含废机油混装乳化炸药可行性研究

2020-03-23孙伟博佟彦军

工程爆破 2020年1期

孙伟博，佟彦军，王燕，马力

(1.西安科技大学能源学院，西安 710054；2.教育部西部矿井开采及灾害防治重点实验室，西安 710054；3.陕西北方民爆集团有限公司，西安 710061)

矿山开采需要大量工程装备，这些工程装备会产生大量的废机油，造成环境污染。同时，矿山爆破开采离不开炸药，而机油又是炸药的原料之一。二十世纪90年代美国出现过将废机油应用于铵油炸药的报道[1]。在非洲，南非的BME公司生产过废油工业炸药，并将废油工业炸药应用于非洲的露天矿山[2]，但制备的炸药性能和稳定性方面还有待提高。我国科研人员在这方面也进行了研究。薛占山[3]将废油品称量后通过过滤网倒入混合油池，再往油池注入废油品2倍量的柴油，经过循环泵循环均匀后打入燃料油罐，供现场混装铵油炸药车使用。岳中文[4]提出将废弃食用油脂与轻柴油制备成混合油代替纯轻柴油，用于混装铵油炸药的生产。宋日[5]按照多孔粒状硝酸铵∶柴油∶废矿物油=94.5∶2.75∶2.75的比例，制备出了达到国标要求的多孔粒状铵油炸药。简国祚[6]将一定比例的废机油、柴油、乳化剂混和，制备的现场混装乳化炸药性能达到国标要求。祁茂富[7]将再生油与轻柴油按照不同比例混配成组合油，通过调配生产出不同爆速和猛度的多孔粒状铵油炸药。闫陆[6]利用废矿物油代替部分轻柴油生产铵油炸药。可以看出，废机油在工业炸药中的应用主要集中在铵油炸药，而对于现场混装乳化炸药，还需要进一步深入研究。

1 实验材料与方法

1.1 实验材料与设备

根据某矿山提供的废机油清单，从中选取发动机油SAE15W40作为实验所用废机油。由于废机油中含有大量金属颗粒等杂质，不利于制备乳化基质，因此在使用废机油前，先将废机油用10m滤布过滤2遍。通过实验室检测，过滤之后的油品黏度为143.75 cst，油品的清洁度从ISO4406 28/26/24降低到了28/25/14。乳化剂选择路博润LZ2820，0号柴油，工业硝酸铵。实验仪器包括搅拌器、黏度计、JSM-7001F热场发射扫描电子显微镜(放大倍数：10～50万倍)，奥林巴斯BX53偏光显微镜等。

1.2 实验配方

为考察废机油加入后对乳化基质的影响，对含废机油的乳化基质进行正交实验。乳化炸药中水相比例为93.5%，其中硝酸铵占水相质量的82%，水占水相质量的18%。油相比例为6.5%，油相中乳化剂、柴油、机油(含废机油)划分水平和因素如表1所示，具体实验配比如表2所示。

表1 废机油正交实验水平因素划分

表2 废机油正交实验

每个试样制备500 g，按照表2中的实验配比计量好实验材料。为了与新机油配方进行比较，参考005号配方，将废机油全部改为新机油，对应的实验编号为000号。

1.3 实验方法

将硝酸铵和水按照实验配方质量比加入到烧杯中，用电加热套加热至95 ℃制成水相溶液。将废机油、乳化剂、新机油按照实验配方质量比加入到烧杯中，放在磁力搅拌器上搅拌，加热至50 ℃制成油相溶液。油相、水相制备好后，将搅拌器转速设定为300 r/min，开启搅拌器，期间缓慢加入油水两相，搅拌150 s；之后，将搅拌器缓慢加速到1 350 r/min搅拌60 s。若不能成乳，将搅拌器转速提高到1 600 r/min搅拌30 s，若还不能成乳，将搅拌器转速提高到2 000 r/min搅拌60 s，若仍不能成乳，增加搅拌时间，若搅拌210 s还不能成乳，则停止搅拌。

将做好的样品放入试样盒中，一部分用于显微镜和扫描电镜观察，一部分用于自然储存和高、低温循环实验。高、低温循环实验是将样品放在50 ℃恒温箱保存8 h，然后在-10 ℃低温箱保存16 h，作为一个温度变化循环[9-13]。

