CN103387857A - 一种纳米燃油催化添加剂 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种纳米燃油催化添加剂，具体是指一种纳米燃油催化添加剂。本发明的目的是获得一种分散性好，润滑性高，能使燃油充分燃烧的环保的纳米燃油催化添加剂。一种纳米燃油催化添加剂，以重量份计，包含1-10%的纳米催化剂，90-99%的木质素以及0.1-1%的水，并且为颗粒状，其制造方法为将纳米催化剂、可溶性木质素、水按组成重量份混合在一起，经螺杆挤出机挤出造粒。一种纳米燃油催化添加剂包含100重量份的溶剂，0.5-1重量份的纳米催化剂以及5-10重量份的木质素，并且为液态，其制造方法为将纳米催化剂、可溶性木质素、溶剂、聚乙二醇及其他助剂按组成重量份混合在一起，并在20℃和60rpm下搅拌混合均匀直至液态纳米燃油催化添加剂处于稳定状态。

Description

一种纳米燃油催化添加剂

技术领域

本发明涉及一种燃油催化添加剂，具体的说，是一种纳米燃油催化添加剂。

 

背景技术

随着近年来国内机车保有量的增加，汽油、柴油等燃料油的消费量日益攀升，需要大量进口石油来满足国内市场需求，开发节油添加剂及替代油品的需求越来越迫切。现有汽油(或柴油)支链烷烃少，辛烷值(十六烷值)低，容易产生燃料与空气混合自燃的爆震现象，造成燃料燃烧不充分，产生一氧化碳、氧化氮及未燃烧的碳氢化合物、黑烟等有害物，影响生态环境和人类健康；不完全燃烧产生的焦炭等固体物质还会吸附在节流阀的下部，形成沉积物，减少发动机空气的吸入，并影响尾气排放，使空气与燃料比例偏离适宜的范围，进一步恶化发动机内燃烧状况，降低发动机的使用寿命，增加燃油消耗。

为了达到节油、减少积炭、净化尾气的目的，现已研制出不少燃料油添加剂，如节油添加剂可降低尾气烟度、减少积炭的生成。燃油添加剂的主要目的是助燃、减少积炭，保护发动机。现有燃油添加剂主要是单一功能的清净剂、抗爆剂、降凝剂等，而市场面对消费者的主要是清净剂，以清洗积碳功能为主，即便有其他辅助功能其效果也很有限，有的甚至造成燃油设备损伤，技术难题一直没有得到解决，所以导致添加剂行业市场口碑和接受度很差。

燃油添加剂组分多，生产工艺较复杂，生产成本高，而且有个别化合物难于获得。同时，现在对节约能源、保护环境、减少污染已被许多国家所重视，为此其节约油资源和解决尾气排放的污染问题是人们对现代燃油的要求；现有通过在燃油里添加作为催化剂激发燃油的活性成份，但盐类物质是离子型化合物，在溶液中能分离出金属正离子和酸根离子，虽然离子之间的静电吸引而产生的离子键相对牢固，但在燃油燃烧时其产生的高温足以有打开化学键的能量，使其分离出金属离子和酸根离子，而酸根离子会侵蚀金属部件，且打开化学键的同时分子总要吸收能量，因此，使用盐类物质作为催化剂会有一定的能量损耗及缩短工作设备的使用寿命；也有通过添加纳米金属离子颗粒来激活燃油的同时降低燃油挥发物中有毒成分，但其中的金属离子仍会对工作设备造成磨损，并没有在解决燃油充分燃烧，保护环境的同时解决减少工作设备伤害的问题。 

 

发明内容

本发明的目的是获得一种纳米燃油催化添加剂，以克服现有纳米燃油催化添加剂对环境污染及分散性的缺陷。

本发明还提供一种纳米燃油催化添加剂的制备方法。 

 

根据本发明的一种纳米燃油催化添加剂包括颗粒状纳米燃油催化添加剂和液态纳米燃油催化添加剂。根据本发明的颗粒状纳米燃油催化添加剂包含按质量计1-10%的纳米催化剂，以及90％至99％的可溶性木质素。根据本发明的液态纳米燃油催化添加剂，以溶剂为100重量份为参考，包含按质量计为1-10重量份之间的纳米催化剂，按质量计5-10重量份之间的可溶性木质素以及按质量计0.5-2的分子量为200～600的液态无色无臭聚乙二醇。

