Đánh giá khả năng sử dụng ủa nhiên liệu nhũ tương diesel nướ

Trang 1 --- LÊ VĂN HƯƠNGĐÁNH GIÁ KHẢ NĂNG SỬ DỤNG CỦA NHIÊN LIỆU NHŨ TƯƠNG DIESEL – NƯỚCChuyên ngành: Kỹ thuật hóa học Trang 2 LỜI CAM ĐOAN Trước tiên em xin chân thành cảm ơn sâu sắc

-

LÊ VĂN HƯƠNG

ĐÁNH GIÁ KHẢ NĂNG SỬ DỤNG CỦA NHIÊN LIỆU

NHŨ TƯƠNG DIESEL – NƯỚC

Chuyên ngành: Kỹ thuật hóa học

LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT

NGƯỜI HƯỚNG DẪN: PGS TS NGUY N H U TR Ễ Ữ Ị NH

HÀ NỘI - 2013

LỜI CAM ĐOAN

Trước tiên em xin chân thành cảm ơn sâu sắc đến PGS.TS: Nguy n H u Trễ ữ ịnh

người đã giúp em đỡ, hướng d n, tẫ ạo điền ki n cho em trong su t th i gian thệ ố ờ ực

hiện luận văn này

Em xin chân thành cảm ơn đến các th y cô ầ viện Công Ngh Hóa h c, cùng toàn ệ ọ

thể các th y cô tham gia gi ng d y ầ ả ậ đã truyền đạt cho em nh ng ki n th c quý giá ữ ế ứ

trong su t th i gian em h c t p tố ờ ọ ậ ại trường

Em xin cam đoan kết qu ả trong báo cáo là hoàn toàn đúng thự ếc t và không sao

chép c a b t k k t qu nào ủ ấ ỳ ế ả

KS Lê Văn Hương

M C L C Ụ Ụ

Danh m c bụ ảng 6

Danh m c hình ụ 8

Danh m c ch t t t ụ ử viế ắ 10

M ở đầu 11

CHƯƠNG I Tổng Quan 12

I.1.Tính c p thi t cấ ế ủa đề tài 12

I.2.Tình hình nghiên cứu hiện nay 17

I.2.1.Tình hình nghiên c u trên th ứ ế giớ 17 i I.2.1.1 S n ả xuất công nghiệp nhũ tương 18

I.2.2.Tình hình nghiên cứu ở Việt Nam 21

I.3.M c tiêu c a luụ ủ ận văn 21

I.4 Khái quát v nhiên liề ệu nhũ tương 22

I.4.1 Khái quát v nhiên liề ệu 22

I.4.2 i trò c a ch t hoVa ủ ấ ạt động b m t ề ặ 23

I.4.3 Quá trình cháy c a nhiên liủ ệu nhũ tương 23

I.4.4 Ảnh hưởng của nước trong nhiên liệu đến quá trình cháy 24

I.4.5 K t qu cháy cế ả ủa nhiên liệu nhũ hóa 24

I.4.6 Độ ốc t và khói khí th i ả 25

I.4.7 Cơ chế hình thành khí thải 27

I.4.8 M t s ộ ố ưu điểm và nhược điểm c a nhiên liệu nhũ tương 30 ủ I.4.9 Phân loại nhũ tương 32

I.4.10 Phương pháp nhận biết nhũ tương 32

I.4.11.Tính ch t chung cấ ủa nhũ tương 32

I.4.12 Các y u tế ố ảnh hưởng đến độ ổn định của nhũ tương 39

I.4.12.1.Yế ố điệu t n tích 39

I.4.12.2.Yế ốu t hình h c ọ 40

I.4.13 Chất hoạt động b m t và tiêu chu n ch n chề ặ ẩ ọ ất nhũ hóa 41

I.4.13.1 Chất hoạt động b m t ề ặ 41

I.4.13.2 L a chon ch t ự ấ nhũ hóa 45

I.4.14 Các phương pháp chế ạo nhũ tươn t g 48

I.4.14.1 Phương pháp ngưng tụ 48

I.4.14.2 Phương pháp phân tán cơ học 48

I.4.14.3 Phương pháp phân tán siêu âm 49

CHƯƠNG II PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU VÀ TH C NGHI M Ự Ệ 50

II.1.Hóa ch t và d ng c ấ ụ ụ 50

II.1.1.Hóa ch t ấ 50

II.1.2.D ng cụ ụ 50

II.2.Phương pháp chế ạ t o nhiên li u nh ệ ũ tương 50

II.2.1.Thi t b và quy trình ch t oế ị ế ạ 50

II.3.Các phương pháp đánh giá chất lượng nhiên liệu nhũ tương 52

II.3.1.Th i gian ờ ổn định của nhũ tương 52

II.3.2.Kích thướ ạc h t 52

II.3.3.Phương pháp đánh giá theo các chỉ tiêu c a nhiên li u ủ ệ 53

II.3.3.1.Trị ố xetan 54 s II.3.3.2.Thành phần phân đoạn 56

II.3.3.3.Độ nhớt động h c ọ 57

II.3.3.4.Khối lượng riêng 57

II.3.3.5.Nhiệt độ ớ ch p cháy c c kín 57 ố

II.3.3.6.Hàm lượng lưu huỳnh t ng 58 ổ

II.3.3.7 Ăn mòn tấm đồng 59

II.3.3.8 Nhiệt độ đông đặc 59

II.4.Hàm lượng khí th i và công suả ất động cơ 59

CHƯƠNG III K T QU VÀ TH O LU N Ế Ả Ả Ậ 61

III.1 Nghiên cứu l a ch n chự ọ ất nhũ hóa và chấ ổn định nhũt 61

III.1.1.Ch n chọ ất nhũ hóa 61

III.1.2.Ch n chọ ất ổn định nhũ 63

III.2.Kh o sát thành ph n c a h n h p ả ầ ủ ỗ ợ 64

III.2.1.Xác định tỷ ệ ất nhũ hóa và chấ ổn định nhũ l ch t 64

III.2.2.Xác định hàm lượng nước thích h p ợ 66

III.3.Kh o sát th i gian và tả ờ ốc độ khuấy 73

III.4.Nghiên cứu l a ch n ph ự ọ ụgia 73

III.5.Khảo sát s ự ảnh hưởng của các ion đố ới v i quá trình cháy và ổn định 75

III.6 Đánh giá chất lượng nhiên liệu nhũ tương 76

III.6.1 Th i gian ờ ổn định 76

III.6.2 Kích thước h t 77 ạ III.6.2 Ch tiêu chỉ ất lượng 78

CHƯƠNG I V ĐÁNH GIÁ KHẢ NĂNG SỬ Ụ D NG C A NHIÊN LI U Ủ Ệ 79

IV.1 Công suất động cơ 79

IV.2 Tổng hàm lượng NOx 80

IV.3 Tổng hàm lượng PM 82

IV.4 Tổng Hàm lượng HCT 83

IV.5 Tổng Hàm lượng CO2 84

IV.6 Tổng Hàm lượng CO 85

IV.7 Đánh giá hiệu qu kinh t nhiên liả ế ệu nhũ tương 87

KẾ T LUẬN VÀ KIẾ N NGHỊ 89

TÀI LIỆU THAM KH O 91 Ả PHỤ Ụ L C 94

TÓM T TẮ 99

DANH M C B Ụ Ả NG

B ng 1.1 EU Tiêu chu n khí th i cho ô tô t i hành kháchả ẩ ả ả loại M1) 13

B ng 1.2.ả EU Tiêu chu n khí thẩ ải cho HD động cơ Diesel,g/kwh(khói trong m -1 14

