滤点、凝点和闪点等性质，初步探讨胡麻油生物柴油含量对混配物物性参数的影响规律，以期为胡麻油生物柴油的进一步研究和应用提供基础数据.

1材料与方法

1.1主要试剂与仪器

胡麻油(酸值0.657 9 mg KOH/g，皂化值196.3 228 mg/g，相对分子质量860.144 1 g/mol)购于甘肃陇西市；0#柴油购于兰州市安宁区加油站；甲醇、氢氧化钠、丙酮、石油醚、95%乙醇等试剂均为分析纯；试验用水为二次蒸馏水.

FA1004N型电子分析天平(北京赛多利斯科学仪器有限公司)；附温比重瓶(安徽省凤阳县玻璃仪表厂)；HH-S1s型电热恒温水浴锅(金坛市大地自动化仪器厂)；SYD -265C型石油产品运动黏度测定仪、SYD -261石油产品闪点测定仪和SYD-510 F1石油产品多功能低温测试仪(上海昌吉地质仪器有限公司)；气相色谱-质谱联用仪(ITQ700TM，Thermo fisher Scientific科技公司).

1.2试验方法

1.2.1胡麻油生物柴油的制备以KOH为催化剂，采用酯交换法制备生物柴油，具体实验过程参见文献[7].

1.2.2混配物的配置胡麻油生物柴油和0#柴油的混配物用Bx表示，其中x表示生物柴油占混配物的体积分数.用移液管移取定量的胡麻油生物柴油和0#柴油，在锥形瓶中按不同体积比混配B0、B5、B20、B40、B50、B70和B100的样品.

1.2.3分析方法胡麻油及其生物柴油混配物的理化性质，如酸值(GB/T 5530)、皂化值(GB/T 5534)、密度(GB/T 2540)、运动黏度(GB/T 265)、冷滤点(SH/T 0248)、凝点(GB/T 510)、闪点(GB/T 261)等采用相应的国标规定的方法测定.

胡麻油生物柴油的脂肪酸成分采用Thermo ITQ700TM GC-MS联用仪.分析条件为：分析仪色谱柱Rtx - 5SilMS，30 m×0.25 mm×0.25 μm，溶剂为丙酮(丙酮与生物柴油体积比为2 000∶1).程序升温：第1阶段初始温度为130 ℃，终止温度为180 ℃，升温速率5 ℃/min，保持20 min；第2阶段初始温度180 ℃，终止温度为220 ℃，升温速率为5 ℃/min，保持2 min；第3阶段初始温度为220 ℃，终止温度为250 ℃，升温速率为30 ℃/min，保持5 min.分流比30∶1；进样温度250 ℃，进样量0.8 μL；电离源EI，电子能量70 eV；离子源温度200 ℃，界面温度250 ℃，柱流速1.33 mL/min，载气为He.

2结果与讨论

2.1胡麻油生物柴油脂肪酸成分分析

胡麻油生物柴油的脂肪酸成分见表1.由表1可知，胡麻油生物柴油的脂肪酸主要成分是α-亚麻酸(C18:3)，亚油酸(C18:2)，油酸(C18:1)，棕榈酸(C16:0)和硬脂酸(C18:0).其中，不饱和脂肪酸含量高达86.24%，α-亚麻酸的含量最高(65.34%).

2.2混配物的理化性质

胡麻油生物柴油与0#柴油不同比例混配物的密度、运动粘度、冷滤点和闪点等性质见表2.

2.2.1混配物的密度 胡麻油生物柴油与0#柴油混配物的密度与生物柴油含量的关系如图1所示.

由图1可知，在20 ℃和40 ℃下，混配物的密度均随着生物柴油体积分数的增加而增加，其值与生物柴油体积分数呈良好的线性关系，线性相关系数分别R20 ℃=0.999 9和R40 ℃=0.999 1，这与文献结果线性关系类似[7-9].我国车用柴油标准规定，燃料油的密度要求在0.820～0.860 g/cm3(20 ℃).如按此标准，胡麻油生物柴油在混配物中的体积含量不得超过50%.

表1　胡麻油生物柴油的脂肪酸成分

表2　胡麻油生物柴油与0#柴油混配物的性质

1:生物柴油与0#柴油混配物(B6-B20)美国标准；2:生物柴油美国标准.

图1　混配物的密度与胡麻油生物柴油含量的关系Fig.1　Density of til oil biodiesel blends

2.2.2混配物的运动黏度生物柴油的运动黏度是其重要的性能指标之一.较高的运动黏度可使燃料更容易在汽缸内壁形成一层油膜，从而提高运动机件的润滑性，降低机件磨损.文献研究表明[10-11]，生物柴油和0#柴油混配物适用非极性和弱极性体系，故其在低温下液体混合物的动力黏度计算结果可通过Grunberg-Nissan法计算；同时为了简化其计算，将柴油与生物柴油看作二元组分，忽略混合过程中的相互作用，最终表达为下式：

ln(υρ)=v1ln(υ1ρ1)+v2ln(υ2ρ2)

(1)

式中：υ为运动黏度，ρ为密度，v1和v2分别为柴油和生物柴油的体积分数.因此，结合表2数据，将本试验的实际测量值与计算值进行对比，结果如表3所示.