所述的一种纳米燃油催化添加剂还包括抗爆剂，所述的抗爆剂选自甲基环戊二烯三羰基锰（MMT）、甲基叔丁基醚（MTBE）、甲基叔戊基醚（TAME）等，

所述的一种纳米燃油催化添加剂还包括抗氧剂，所述的抗氧剂主要选自酚型抗氧剂，胺型抗氧剂和分胺型抗氧剂。

所述的一种纳米燃油催化添加剂还包括金属钝化剂，所述的金属钝化剂选自N,N’-二亚水杨-1,2-丙二胺、复合有机胺的烷基酚盐等。

本发明根据燃油设备的做功原理，从根本上解决节能减排技术问题。基于燃油设备都是通过燃油燃烧产生热能、再经过发动机系统将热能转化成动能的原理，研究发动机的养护修复、性能提升，以及催化燃油提升燃烧效率两方面，本发明的纳米燃油催化添加剂的燃油燃烧效率高、发动机转化率高，解决了燃油设备养护与节能减排技术难题。

本发明的纳米燃油催化添加剂功效：通过纳米催化剂和可溶性木质素，使得添加剂能够温和安全清除积碳、胶质和结焦，增加油品润滑性减少对喷油嘴和发动机燃烧系统的磨损，修复发动机损伤与间隙增强气密性提升动力，催化提升燃油燃烧率阻止积碳再生，增强油品的稳定性、抗氧化性。

 

具体实施方式

下面，对本发明涉及的实施方式进行说明。另外，本发明，不受下面说明的实施方式、实施例的限定。

 

纳米催化剂

本发明使用的纳米催化剂选用纳米贵金属固体催化剂，纳米过渡金属氧化物催化剂，其他纳米金属氧化物催化剂。

纳米催化剂优先选用纳米贵金属固体催化剂。

所述的纳米贵金属固体催化剂中的贵金属为Pt、Pd、Au纳米贵金属。

所述的纳米过渡金属氧化物催化剂中的过渡金属氧化物为TiO₂,、CeO₂、Mn₂O₃、CuO等过渡金属的稳定氧化物。

所述的其他纳米金属氧化物催化剂中的其他金属一般为Al₂O₃。

对于纳米颗粒，随着颗粒的减小，其比表面积大幅度增大，表面原子数在整个粒子簇中所占的比例也大为增加，表面原子数的增加导致表面原子配位不饱和性的增加，从而产生了

大量的悬键和不饱和键等。表面台阶、皱褶和缺陷也随之增加，这就使得纳米微粒具有高的表面活性。

纳米贵金属固体催化剂在催化反应中表现出很高的活性和选择性，与催化剂的微观结构及性质密切相关。一般来说，纳米贵金属催化剂中的贵金属主要以纳米级形态颗粒状态存在。

纳米贵金属是活性最高的燃烧催化材料，具有很高的低温催化燃烧活性，最为代表性的是金属Pt，Pt纳米粒子的催化活性比大块金属铂强得多，由于纳米Pt颗粒由于比表面积大，具有小尺寸效应、量子尺寸效应、宏观量子隧道效应等，与铂金属相比显示出优异的催化性能，可用于单体聚合、有机物的氧化还原等。

所述的负载型纳米催化剂为纳米贵金属与其他金属氧化物复合的催化剂。

所述的负载型纳米催化剂选用纳米Pt/Al₂O₃催化剂、纳米Au/TiO2催化剂等。

负载型纳米催化剂比纳米贵金属固体催化剂具有更好的催化活性。

对于负载型催化剂，贵金属以纳米级形态颗粒状高分散于载体上。对于非负载型催化剂，贵金属则以高分散的纳米级形态颗粒状态或纳米级形态金属簇形式存在。

制备负载型纳米催化剂的方法为沉淀法，即将金属盐水溶液和沉淀剂分别加入搅拌罐中，生成固体沉淀的方法。

通过添加纳米金属或纳米金属氧化物，本发明的纳米燃油催化添加剂可以具有燃烧促进效果、烟灰减少效果、NOx降低效果，同时，纳米催化剂还作为载体，有助于纳米燃油催化添加剂在燃料中的分散及溶解。可以实现燃料消耗降低几个百分点。