B ng 1.3 Tier 2 Tiêu chu n khí th i,75 FTP ,g/km ả ẩ ả 15

B ng 1.4.Các hả ằng s ốphản ứng nghịch trong giai đoạn hình thành khí NO 27

B ng 1.5 Thang giá tr HLB và ng dả ị ứ ụng c a ch t hoủ ấ ạt động b m t ề ặ 45

Bảng 6 Chỉ ố1 s HLB c a m t s ủ ộ ốchất hoạt động b m t ề ặ 46

Bảng 2.1 Phương pháp thử và điều kiện của chỉ tiêu 53

B ng 3.1 K t qu l a ch n ch t nả ế ả ự ọ ấ hũ hóa 61

B ng 3.2 Kh o sát chả ả ất ổn định nhũ 63

Bảng 3.3 Giá trị HLB của từng hỗn hợp chất hoạt động bề mặt phụ thuộc vào tỷ lệ - 65

Bảng 3.4 Khảo sát hàm lượng nước 6 % .66

Bảng 3.5 Khảo sát hàm lượng nước 8 % .67

Bảng 3.6 Khảo sát hàm lượng nước 10% 68

Bảng 3.7 Khảo sát hàm lượng nước 12% -69

Bảng 3.8 Khảo sát hàm lượng nước 14 70

Bảng 3.9 Mối quan hệ giữa số ngày ổn định lớn nhất với hàm lượng nước - 71

Bảng 3.10 Xác định thời gian khuấy trộn ( tốc độ khuấy 4000v/ phut 73

Bảng 3.11 Xác định hàm lượng biodiesel 74

B ng 3.12 k t qu ả ế ả phân tích các ion đố ới v i mẫu nước BK 75

B ng4.1 B ng Công suả ả ất động cơ 79

B ng4.2.Bả ảng Lượng khí NOx t o ra trong khí th i ạ ả 89

B ng4.3 bả ảng hàm lượng PM tạo ra ( Độ ờ m khói ) 82

Bảng 4.4 Lương THC tạo ra 83

B ng 4ả 5 Lượng khí CO2 tạo ra trong khí th i ả 84

Bảng 4.6 Lượng CO t o ra trong khí th i ạ ả 85

B ng 4.7 Tính toán giá thành 1 lít nhiên liả ệu nhũ tương 87

DANH M C HÌNH Ụ

Hình 1.1 Ô nhi m khí thễ ải do động cơ diesel xe bus 12

Hình 1.2 Nhũ tương hóa nhiên liệu là bi n pháp hi u qu giảệ ệ ả để m ô nhi m môi ễ trường 15

Hình 1.3 Các gi i pháp công ngh ả ệ để đáp ứng tiêu chu n EURO m i ẩ ớ 16

Hình 1.4 Nhiên liệu nhũ tương có thể làm giảm đồng th i PM và NOờ x 17

Hình 1.5 M u nhiên liẫ ệu nhũ tương GeCamTM 17

Hình 1.6 Mô hình giọt nhũ 22

Hình 1.7 Nhiên liệu nhũ tương diesel có màu trắng 23

Hình 1.8 Mô hình phá v ỡ giọ ầ ủa nướt d u c c 24

Hình1.9 Các dạng nhũ tương hai pha 31

Hình 1.10 Nhũ tương ổn định nh chờ ất nhũ hóa 33

Hình 1.11 Các quá trình phá v ỡ nhũ tương 37

Hình 1.12 Các loại nhũ tương 3 pha 38

Hình 1.13 Các dạng ổn định của nhũ tương 40

Hình1.14 C u tấ ạo đơn giản c a m t phân t ủ ộ ử chất nhũ hóa 41

Hình 1.15 Các dạng ch t hoấ ạt động b mề ặt 42

Hình 2.1 Cánh Khu yấ 51

Hình 2.2 Máy khuấy đĩa 51

Hình 2.3 Quy trình ch tế ạo nhũ tương 52

Hình 2.4 Mô hình thi t b ế ịchạy th nghi m nhiên li u ử ệ ệ 60

Hình 3.1 Chất nhũ hóa BK2012-1 62

Hình 3.2 Chất ổn định nhũ BK2012-2 64

Hình 3.3 Đồ thị Khảo sát với hàm lượng nước 6 % - 67

Hình 3.4 Đồ thị khảo sát hàm lượng nước 8 % -68

Hình 3.5 Đồ thị khảo sát hàm lượng nước 10% -69

Hình 3.6 Đồ thị khảo sát hàm lượng nước 12% -70

Hình 3.7 Đồ thị khảo sát hàm lượng nước 14% -71

Hình 3.8 Đồ thị biểu diễn mối quan hệ giữa hàm lượng nước với số ngày ổn định lâu nhất các mẫu thí nghiệm 72

Hình 3.10 Khảo sát hàm lượng ph gia ụ 75

Hình 3.11 nh ch p mẢ ụ ật độ phân b hố ạt nhũ tương 77

Hình 4.1 Đồ ị th công suất động cơ 80

Hình 4.2 Đồ ị th NOx t o ra trong khí th i ạ ả 81

Hình 4.3 Đồ ị ợ th lư ng PM t o ra trong khí th i ạ ả 82

Hình 4.4 Lượng THC trong khí th i ả 83

Hình 4.5Lượng CO2 t o ra trong khí th i ạ ả 84

Hình 4.6 CO t o ra trong khí th i ạ ả 85

Hình 4.8 Mô hình cháy c a nhiên li u diesel ủ ệ 86

Hình 4.8 Mô hình cháy c a nhiên liủ ệu nhũ tương 86

DANH M C B NG VI T T T Ụ Ả Ế Ắ

PM: Độ ờ m khói

THC: Tổng hàm lượng căn hydrocacbon chưa cháy hết

APT Alternative Petroleum Technologies :

HLB: Giá tr cân bị ằng ưa nước – ưa dầu

HĐBM: Hoạt động b m t ề ặ

B5, B10: Nhiên li u có ch a 5% Biodiesel và 10% Biodiesel ệ ứ

EGR: B ộtuần hoàn khí th i ả

SCR: Xúc tác ch n l c ọ ọ

DPF:S d ng thi t b b y ử ụ ế ị ẫ

EPT: Environment Protech and Technology

DO: Diesel

DOE: Nhiên liệu nhũ tương dầu diesel

DLVO: Derjaguin, landau, Verway

HCN: Axit xianua

EPA: Environment protech American

HDE: Hight Diesel Environment

PH: Độ PH c a dung dủ ịch

M Ở ĐẦ U Ngày nay nhu c u s d ng nhiên li u hóa th ch ngày càng nhiầ ử ụ ệ ạ ều nhưng lượng nhiên li u hóa th ch ngày càng ít, vệ ạ ấn đề ô nhiểm môi trường ngày càng là vấn đề

c n quan tâm ầ Việ ử ụng động cơ diesel mang lạc s d i m t s ộ ố ưu điểm như công suất động cơ lớn có th, ể ứ ng d ng r ng rụ ộ ải trong các lĩnh vực khác nhau như: Giao thông, các thi t b sế ị ửu ấm, các thi t b ế ị đô thị… Bên cạnh đó v ệ ử ụi c s d ng nhiên liệu diesel đang tiêu tốn một lượng l n nhiên li u hóa th ch và gây ra ô nhi m môi ớ ệ ạ ểtrường tr m tr ng vì nó th i ra mầ ọ ả ột lượng l n khí th i và các chớ ả ất chưa chấy h t c a ế ủnhiên li Chính vì v y các qu c gia trên th ệu ậ ố ế giới đã và đang nghiên c u và sứ ản xuất ra các lo i nhiên li u thay th ạ ệ ế có tính ưu việt hơn Đi đầu là m và các qu c gia ỹ ốkhác Châu Âu Nhở ững năm gần đây mỹ và các qu c gia phát triố ển đã ban hành nhi u lu t v ề ậ ề kiểm soát khí thải môi trường v i các tiêu chu n ng t nghèo nh m ớ ẩ ặ ằgiảm lượng khí th i cả ủa động cơ diesel giúp cải thiện môi trường Vi t Nam bên Ở ệ

c nh nhạ ững tiêu chu n v ẩ ề chất lượng nhiên liệu diesel được ki m soát thì vể ấn đềnghiên c u nhiên li u m i thay th , h n ch nhiên li u hóa thứ ệ ớ ế ạ ế ệ ạch cũng đang được quan tâm Nhiên liệu nhũ tương là một hướng đi mà các nhà khoa học Việt Nam đã

và đang nghiên cứ Đi đầu u trong vấn đề nghiên c u nhiên li u ứ ệ nhũ tương disel này