表3　混配物运动粘度的实测值与计算值

由表3可知，0#柴油的运动黏度为2.924 5 mm2/s，B100的运动黏度为3.946 0 mm2/s.随着胡麻油生物柴油体积分数的增多，混配物的黏度不断增加，但其值仍在燃料油使用的国标要求范围内.且通过混配，可提高燃料使用时运动机件的润滑性，降低其磨损.

同时，对比计算值与试验值发现，(1)式可以准确地预测生物柴油和0#柴油混配物的运动黏度，且相对偏差在±2%之内，同文献类似[7-8]，说明(1)式对生物柴油和0#柴油混配物体系的运动黏度具有很好的通用性.

2.2.3混配物的冷滤点和凝点冷滤点和凝点是衡量生物柴油低温流动性的重要指标，其数值的大小不仅关系到柴油发动机燃料供给系统在低温下能否正常供油，而且与生物柴油在低温下的储存、运输、装卸等作业能否正常进行密切相关.混配物的冷滤点、凝点与胡麻油生物柴油含量的关系如图2所示.由图2可知，当胡麻油生物柴油的体积含量较低(<20%)时，混配物的冷滤点和凝点几乎没有变化；但随着胡麻油生物柴油的体积含量的增加，冷滤点和凝点不断降低，B100的冷滤点和凝点分别降至-7 ℃和-11 ℃.由此可见，胡麻油生物柴油在储存、运输、装卸和使用过程中具有较好的低温流动性，这可能是由于其不饱和脂肪酸含量较高(85.24%)的缘故[12].同时，为了改善0#柴油的低温流动性，可将其与胡麻油生物柴油混配使用.

图2　混配物的冷滤点和凝点与胡麻油生物柴油含量的关系Fig.2　Cold filter plugging point and solidifying point of til oil biodiesel blends

2.2.4 混配物的闪点胡麻油生物柴油与0#柴油混配物的闪点与生物柴油含量的关系如图3所示.由图3可知，胡麻油生物柴油的闪点明显高于0#柴油，其混配物的闪点随着胡麻油生物柴油体积分数的增加而增加.当胡麻油生物柴油的体积分数在0～50%之间时，B0～B50的闪点从60 ℃缓慢增加到89 ℃；当胡麻油生物柴油的体积分数大于50%时，闪点的增加幅度增大，B50～B100的闪点从89 ℃增加到166 ℃，远远高于我国及美国ASTM D6751国标要求.由此说明，0#柴油与胡麻油生物柴油混配，可提高燃料油的闪点，增加油品在使用、运输和储存时的安全性.

图3　混配物的闪点与胡麻油生物柴油含量的关系Fig.3　Flash point of til oil biodiesel blends

3结论

本文首次对胡麻油生物柴油与0#柴油混配物的密度、黏度、冷滤点和闪点的进行测定，研究结果表明：混配物的密度与胡麻油生物柴油在混配物中的体积分数呈良好的线性关系.混配物的运动黏度随着胡麻油生物柴油含量的增加而增加，混配物的运动黏度可用公式ln(υρ)=v1ln(υ1ρ1) +v2ln(υ2ρ2)预测.随着混配物中胡麻油生物柴油体积分数的增加，冷滤点和凝点依次降低.胡麻油生物柴油与0#柴油的混配，可以降低0#柴油的冷滤点和凝点，改善其低温流动性.当胡麻油生物柴油体积分数在0～50%之间时，闪点增加缓慢；当胡麻油生物柴油的体积分数大于50%时，闪点大幅增加.0#柴油与胡麻油生物柴油混配，可提高燃料油的闪点，增加油品在使用、运输和储存时的安全性.

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(责任编辑李辛)

Properties of flax oil biodiesel and 0# diesel blends

SHANG Qiong1，2,WANG Miao3,ZHAO Guo-hu1,2,CHEN Wen-kui1,2

(1.Provincial Key Laboratory of Gansu Higher Education for City Environmental Pollution Control,Lanzhou 730070,China;2.School of Chemistry and Environmental Science,Lanzhou City University,Lanzhou 730070,China;3.Experimental Teaching Center,Gansu University of Chinese Medicine,Lanzhou 730000,China)

Abstract：【Objective】 To discuss influence of biodiesel ratio on the blends properties.【Method】 With flax oil produced from Gansu province as materials,the properties of flax oil biodiesel and its blends with 0# diesel,such as density,viscosity,cold filter plug point,solidifying point and flash point were studied． 【Result】 A linear relationship was reserved the density the volume fraction of biodiesel.The viscosity of blends could be predicted by a formula lnη=φ1lnη1 + φ2lnη2.The cold filter plug point and solidifying point of blends decreased with the increase of the volume fraction of biodiesel.The flash point increased slowly with the increase of the volume fraction of biodiesel when the volume fraction of biodiesel was below 50%,whereas it increased sharply when the volume fraction was above 50%.【Conclusion】 The results will provide theoretical basis for the research and application of the flax oil biodiesel.

Key words：flax oil;biodiesel;0# diesel;blends;physiochemical properties

通信作者：赵国虎，男，教授，硕士生导师，主要从事非线性化学及天然产物中有效成分的提取研究．E-mail：zhaoguohu@lzcu.edu.cn

基金项目：兰州市科技局项目(2012-2-99)；城市发展研究院项目(2012).

收稿日期：2015-04-15；修回日期：2015-09-10

中图分类号：U 473.1

文献标志码：A

文章编号：1003-4315(2016)02-0140-04

第一作者：尚琼(1984-)，女，讲师，研究方向为化工新能源．E-mail：qiong2003-12@163.com