 

木质素

因单体不同，可将木质素分为3种类型：由紫丁香基丙烷结构单体聚合而成的紫丁香基木质素（syringyllignin，S-木质素），由愈创木基丙烷结构单体聚合而成的愈创木基木质素（guaiacyllignin，G-木质素）和由对-羟基苯基丙烷结构单体聚合而成的对-羟基苯基木质素（hydroxy-phenyllignin，H-木质素）；裸子植物主要为愈创木基木质素（G），双子叶植物主要含愈创木基-紫丁香基木质素（G-S），单子叶植物则为愈创木基-紫丁香基-对-羟基苯基木质素（G-S-H）。原本木质素不溶于任何溶剂。

分离木质素因发生了缩合或降解，许多物理性质改变了，溶解性质也随之有所改变，从而有可溶性木质素和不溶性木质素之分，前者是无定形结构，后者则是原料纤维的形态结构。

本发明的纳米燃油催化添加剂选择可溶性木质素。

可用的可溶性木质素包括：乙醇木质素、碱木质素、硝酸木质素、生物木质素、酚木质素。

乙醇木质素、碱木质素、硝酸木质素、生物木质素、酚木质素的制备方法是通过在原本木质素中加入乙醇、碱、硝酸、生物、酚，溶解而得到。

可溶性木质素在纳米燃油催化添加剂中的作用：

1.木质素是纯天然物质，同时也是世界上第二位最丰富的有机物，可再生易降解，纳米燃油催化添加剂泄露时不会污染环境。

2.可溶性木质素含许多负电集团的多环高分子有机物，对金属离子有较强的亲和力。在纳米燃油催化添加剂中，木质素能够吸附纳米金属或纳米金属氧化物。作为纳米金属催化剂的载体，起分散作用。负载纳米金属或纳米金属氧化物后，木质素的团聚和吸水能力降低。负载后的木质素能够稳定在体系中。

3.通过加入了木质素，降低了金属催化剂颗粒对部件的磨损，同时还能有效地对积碳进行清理。

本发明将可溶性木质素与纳米催化剂相结合，所述纳米催化剂为木质素的载体，以改善木质素在燃油中的分散、溶解及混合均匀作用。

 

纳米燃油催化添加剂的形式

本发明的纳米燃油催化添加剂可以为颗粒状和液态。

 

颗粒状：

本发明的颗粒状纳米燃油催化添加剂，以重量份计，优选包含1-10%的纳米催化剂，以及90％至99％的可溶性木质素。如果纳米催化剂的含量大于10％，则成本太高，不适宜市场推广。如果纳米催化剂的含量小于1％，则会降低催化剂的催化效率。

本发明的颗粒状纳米燃油催化添加剂是固体纳米燃油催化添加剂的一种方式，并且是由纳米催化剂化合物造粒成粗颗粒的形状。关于颗粒直径，优选为0.1mm至30mm，更优选1mm至5mm。当颗粒直径小于0.1mm时，由于粉尘，操作可加工性可能很差。当颗粒直径大于30mm时，由于降低的抗絮凝性，分散性以及在燃料中的稳定性可能降低。

本发明中还可以加入0.1%-1%的水，以增加纳米催化剂和可溶性木质素之间的粘结。

 

液态：

液态纳米燃油催化添加剂是将纳米催化剂和可溶性木质素溶解在溶剂中，所述的溶剂包括但不限于乙醇、白油、汽油、柴油。

优选白油，更优选白油与乙醇的混合物。

下述的重量份都是以溶剂100份为参考：

纳米催化剂的含量：

由于纳米金属或纳米金属氧化物具有很高的活性，所以纳米金属或纳米金属氧化物的添加量在 0.5-1重量份之间（以白油100重量份为参考）。低于0.5重量份则有会降低催化剂的催化效率，而高于1重量份则成分太高，同时还影响体系的稳定性。

 