ở Vi t Nam là ệ các trường Đại Học, điển hình là : Trường Đại H c Bách Khoa Hà ọ

Nội, Trường Đại H c Bách Khoa H ọ ồ Chí Minh, Trường Đại H c T ọ ự Nhiên, Trường

Đại Hoc Qu c Gia Hà Nố ội… Trong khuân kh c a luổ ủ ận văn này chúng tôi nghiên

c u và tìm ra m t quy trình s n xu t nhiên liứ ộ ả ấ ệu nhũ tương Diesel – Nước ở quy mô phòng thí nghi m, t ệ ừ đó đánh giá khả năng sư dụng c a nhiên liủ ệu này đố ới đội v ng

cơ chạy th nghi m Tuy nhiên c n ph i nghiên cử ệ ầ ả ứu đánh giá thêm về ảnh hưởng

c a nhiên liủ ệu nhũ tương đố ới động cơ diesel.i v

CHƯƠNG I Ổ T NG QUAN

I.1.Tính c p thi t cấ ế ủa luận văn

Hiện nay, động cơ diesel được s d ng r t r ng rãi trong các nghành công ử ụ ấ ộnghi p và giao thông v n t i Bên c nh nhệ ậ ả ạ ững ưu điểm là t s nén cao, ỷ ố khả năng duy trì công suất trong điều ki n r ng hoệ ộ ạt động, chi phí s n xu t nhiên li u diesel ả ấ ệ

r ẻ hơn nhiều động cơ xăng, Tiêu t n nhiên li u th pố ệ ấ …thì nhược điểm l n ớ nhấ ủa t cloại động cơ này là hàm lượng NOx, PM, THC ,…trong khí thả ấi r t cao Chúng đang gây ra những vấn đề nghiêm tr ng cho s c khọ ứ ỏe con người và môi trường sinh thái

Hình 1.1 Ô nhi m khí thễ ải do động cơ diesel xe bus

Trước tình hình đó đã có rất nhiều điều lu t ban hành nh m gi m t i hàmậ ằ ả ảlượng khí th i sinh ra bả ởi động cơ diesel Ví dụ như liên minh Châu Âu đã ban hành tiêu chu n Euro 4 có hi u lẩ ệ ực tháng 10 năm 2005 yêu cầu gi m PM trong khí thả ải

t i 80%, ớ giảm NOx tới 50% cho các động cơ diesel mới so v i tiêu chu n Euro 3 ớ ẩtrước đây Tiêu chu n Euro 5 có hi u lẩ ệ ực vào tháng 10 năm 2008 yêu cầu gi m PM ảtrong khí th i t i 92%, ả ớ giảm NOx t i 43% so v i tiêu chu n Euro 4 Tiêu chuớ ớ ẩ ẩn Euro 6 đang áp dụng vào năm 2014 tới còn yêu c u khầ ắt khe hơn Đố ới các đời i vđộng cơ cũ chưa kịp thay th s b ế ẽ ị đánh thuế ấ ặ r t n ng dựa trên hàm lượng khí th i ảđộng cơ đó sinh ra [15,20] Ở M , ỹ cơ quan bảo v ệ môi trường EPA có ban hành tiêu chuẩn HDE 2007 trong đó động cơ diesel phải gi m hàm l ng PM trong khí th i t ả ượ ả ừ

85-90% còn NOx phải gi m trên 25-30% [17,18] ả Ở Việt Nam m c dù m c ô nhiặ ứ ễm không khí t i các thành ph lạ ố ớn là đáng báo động nhưng do khó khăn về ặm t kinh

t , k thu t nên Vi t Nam m i ch áp d ng tiêu chu n Euro 2 vào tháng 7 nế ỹ ậ ệ ớ ỉ ụ ẩ ăm 2007 Nhưng trong thời gian t i, ớ để đáp ứng được yêu c u h i nh p và c nh tranh v i các ầ ộ ậ ạ ớdòng s n ph m s ả ẩ ẽ phải áp d ng tiêu chu n khí th i Euro 3 và Euro 4 Dù s m hay ụ ẩ ả ớmuộn, áp d ng các tiêu chuụ ẩn Euro để kiểm soát lượng khí th i là nhi m v c n ả ệ ụ ầthi t b i nhế ở ững ảnh hưởng đến môi trường và s c khứ ỏe con người là h t s c to l n ế ứ ớ

Tier Ngày Kiểm tra CO HC NOx PM Hút

B ng 1.2 EU Tiêu chu n khí thả ẩ ải cho HD động cơ Diesel,g/kwh(khói trong m-1 )

Bin # Cuộc song trung gian ( 5 năm/ 50.000 mi) NMOG CO NOx PM HCH H u ích cu c sữ ộ ống đầy đủ

- Trong s d ng PM tiêu chu n 0,07 ử ụ ẩ

B ng 1.3 Tier 2 Tiêu chu n khí thả ẩ ải,75 FTP ,g/km

Hình 1.2 Nhũ tương hóa nhiên liệu là bi n pháp hi u qu ệ ệ ả để giảm ô nhi m môi ễ

trường Trước nh ng yêu c u nghiêm ngữ ầ ặt đó, đã có rất nhi u bi n ề ệ pháp được đề ngh ịnhư: ử ụ s d ng thi t b ế ị “ bẫy hạt”, ộ b xúc tác oxy hóa, xúc tác có tính ch n l a (SCR), ọ ự

b ộ thiế ị tuầt b n hoàn khí th i (EGR h ả ), ệ thống bin l c (CRT), s d ng nhiên liọ ử ụ ệu

sinh h c biodiesel thay th nhiên liọ ế ệu thông thường….Tuy nhiên các phương pháp này có nhược điểm là đắt, k t c u cế ấ ủa động cơ bị thay đổi, nh ng biữ ện pháp như sử

d ng thi t b ụ ế ị “ bẫy hạt” thì chỉ áp dụng cho động cơ diesel cỡ nhỏ, còn nhiên liệu sinh h c biodiesel vọ ẫn còn trong giai đoạn nghiên cứu và chưa được s d ng rử ụ ộng rãi [20] M t bi n pháp khác hi u qu ộ ệ ệ ả hơn là nghiên cứu s d ng nhiên liử ụ ệu nhũ tương nước - diesel Nhũ tương hóa nhiên liệu diesel có th ể tăng hiệu qu nhiên ảliệ do đó làm giảu, m phát th i khí gây hi u ứả ệ ng nhà kính Công ngh ệ này đượ c cung cấp "ba vương mi n" c a c lệ ủ ả ợi ích môi trường và kinh t ế nhũ hoá, công nghệnhiên li u (EFT) ệ Việ ử ục s d ng nhiên liệu nhũ tương nước - diesel không nh ng có ữ

ý nghĩa quan trọng trong vi c gi m t i khí th i, b o v ệ ả ả ả ả ệ môi trường mà còn đồng th i ờ

tiếc ki m ngu n nguyên li u hóa thệ ồ ệ ạch đang dần ngày càng c n ki ạ ệt Xuất phát t ừ ý nghĩa đó đề tài “ Nghiên cứu ch tế ạo và đánh giá chất lượng nhiên liệu nhũ tương nước - diesel ” đã được th c hi ự ện