2 实验结果与分析

2.1 基质成乳性

在制备乳化基质过程中，将最易成乳记做5，不能成乳记做0，成乳性按每增加一个环节减1，进行成乳性量化，得到成乳性指数如表3所示。

表3 实验结果

将废机油在油相中比例与成乳性指数做成散点图，两者之间关系如图1所示。

图1 废机油与成乳性关系Fig.1 The relation of waste engine oil and emulsion

从实验结果可以看出，乳化基质能否成乳与乳化剂和废机油的含量有很大关系。经计算，成乳性指数与废机油在油相中占比的相关性系数为-0.697，这说明废机油的量与成乳性指数为负相关，且相关性较高，废机油含量越高越难成乳。

从实验结果还可以看出，两个没有成乳的样品中一个是100%废机油(003号)，占油相材料的42.3%；一个是66%废机油(004号)，占油相材料的37.9%。这是乳化剂在油相中比例分别为15.4%和18.5%的情况下没有成乳的。当乳化剂在油相中比例提高到23.1%时，废机油含量更高(占油相材料的53.8%)的007号样品仍然能够成乳。虽然007号样品废机油含量最高，但该样品乳化剂含量也高于不能成乳的003和004号样品，这说明乳化剂的量对是否成乳也有较大影响。经计算，废机油与乳化剂的比值与成乳性指数之间的相关性系数为-0.674，这说明废机油与乳化剂的比值同成乳性指数为负相关，且相关性较高，比值越大，越难以成乳。这可能是由于废机油中含有多种微小杂质，这些杂质的表面积很大，会消耗一部分乳化剂，使得乳化剂的有效含量降低，不足以使水油相充分乳化，导致无法成乳。

2.2 储存期实验

为观测制备乳化基质的存储性能，进行了10个高、低温循环老化实验和45 d自然储存实验。并把实验结果与新制备基质的偏光显微镜观测结果进行对比(见图2)。

图2 乳化基质存储性能的偏光显微镜对比Fig.2 Comparison of storage properties of emulsion matrix by polarized light microscopy

使用Image-pro 软件对偏光显微镜图片进行分析，统计析晶面积占图片总面积的结果如表4所示。

表4 析晶面积在图片中占比

从表4中可以看出，新制乳化基质的析晶面积均没有超过总面积的5%；45 d自然储存情况下，008号样品的析晶量最高，占总面积的9.23%，005号和009号样品的析晶面积分别占总面积的7.30%和5.43%，其余样本均没有超过5%；在10个高、低温循环情况下，001号样品的析晶量最高，占总面积的7.24%，其余样本均没有超过5%。从储存性能来看，002号、006号和007号的综合储存性能较好。

经计算，45 d自然储存基质和10个高、低温循环基质与废机油在油相材料中占比的相关性系数分别为：0.038 6和-0.075。这说明成乳后的含废机油乳化基质的储存性能与废机油含量相关性不强。影响含废机油乳化炸药储存性能的因素还需要进一步研究。

将45 d自然储存电镜、10个高、低温循环电镜与新制基质电镜对比，结果如图3所示。

图3 扫描电镜对比Fig.3 Comparison of SEM

从样品新制基质电镜照片可以看出，全部样品乳化液滴的直径基本都小于10m，007号样品的液滴尺寸最大，最大尺寸为6.8m左右，008号样品的液滴尺寸较小，最大尺寸为4.5m左右。从细观角度来看，45 d自然储存和10个高、低温循环以后基质形态与新制基质相比，液滴尺寸稍有增加，液滴边界更为清晰，总体变化不很明显。

2.3 爆炸性能实验

对储存性能较好的000,002,006,007和009号样品进行爆速实验。由于混装乳化炸药不具备雷管感度，所以用实验室设备通过多次重复实验制备乳化基质，使用浓度25%的亚硝酸钠作为化学敏化剂，用搅拌器对乳化基质进行敏化后装入直径150 mm、长1.5 m的PVC管中，封口，使用140 g TNT药柱做起爆具进行引爆，在现场使用WBS-2型爆速测试仪进行测试爆速，结果如表5所示。