▪ EGR-B ộ tuầ n hoàn khí th i ả

▪ SCR-Xúc tác ch n l c ọ ọ

▪ DPF-S d ng thi t b b y h t ử ụ ế ị ẫ ạ

Hình 1.3 Các gi i pháp công ngh ả ệ để đáp ứng tiêu chu n EURO mẩ ới

Hình 1.4 Nhiên liệu nhũ tương có thể làm giảm đồng th i PM và NOờ x

I.2 Tình hình nghiên c u hi n nay ứ ệ

I.2.1 Tình hình nghiên c u trên th ứ ế giới

Trên th ế giới việc đưa nước vào nhiên liệu diesel đã được biết đế ừn t sau thập niên 90 Hàng trăm sáng chế đã đưa ra trên cơ sở ỗ h n h p pha trợ ộn nước v i diesel ớ[23,26] Tuy nhiên phải đến nay nhiên liệu nhũ tương nước - diesel mới được nhiều nước nghiên c u hoàn ch nh và áp d ng r ng rãi vứ ỉ ụ ộ ới hàm lượng nước điển hình t ừ

8 đến 35% tùy theo yêu cầu ứng dụng

Hình 1.5 M u nhiên liẫ ệu nhũ tương GeCamTM

Nhi u s n ph m c a nhiên liề ả ẩ ủ ệu nhũ tương này đã được thương mại hóa như:PuriNOxTM , Qwhite, Aspira c a t p ủ ậ đoàn Lubrizol (Mỹ) chứa hàm lượng t ừ 10 đến 20% gi m 14% NOả x và 62,9% PM, AquazoleTM c a ToTal (Pháp) chủ ứa hàm lượng nước t ừ 14% đến 17% gi m 16% NOả x và 60% PM, Gecam™ c a Pirelli ủEcoTechnology (Ý) hàm lượng nước 10 % giảm hơn 50 % PM, 5-6 % NOx và trên

30 % CO, DOE của Alternative Petroleum Technologies (M )ỹ chứa hàm lượng nướ ừ 6% đếc t n 16%, ít hơn 2% phụ gia, gi m 10-30 % NOả x , 60 % PM và 10 - 60

% CO , 2 - 4 % CO2 … [23] Hiện đã có 4 nước ở Châu Âu bao g m Pháp, Ý, Anh, ồSwitzerland s d ng th c t nhiên li ử ụ ự ế ệu nhũ tương, trong đó toàn bộ ệ h thống xe bus

ở LonDon đã sử ụ d ng t ừ năm 2003, các lo i xe bus rạ ở Pa is cũng vậy Hi n có ệkho ng 9000 xe bus s d ng lo i nhiên li u nàyả ử ụ ạ ệ Như vậy lo i nhiên liạ ệu này đã được các nước Châu Âu cũng như Mỹ ử ụ s d ng ph biổ ến và được xem là nhiên li u ệ

sạch để thay th cho nhiên li u diesel ế ệ

I.1.2.1 S n xu t công nghi p nhiên liả ấ ệ ệu nhũ tương

a Hiệ ộ ả p h i s n xu t nhiên liệu nhũ tương châu âu ấ

❖ Sưở ấi m và công nghi p ệ

➢ Nhũ tương diesel đượ ử ụ c s d ng r ng r i ng th i làm gi m PM ộ ả đồ ờ ả

và NOx

S n phả ẩm thương mại nhũ tương của các thành viên trong hiệ p h i ộ

A.1 GECAM, DIESEL TRẮNG ™

▪ GECAM - ™ cấp bằng sáng chế do Tập đoàn Pirelli Eco Technology - làmột nhũ tương của nước (10%) trong dầu diesel sử dụng trong xe và hệ thốngsưởi ấm

Ưu điểm : - Giảm lượng khí thải hạt 50%

- Giảm 5-6% các oxit nitơ

- Giảm 30% Khí th i carbon monoxide ả

- Giả NOx lên đến 30% m

- Giảm ham lượng h t bụạ i lên n 65% đế

- Tiết kiệm năng lượng 1-3%

- S dử ụng lưu trữ ệ hi n có, phân ph i ố và thúc đẩy thiết b v i sị ớ ửa đổi nh ỏ

- X ử lý Giống như nhiên li u Diesel ệ nhưng ớ v i các thông s ố ổn định được xác định

- Giảm 60% (PM)

B Mô hình thương mại :

Công nghệ Alternative Petroleum Technologies APT ( )

❖ Giới thiệu công nghệ

Alternative Petroleum Technologies (APT)

Công ngh thay th d u khí APT là m t công ngh ệ ế ầ ộ ệ môi trường cho chí phí hiệu quả các gi i pháp toàn di n v ả ệ ề môi trường APT cung c p công ngh và chuyên môn ấ ệ

để giúp các nhà khai thác động cơ diesel đáp ứng yêu c u phát th i ngày càng ầ ảnghiêm ng ặt

APT n m gi quy n c p gi y phép công ngh ắ ữ ề ấ ấ ệ nhũ tương hóa duy nhấ ủa t cloại hình này đã được công nh n cậ ủa ban tài nguyên không khí California và đăng

kí với cơ quan bảo v ệ môi trường Hoa Kì

APT cung c p m t lo t các công ngh môi tru ng bao gấ ộ ạ ệ ờ ồm nhũ tương ổn

định các s, ản phẩm xăng dầu như dầu diesel, d u nhiên li u và d u th ầ ệ ầ ải

APT n m gi ắ ữ hơn 100 bằng sáng ch và các ng d ng b ng sáng ch trên ế ứ ụ ằ ếtoàn th ếgiớ đã phi, át tri n liê t c các công ngh ể n ụ ệ khác liên quan đến môi trường

❖ Nhiên liệu nhũ tương dầu diesel DOE của Alternative Petroleum

APT đã phát triển công nghệ và các giao thức cho sản xuất nhũ tương rất ổn định

và hiệu quả chi phí nhiên liệu Việc sản xuất của các nhũ tương diesel liên quan đến việc sử dụng các gói phụ gia hóa học, pha trộn một quá trình cơ khí và kỹ thuật Sự kết hợp chính xác và ứng dụng của các thành phần sản xuất nhiên liệu nhũ tương là mạnh mẽ và ổn định, và có thể chịu đựng lượng nhiệt rất lớn và áp lực nhiên liệu phải chịu trước khi đốt trong lò động cơ diesel Các đặc điểm đốt độc đáo của nhiên liệu nhũ tương hóa chỉ xảy ra nếu các nhiên liệu vẫn còn là một nhũ tương tại các điểm cháy APT là công nghệ đáng tin cậy sản xuất nhiên liệu nhũ tương ổn định của chất lượng và tiêu chuẩn phù hợp

Các thành phần quan trọng cần thiết để sản xuất nhiên liệu APT nhũ hoá là:

• APT phụ gia

• APT Blending đơn vị

• APT phân tán

I.2.2 Tình hình nghiên cứ u ở Việt Nam

Ở Việt Nam ,lĩnh vực nhũ tương đã được nghiên c u nhi u Hai loứ ề ại nhũ tương bitum và nhũ tương dầu FO đã được nghiên c u và s d ng r ng rãi Tuy ứ ử ụ ộnhiên nhũ tương diesel Biodiesel Nư c m i ch trong – – ớ ớ ỉ giai đoạn nghiên c u ứHiện nay ở trường Đại H c Bách Khoa Thành ph H ọ ố ồ Chí Minh và trường Đại H c ọBách Khoa Hà nội đã và đang nghiên cứu Tuy đã đạt được k t qu ế ả nhất định nhưng

v n còn nhi u vẫ ề ấn đề ầ c n nghiên c u thêm Nhìn chung vứ ấn đề nghiên cứu ở trong nước đang còn là một con đường dài

I.3 M c tiêu nghiên c u c a luụ ứ ủ ận văn

- Nghiên c u ch t o nhiên liứ ế ạ ệu nhũ tương nước - diesel

- Đánh giá chất lượng nhiên liệu nhũ tương tạo thành

- Nghiên cứu ảnh hưởng c a nhiên liủ ệu nhũ tương DO-Biodiesel – Nước trong động cơ.

I Khái quát v nhiên li4 ề ệu nhũ tương

I.4.1 Khái ni m v nhiên liệ ề ệu nhũ tương

Nhiên liệu nhũ tương được xác định là s ự nhũ hóa của nước trong nhiên li u ệdiesel thông thường Quá trình được th c hi n bự ệ ằng cách phân tán pha nước nguyên chất vào pha d u diesel và ầ ổn định b ng các ch t ph gia ằ ấ ụ Hàm lượng nước điển hình là 10-20%

Hình 1.6 Mô hình giọt nhũ

Nhiên liệu nhũ tương có dạng l ng, màu trỏ ắng đục như sữa Nhiên liệu được

s dử ụng cho động cơ diesel (đường b , đườộ ng s t, đư ng th y) và m t phắ ờ ủ ộ ần đượ ử c s

d ng cho tuabin khí ( trong công nghiụ ệp phát điện, xây dựng…) Việc s d ng ử ụnhiên liệu nhũ tương có ý nghĩa cao về ặt môi trườ m ng trong vi c gi m th i hàm ệ ả ảlượng các khí độc hại như NOx ,PM,…

Diesel fu el

additive Water

I.4.3 Quá trình cháy nhiên liệu nhũ tương

Nhiên liệu nhũ tương được s dử ụng tương tự như nhiên liệu diesel thông thường mà không yêu c u phầ ải thay đổi động cơ Để hiểu rõ b n ch t cháy cả ấ ủa nhiên liệu này trước h t chúng ta ph i xem xét nguyên lý làm vi c cế ả ệ ủa động cơ diesel

I.4.4 Ảnh hưởng của nước d n quá trình cháy nhiên li uế ệ

Do có nước trong nhiên li u nên h th p nhiệ ạ ấ ệt độ cháy và thay đổi mô hình cháy để carbon trong nhiên li u cháy triệ ệt để hơn Chất lượng nhiên liệu được c i ảthiện đáng kể nhờ hiện tượng “ vi nổ ” [10] Khi phun nhiên liệu nhũ tương bằng vòi phun s tẽ ạo ra chùm tia nhũ tương, ỗ ạt nhũ tương bao gồm i h m h t nhiên li u có ạ ệchứa m t vài hộ ạt nước có kích thước bé hơn Bởi v y khi s y nóng các h t trong ậ ấ ạbuồng cháy, dư i tác d ng c a nhi t, các tiớ ụ ủ ệ ểu phân nước bên trong đột ng t bộ ốc hơi,

v ỡ tung ra làm tăng mạnh th tích và do v y l i phân chia h t d u thành nh ng hể ậ ạ ạ ầ ữ ạt

có kích thước nh ỏ hơn ( Hình dưới )

Hình 1.8 Mô hình phá v t d u cỡ giọ ầ ủa nước Khi nhiên liệu được phân chia thành nh ng hữ ạt có kích thước siêu nh làm ỏ, tăng diện tích ti p xúc gi a h t nhiên li u và không khí, quá trình cháy di n ra ế ữ ạ ệ ễnhanh hơn và hoàn toàn hơn, ảm được hàm lượng cacbon chưa cháy hếgi t nên quá trình cháy của nó cũng tốt hơn Động l c t a nhiự ỏ ệt tăng lên, thời gian cháy rút ngắn

l i, khí th i hình thành nh ạ ả ờ đó mà giảm đi Có th ể quan sát điều này trên Hình 2.5

và Hình 2.6

I.4.5 K t qu cháy cế ả ủa nhiên liệu nhũ hóa

▪ Giảm phát th i PM :ả Nhờ ự s chuyển đổ ủa nước thành hơi nước ,đểi c trong quá trình đốt cháy phân chia h t d u thành h t nh ạ ầ ạ ỏ hơn.Và kết qu là quá ả

trình đốt cháy diễn ra nhanh hơn và triệt để hơn, làm gi m phát th i các h t ả ả ạ

v t ch t PM ra môậ ấ i trường

▪ Giảm phát th i NOả x: Nhờ ự s chuyển đổ ủa nước thành hơi nưới c c, làm nhi t ệ

độ đốt cao điểm được giảm, ẫn đế d n giảm lượng khí NOx hình thành

I.4.6 c t và khói khí x Độ ố ả

Nhiên liệu nhũ tương cũng như nhiên liệu diesel thông thường khi cháy đều thải

ra ngoài khí x và khói làm ô nhiả ễm môi trường Trong thành ph n c a khí th i gầ ủ ả ồm các ch t không tham gia vào quá trình cháy, s n ph m cháy hoàn toàn và không ấ ả ẩhoàn toàn nhiên li Chúng bao g m Nệu ồ 2, O2, hơi nước, khí SO2, CO, CO2 ,NOx , H2, Cácbuahydro, andehit, muội

▪ Độ ốc t khí x ả

Độ ố ủc t c a khí x được xác địả nh bằng hàm lượng các chất oxit nitơ, oxit cácbon, anđêhít, hydrocacbon m ch h và hydrocacbon m ch vòng, ạ ở ạ khí sunfurơ có trong khí thải và mu i (khói) ộ

Oxit nitơ là loại độ ốc t nguy hi m nh ể ất Chúng hình thành trong cơ thể con người các h p chợ ất nitơ và axit xianua (HCN), gây kích thích niêm m c mặ ắt và đường hô

h p ấ Khi hàm lượng theo th tích 0,004÷0,008% có mể ặt trong môi trường s gây ẽhiện tượng phù ph ổi

Oxit cácbon cũng là một loại độ ố Khi hàm lược t ng tính theo th tích c a nó có ể ủtrong môi trường là 0,005% sau 1 gi gây ng c nh , ờ ộ độ ẹ còn khi hàm lượng đến 1% sinh v t b t t nh sau vài l n hít th ậ ấ ỉ ầ ở

Anđehit (chủ ếu là fomalđêhít và acrolein) bổ y xung cho khí th i mùi khó ng i ả ửTheo th t c t thì chúng s p sau ứ ự độ ố ế NOx Hàm lượng cho phép của fomalđêhít (HCHO) trong không khí gi i h n kho ng 6mg/mớ ạ ả 3, còn acrolein gi i h n kho ng ớ ạ ả

0.12 mg/m3 Hàm lượng cho phép c a chúng trong khí x ủ ả tăng lên ở các ch t i ế độ ảnhỏ và không t i khi nhiả ệt độ ực đạ ủ c i c a môi ch t trong xylanh gi m xuấ ả ống

Cácbua hydro cũng là một chất độc h i, m t s trong chúng x ạ ộ ố ả ra môi trường gây sương mù Cácbua hydro được hình thành trong vùng có hàm lượng oxy nh , ỏ cũng như gần v i vách l nh c a bu ng cháy ớ ạ ủ ồ

B hóng hay hình thành t cacbon c a nhiên li u diesel, là k t qu c a quá trình ồ ừ ủ ệ ế ả ủcháy không hoàn toàn c c b N u xét b ụ ộ ế ồ hóng đơn thuần như mộ ạt t p chất cơ học trong khí quy n thì mể ức độ gây ô nhiễm môi trường của nó không đáng kể Chính hydrocacbon thơm mạch vòng đư c h p th trên b m t b hóng có kh ợ ấ ụ ề ạ ồ ả năng gây ung thư mới đáng quan tâm

Oxit lưu huỳnh hình thành trong quá trình cháy nhiên liệu có lưu huỳnh, đó cũng

là độc t ố Khi hàm lượng của nó có trong môi trường tính theo th tích ể0.0007÷0.001% s ẽ tác động xấu đến cu ng hố ọng, còn khi hàm lượng c a nó là 0.4% ủthì sinh v t s ậ ẽ chết trong 3 giây

▪ Khói trong khí th i ả

Khói trong khí x ả chủ ếu được đượy c hình thành bởi hàm lượng mu i trong khí ộ

th i.ả Muội hình thành do s phân rã c a các phân t nhiên liự ủ ử ệu dưới tác động c a ủnhiệt độ cao khi thi u oxy ế Muộ ại t o thành trong khí x ả động cơ diesel có dạng hạt

vô định hình, có kích thước kho ng 0.4 ÷ 0.5µm Ph n l n mu i cháy h t trong quá ả ầ ớ ộ ếtrình giãn n , ở muội cháy hết tăng cường t o r i khí n p trong xylanh ạ ố ạ

V i hydrocacbon m ch th ng thì tớ ạ ẳ ốc độ hình thành các h t muạ ội tăng lên khi tăng khối lượng phân t ử Khuynh hướng hình thành mu i l n nhộ ớ ất đối v i ớhydrocacbon thơm, còn hình thành mu i nh nhộ ỏ ất đố ới v i hydrocacbon no (paraffin thường)

Đo khói theo tiêu chuẩn quốc gia được th c hi n nh thi t b ự ệ ờ ế ị đo khói quang điện Giá tr t i h n c a khói trong khí x ị ớ ạ ủ ả động cơ diesel ứng v i tiêu chu n quớ ẩ ốc

gia ph thu c vào su t tiêu hao không khí, ụ ộ ấ dm3/s Khi gi m suả ất tiêu hao khí đến giớ ạn cho phép thì khói tăng lên i h Khói khí x đư c xác nh trong quá trình ả ợ địnghiên c u th nghiứ ử ệm động cơ diesel ạ H n ch khói không ch ế ỉ theo quan điểm bảo

v ệ môi trường, mà còn b o v ả ệ động cơ ộM t ph n muầ ội rơi vào dầu bôi trơn ,phủtrên b m t xylanh, làm b n dề ặ ẩ ầu bôi trơn Muội có trong khí x là m t trong ả ộ những nguyên nhân phá h ng xupap x ỏ ả Khối lượng ch t lấ ắng đọng trên piston và th i ờgian đến lúc k t cế ốc trong rãnh xécmăng phụ thu c vào khói khí x M t khác, ộ ả ặ tăng khói khí x ả chứng t cháy không hoàn toàn, nên gi m hi u su t ch ỏ ả ệ ấ ỉ thị ủa động cơ c

I.4.7 Cơ chế hình thành khí th i ả

a s hình thành NOự x

NOx ở đây là hỗn h p cợ ủa các oxít nitơ, ủ ếch y u là NO (chiếm hơn 90%) và còn lại là các khí như NO2, N2O,…NOx chủ ế y u hình thành do phản ứng gi a oxy và ữnitơ của không khí khi có m t trong hặ ỗn hợp dưới tác d ng cụ ủa nhiệt độ cao

* Cơ chế hình thành NO :

Có r t nhi u gi thi t khác nhau v s ấ ề ả ế ề ự hình thành NO nhưng cơ chế zeldovich

m rở ộng được ứng d ng r ng rãi nh ụ ộ ất Cơ chế này bao g m 3 phồ ản ứng thuận ngh ch: ị

O+N2 NO +N (1)

N+O2 NO +O (2)

N+OH NO+H (3)

Các h ng s ắ ốphản ứng được cho trong b ng 2.1: ả

Bảng 1.4 Các h ng s ằ ố phản ứng nghịch trong giai đoạn hình thành khí NO

Phản ng ứ Kthu n ậ Kngược

(1) 7,6.103 exp(-38000/T) 1,6/1013

(2) 6,4.109 exp(-3150/T) 1,5.109T.exp(-19500/T)

Phản ứng (3) ch y u x y ra trong vùng giàu nhiên li u Các phủ ế ả ệ ản ứng khác diễn

ra m nh m trong khu v c màng lạ ẽ ự ửa cũng như vùng khí đã cháy Trong động cơ, dưới tác d ng c a áp su t cao, b dày màng l a r t bé và t n t i trong th i gian r t ụ ủ ấ ề ử ấ ồ ạ ờ ấngắn nên đạ ội b ph n NO hình thành trong màng l a Tuy nhiên, chính NO hình ậ ửthành trong màng l a m i có khử ớ ả năng tạo ra nh ng ch t h ữ ấ ọ NOx t ừ những phân tích trên đây, chúng ta nh n th y tậ ấ ốc độ hình thành NO ch y u ph thu c vào nhi t ủ ế ụ ộ ệ

độ ủ c a môi ch t và nấ ồng độ oxy

* Cơ chế hình thành NO2:

NO hình thành trong màng l a s nhanh chóng phử ẽ ản ứng v i g c HOớ ố 2 (chất trung gian của quá trình cháy ) để biến thành NO2 theo phản ứng :

* Cơ chế hình thành N2O:

N2O ch y u trong khu v c màng lủ ế ự ửa dưới tác d ng c a NO và các ch t trung ụ ủ ấgian c a vủ ật cháy như NH , NCO:

NH + NO N

2O +H (6) NCO + NO N2O + CO (7)

Vì trong khu v c oxy hóa có s ự ự hiện diện ủc a các nguyên t hydro t do nên ử ự

m lớn hơn 2y ,nghĩa là tỷ ố s C/O lớn hơn 1

-Phát tri n th tích h t : Các h t nhân b hóng phát tri n th tích do các phể ể ạ ạ ồ ể ể ản ứng

h p ph b m t các phân t ấ ụ ề ặ ử khí và sau đó liên kết nhi u h t l i v i nhau thành mề ạ ạ ớ ột

hạt có đường kính lớn hơn

* Quá trình t o b hóng : ạ ồ

Quá trình t o b ạ ồ hóng trên đây diễn ra song song quá trình oxy hóa b hóng ồkhi n ph n l n b hóng hình thành b ế ầ ớ ồ ị đốt cháy trước khi bắt đầu quá trình th Có ải.nhi u ch t có th ề ấ ể đóng vai trò làm chất oxy hóa b ồ hóng như :O2, OH, COO, 2, H2O Khi h n h p loãng , Oỗ ợ 2 đóng vai trò quyết định Nhưng khi hỗn h p giàu, g c OH ợ ốtrở thành ch t oxy hóa chính Ph n ứấ ả ng oxy hóa b hóng di n ra khi nhiồ ễ ệt độ đủ cao (Kho ng 700÷800ả ᴼC), áp su t càng cao thì tấ ốc độ oxy hóa càng l n ớ

Nhiên liệu nhũ tương có mộ ố ưu điểm và nhược điểt s m sau:

-Không yêu c u phầ ải thay đổi động cơ

-Không cần cơ sở ạ ầ h t ng cho nhiên li u m ệ ới

-Không làm tăng các chất ô nhi m khác ễ

*Nhược điểm

-Khả năng ảnh hưởng đến độ ền động cơ trước năm 1994 b

-Th i h n s d ng do kh ờ ạ ử ụ ả năng ổn định của nhũ tương có hạn

-Khả năng giảm công su t cấ ủa động cơ từ 5% đến 10%

I.4.9 Phân loại nhũ tương

Nhũ tương có thể phân lo i theo b n ch t hoạ ả ấ ặc theo độ đậm đặc

*Theo b n ch t có hai loả ấ ại nhũ tương:

-Nhũ tương tương thuận nhũ tương dầu trong nước,- ký hi u d/n ệ Trong đó pha phân tán là d u còn pha liên tầ ục là nước

-Nhũ tương nghịch nhũ tương nướ - c trong d ký hi u n/dầu, ệ Pha phân tán là nước còn pha liên t c là dụ ầu

Thu t ng dậ ữ ầu ở đây bao gồm các ch t l ng hấ ỏ ữu cơ không tan hoặc tan h n ch ạ ếtrong nước.

b n t p h p l n và không c n chề ậ ợ ớ ầ ất nhũ hóa.

-Nhũ tương đặc:

Khi pha phân tán chi m 0,2÷0,74 % th tích hế ể ệ đườ, ng kính giọt trong nhũ tương đặc vào kho ng 0,1÷1 µm ả Nhũ tương đặc kém b n, trong h ề ệ thường ph i có ảchất nhũ hóa bảo v ệ Nhũ tương đậm đặc d sa l ng ho c n i lên trên Khi pha phân ễ ắ ặ ổtán có khối lượng riêng lớn hơn khối lượng riêng của môi trường thì các gi t s sa ọ ẽ

lắng và ngượ ạc l i thì các gi t s n i lên trên h ọ ẽ ổ ệ

b i các màng r t m ng c a chở ấ ỏ ủ ất nhũ hóa và pha ngoài ( pha liên tục) trong m t s ộ ốtrường h p h t o thành kh i gen, có ranh gi i phân chia ph c t ợ ệ ạ ố ớ ứ ạp.

I.4.10.Phương pháp nhận biết nhũ tương

*Nh n bi t bậ ế ằng phương pháp pha loãng:

Nhũ tương dễ dàng b pha loãng bị ởi môi trường là pha liên t c Nụ ếu dùng nước làm dung môi pha loãng, loại nhũ tương nào tan trong nước ch ng t ứ ỏ đó là nhũ tương thuận (d/n) và ngượ ạ ếc l i n u dùng d u làm dung môi pha loãng thì loầ ại nhũ tương nào tan trong dầu dó là nhũ tương nghịch (n/d)

*Nh n bi t bậ ế ằng độ ẫn điện: d

Vì dầu có độ ẫn điệ d n nh ỏ hơn nướ ấc r t nhi u nên khi d u là pha liên tề ầ ục thì độ

dẫn điện của nhũ tương rất nhỏ và tăng lên gấp hàng trăm lần khi nước là pha liên

t c và dụ ựa vào đó ta dễ dàng xách định được loại nhũ tương

I.4.11.Tính ch t chung cấ ủa nhũ tương

I.4.11.1 S hình thành và phát tri n b m t giự ể ề ặ ọt nhũ

Nhũ tương nhìn chung có thể ởng tượ tư ng giống như dạng s a bò ho c m cao ữ ặ ủ

su t nhiên Tuy nhiên, nó ch ự ỉ xuất hiện khi kích thước hạt trong pha phân tán tương đối thô (trung bình kho ng 1- ả 100 μm) Nhũ tương có kích thước h t trung bình là ạ1- 100 μm là dạng điển hình c a dung d ch keo N u các h t nh ủ ị ế ạ ỏ hơn 10 nm thì nhũ tương bắt đầu chuy n sang dung d ch mixel ho c dung d ch th c ể ị ặ ị ự

Để ngăn ngừa các ph n t ầ ử nhũ kết h p l i vợ ạ ới nhau thì hàng rào năng lượng phải được xây dựng để không những ngăn cản chúng va ch m vào nhau mà còn ạngăn sự keo t n u chúng có va ch m vào nhau ụ ế ạ Hàng rào đượ ạc t o ra b i vi c ở ệthêm chất nhũ hóa vào và có thể đư c b o qu n b i ph gia ợ ả ả ở ụ ổn định

Nhóm ưa nước

Nhóm k ị nước

Hình 1.10 Nhũ tương ổ n đ ị nh nhờ chất nhũ hóa

Các phân t ử nhũ hóa có cự ậc t p h p trên b m t ti p xúc gi a pha b phân tán ợ ề ặ ế ữ ị

và pha liên t c, b i vụ ở ậy các nhóm ưa nước của chúng hướng vào nước còn các nhóm k ỵ nước của chúng hướng vào pha d u K t qu là l p màng trên b m t giầ ế ả ớ ề ặ ữa hai pha đượ ạc t o ra ngày càng nhi u và h p ph thêm các ph n t ề ấ ụ ầ ử nhũ hóa nếu như các gi t b phá v bọ ị ỡ ởi lực cơ họ cho đếc, n khi các giọt được bao b c b i l p màng ọ ở ớtrên b m t ề ặ Trong trường hợp nhũ tương dầu trong nước, nhóm k ỵ nước s ẽ được chứa trong pha b phân tán, ị còn trong trường hợp nhũ tương nước trong d u thì ầnhóm k ỵ nướ ẽ hước s ng vào pha liên t ục

I.4.11.2 Kích thước h t và s phân b ạ ự ố kích thước h t ạ

Kích thước h t các giạ ọt nhũ liên quan đến phương pháp chế ạo nhũ tương và t

nồng độ chất nhũ hóa ầH u hết kích thước các giọt nhũ không đồng đề kích thước u, các giọt nhũ phụ thu c vào cách th c tộ ứ ạo nhũ tương và ứng d ng c a nó trong công ụ ủnghi p ệ Để nhũ tương có độ ổn định cao, kích thước giọt nhũ phải nh , s phân b ỏ ự ố

c h t h p.Th c t cho th y ngay c ỡ ạ ẹ ự ế ấ ả trong nhũ tương đơn phân tán, thì đường kính

hạt cũng có thể không đồng nh t S phân b ấ ự ố kích thước hạt theo dướ ạn dướ ủi h i c a

đường kính th hi n tr ng thái ể ệ ạ ổn định nh t cấ ủa nhũ tương, còn s phân b rự ố ộng hơn

và v i gi i hớ ớ ạn trên đường kính th hiể ện độ không ổn định c a h ủ ệ nhũ Thực nghiệm

đã chứng minh r ng, s ằ ự thay đổi trong phân b ố kích thước hạt là đường cong c a ủthời gian [8,10]

Việc xác định s phân b ự ố kích thước h t cạ ủa nhũ tương theo thời gian không chỉ có ý nghĩa quan trọng v m t th c nghiề ặ ự ệm mà còn có ý nghĩa về ặ m t lý thuy t , ế

nó là cơ sở nghiên c u c u trúc và các tính ch t hóa lý cứ ấ ấ ủa nhũ tương

I.4.11.2 Độ nhớ ủa nhũ tương t c

Đố ới nhũ tương đội v nh t là m t y u t khá quan tr ng ớ ộ ế ố ọ Nói chung độ nh t ớ

của nhũ tương thuận d/n thường th p và khó phân bi t v i dung dấ ệ ớ ịch nước thông thường Ngượ ạ nhũ tương nghịch n/d lc l i, ại có độnhớt khá cao

Độ nh t c a ch t l ng, ớ ủ ấ ỏ theo định nghĩa, là l c ma sát n i t i sinh ra khi l p ự ộ ạ ớchấ ỏng trượt l t lên nhau, l c này làm c n tr chuyự ả ở ển động tương đố ủi c a các phân t ửchấ ỏt l ng Đối với nhũ tương, tính linh động ảnh hưởng đến tính ổn định c a h ủ ệ nhũ Xuất phát t ừ cơ sở nhiệt động h c thu n túy, ọ ầ Anhxtanh cũng đưa ra phương trình thi t l p quan h ế ậ ệ giữa độ nhớ ủ ệ η ới độ nhớ ủa môi trường phân tán ηt c a h v t c 0

và nồng độ ủ c a pha phân tán :

η=η0.(1+2,5 ) Tuy nhiên, phương trình trên chỉ đúng trong điều kiện nồng độ của pha phân tán tương đối nhỏ các hạt lơ lửng trong chất lỏng có dạng hình ầ, c u và không có l c ựtương tác với nhau H s b ng s ệ ố ằ ố trong phương trình Anhxtanh có thể ế vi t:

η=η0.(1+ ) Trong đó : hệ số phụ thuộc vào hình dạng hạt𝛼

Một điều quan trọng, theo Anhxtanh, độ nhớt không phụ thuộc vào độ phântán c a h , hay nói cách khác, không ph thuủ ệ ụ ộc vào kích thước h t Tuy nhiên bạ ằng

s ự kiểm ch ng c a Banxelin, ứ ủ Ôđen và đặc bi t Ayrlich ti n hành cho th y h s ệ ế ấ ệ ố 𝛼 = 2,5 chỉ đúng khi các hạt là hình cầu và nồng độ pha phân tán bé còn khi hạt không , phải hình cầu với nồng độ pha phân tán lớn cũng như giữa các hạt có sự tương tác,

thì hệ số này có sự sai khác

Để giải thích về độ nhớt của hệ phân tán so với các giá trị tìm được bằng phương trình Anhxtanh, các tác giả đã dựa vào hiện tượng solvat hóa của các hạt.Hiện tượng solvat hóa có thể giải thích cả trường hợp có sự phụ thuộc của độ nhớt vào độ phân tán của hệ khi nồng độ thể tích của pha phân tán là như nhau Do đó,

có sự solvat hóa của các hạt của pha phân tán nên nồng độ thể tích của pha phân tán được biểu diễn bằng phương trình sau:

o

Trong đó :

o: là nồng độ thể tích của pha phân tán khi không có hiện tượng solvat hóa

h: là bề dày lớp solvat hóa của môi trường phân tán lên các hạt

r:là bán kính của hạt

Như vậy, rõ ràng là khi bán kính của hạt càng nhỏ thì càng lớn hơn o Hay nói cách khác, trong hệ phân tán, độ nhớt của hệ tăng lên theo sự giảm kích thước hạt của pha phân tán

I.4.11.3 Độ bền của nhũ tương

Nhũ tương ổn định khi quá trình hợp thành của các giọt được ngăn chặn bởi hàng rào năng lượng đủ lớn.Thông thường, hàng rào được tạo bởi các lớp màng do

các chất nhũ hóa tạo ra trên bề mặt các giọt Trong trường hợp không có chất nhũ hóa, sự tích điện do ma sát là tác nhân ổn định

Tuy nhiên, nhũ tương có độ ổn định tốt là không phải lúc nào cũng mong muốn, mức độ ổn định còn phụ thuộc vào ứng dụng của nó Do đó, hầu hết nhũ tương được

ổn định trong điều kiện hết sức đặc biệt, nhưng sau khi mục đích đó được thực hiện thì nhũ tương bị phân hủy

I.4.11.4 Hiện tượng kết tụ và lắng đọng của nhũ tương

Theo quan điểm nhiệt động thì nhũ tương là một h mà pha phân tán gồm ệnhững giọt có kích thướ 0,1µm đếc n100 µm S phân tán này không ph i tuyự ả ệt đối

vì b m t phân chia pha ph thuề ặ ụ ộc vào năng lượng t do b m khi hai gi t tiự ề ặt, ọ ếp xúc v i nhau có th k t h p v i nhau làm gi m vùng phân chia pha ớ ể ế ợ ớ ả Như vậy việc liên k t các giế ọt nhũ tương có thể xem như một quá trình nhiệt động t phát Quá ựtrình ngượ ạc l i tiêu t n mố ột năng lượng nên nó không x y ra t nhiên ả ự

Tốc độ ắ l ng c a các giủ ọt nhũ tương trong chấ ỏng được tính theo phương t ltrình Stoke:

U=

Trong đó :

U:là tốc độ ắng lR: là bán kính giọt nhũ:là khối lượng riêng của chất phân tán o:là khối lượng riêng của môi trường phân tán η: là độ nhớt của môi trường phân tán

g: là gia tốc trọng trường

Từ phương trình trên, ta thấy để làm giảm quá trình lắng của các giọt nhũ ,nhũ tương phải có phân bố kích thước giọt hẹ kích thước giọt nhỏ hoặc tỷ trọng giữa p, , các pha tạo nên nhũ tương phải xấp xỉ bằng nhau

N u nói v tính không b n v ng cế ề ề ữ ủa nhũ tương thì dựa vào đặc điểm để phân biệt có th ể chia ra các trường h p sau: s phá v nhũ, ự ạ ớợ ự ỡ s t o l p váng gi t, s k t t ọ ự ế ụ

Ta có th ể thấy rõ điều này trên hình

(A)

( B)

(C) A-S phá v ự ỡ nhũ tương

B-T o l p váng gi t ạ ớ ọ

C-S k t t ự ế ụ

Hình 1.11 Các quá trình phá v ỡ nhũ tương

-S phá v ự ỡ nhũ là sự ế ợ ự k t h p t nhiên c a các gi t nh ủ ọ ỏ trong nhũ tương được

t o thành b ng cách kh y hay l c hai dung d ch tinh khi t không tan l n (Hình A).ạ ằ ấ ắ ị ế ẫ

-S t o l p váng gi t sinh ra khi các giự ạ ớ ọ ọt phân tán hút nhau nhưng vẫn còn ởtrạng thái phân tách khi chúng va ch m nhau ho c ch mạ ặ ỉ ột lượng ch t nhấ ất định các giọt nh liên k t thành gi t l n (Hình B) N u t p h p gi t có khỏ ế ọ ớ ế ậ ợ ọ ối lượng riêng l n ớhơn khối lượng riêng c a dung d ch thì chúng s chìm xuủ ị ẽ ống dưới

-S k t t là các gi t cự ế ụ ọ ủa nhũ tương mắc dính vào nhau hình thành các đám giọt lơ lửng trong dung dịch nhưng không có sự ế ợ k t h p c a các gi t riêng r thành ủ ọ ẽgiọ ớt l n (Hình C)

Để có đượ ột nhũ tương ổn đị ố ồng độ ủ

không đổi thì nh t thi t ph i thêm c u t th ba làm ch t ấ ế ả ấ ử ứ ấ tham gia để tăng tính ổn

định của nhũ tương

I.4.11.5 Hiện tượng đảo pha của nhũ tương

Quá trình chuy n t ể ừ nhũ tương n/d thành nhũ tương d/n và ngượ ạ ọc l i g i là hiện tượng đảo pha Hiện tượng này x y ra khi nả ồng độ ủa pha phân tán trong nhũ ctương tăng lên.Tuy nhiên, hiện tượng này không làm phá hủy nhũ tương, ta có th ểkhống ch nó b ng cách chế ằ ọn được h ệchất nhũ hóa phù hợp Nhũ tương đượ ạc t o ra trong hiện tượng này đượ ọi là nhũ tương đảo ngược g c

Hình 1.12 Các lo i ạ nhũ tương 3 pha

Theo lý thuy t c a V.Oxvad [35], s ế ủ ự đảo pha liên quan đến m t lo t các yộ ạ ếu

t ố như phần trăm thể tích pha, b n ch t và nả ấ ồng độ ủ c a ch t tấ ạo nhũ, độ nhớt và thành ph n hóa h c cầ ọ ủa pha cũng như nhiệt độ và động học quá trình nhũ tương hóa Nếu quá trình đảo không hoàn t ví d ất, ụ như giọt nhũ tương d/n lạ ằi n m trong

m t gi t dộ ọ ầu khác và ngượ ạc l s ti, ẽ ạo ra nhũ tương ba pha Nhũ tương này ngày nay đang đượ ức ng d ng nhi u trong m ph m, dư c phụ ề ỹ ẩ ợ ẩm cũng như các loại thu c ố

s trong nông nghi ử ệp

I.4.12 Các y u t ế ố ảnh hưởng đến độ ổn định của nhũ tương

I.4.12 Y u t n tích .1 ế ố điệ

Ảnh hưở ủa điện tích đến độ ổn đị ủa nhũ tương đã đượ ết đế

s m, ớ nhưng phải đến gần đây mới nghiên c u lý thuy t này m t cách t m ứ ế ộ ỉ ỉ hơn Lớp đi n tích c a các giệ ủ ọt nhũ có thể ạ t o thành t 3 cách: do quá trình iôn hóa, quá ừtrình h p ph ấ ụhoặc do ti p xúc ế

t i b m t gi t không ph i do s h p ph các ion t ạ ề ặ ọ ả ự ấ ụ ừ môi trường phân tán mà do sự

ma sát khi các giọt nhũ tiếp xúc v i nhau hay ti p xúc vớ ế ới môi trường Điều này đã được nghiên c u và ch ng minh b ng th c nghi m.Theo quy t c c a Cohen : M t ứ ứ ằ ự ệ ắ ủ ộ

chất có h ng s đi n môi cao s ằ ố ệ ẽ tích điện dương khi tiếp xúc m t ấộ ch t có h ng s ằ ố

điện môi thấp hơn ởi vì nướ B c có h ng s ện môi cao hơn hầằ ố đi u h t các ch t là ế ấpha khác c a giủ ọt nhũ tương cho nên phầ ớn l n các giọt nhũ tương nước /d u s tích ầ ẽđiện dương, còn nhũ tương dầu/nước tích điện âm