可溶性木质素的含量：

可溶性木质素含量在5-10重量份之间，低于5重量份，则无法起到负载纳米催化剂的作用，无法保护部件不被磨损。高于10重量份，则可溶性木质素之间容易团聚，在燃烧时可溶性木质素不易完全燃烧。

 

本发明的液态纳米燃油催化添加剂还可以包括以下物质：

聚乙二醇

聚乙二醇（PEG），也称为聚环氧乙烷（PEO）或聚氧乙烯（POE），是指环氧乙烷的寡聚物或聚合物。聚乙二醇无毒、无刺激性，具有良好的水溶性，并与许多有机物组份有良好的相溶性。依相对分子质量不同而性质不同，从无色无臭黏稠液体至蜡状固体。分子量200～600者常温下是液体，分子量在600以上者就逐渐变为半固体状，随着分子量的增大，其吸湿能力相应降低。

本发明的聚乙二醇选用分子量为200～600的液态无色无臭聚乙二醇，分子量在200～600范围的聚乙二醇一般为较纯的寡聚体，较具分散性。

通过包含分子量为200～600的液态无色无臭聚乙二醇，本发明的纳米燃油催化添加剂会迅速扩散，均匀分散在燃油中，可以使燃料燃烧完全、降低NOx的效果，减少积碳的产生等。

聚乙二醇含量在0.5-2重量份之间（以白油100重量份为参考），低于0.5重量份，则无法起到分散纳米燃油催化添加剂的作用，无法使燃料尽可能的燃烧完全。高于2重量份，则会使聚乙二醇分解挥发。

 

其他助剂

本发明的纳米燃油催化添加剂还包括抗爆剂、抗氧剂、金属钝化剂。

抗爆剂选自甲基环戊二烯三羰基锰（MMT）、甲基叔丁基醚（MTBE）、甲基叔戊基醚（TAME）等。抗爆剂的用量为0.003重量份（以白油100重量份为参考）。

抗氧剂选自2,6-二叔丁基甲酚（T501）、N-苯基-N’-仲丁基对苯二胺、2,6-二叔丁基-1-二甲基对甲酚等，抗氧剂的用量为0.002-0.004重量份（以白油100重量份为参考）。

金属钝化剂选自N,N’-二亚水杨-1,2-丙二胺、复合有机胺的烷基酚盐等。金属钝化剂的用量为0.005重量份（以白油100重量份为参考）。

 

本发明的一种纳米燃油催化添加剂的制造方法为：

颗粒状纳米燃油催化添加剂

将纳米催化剂、可溶性木质素、水按组成重量份混合在一起，经螺杆挤出机挤出造粒。

 

液态纳米燃油催化添加剂

将纳米催化剂、可溶性木质素、溶剂、聚乙二醇及其他助剂按组成重量份混合在一起，并在20℃和60rpm下搅拌混合均匀直至液态纳米燃油催化添加剂处于稳定状态。

 

具体的实施例

燃烧速度的测量的测试方式如下：

通过使用差热分析系统，当将其中加入了本发明的液体纳米燃油催化添加剂的10mg的柴油，以100℃/min的升温速率加热到500℃，并燃烧(ml表示碳渣产生终点的质量)，然后保持在500℃下时，由产生的碳渣(m2表示95％燃烧点的质量)的质量减少曲线计算TG(热重分析)碳渣燃烧速度常数。气流量为100ml/min。以下公式用于计算方法。

TG碳渣燃烧速度常数＝A×T×In(m1/m2)/τ...(I)

A：常数

T：温度

m1：碳渣产生终点的质量

m2：95％燃烧点的质量

τ：(m2-m1)时间

颗粒状纳米燃油催化添加剂（实施例1-4）

颗粒状纳米燃油催化添加剂稳定性测试的测试方式如下：

在20℃和60rpm 下搅拌的同时，制备纳米燃油催化添加剂，并通过测量秒数来评价直到木质素完全溶解在A 级重油中的溶解速度。评价在室温下静置一周后获得的溶液的稳定性。

“非常好”是指完全溶解，

“良好”是指几乎溶解，

“合格”是指可观察到少量不溶物质，

“不好”是指可观察到非常多的不溶物质。

测试结果示于下表中

将上述实施例1-4的纳米燃油催化添加剂组分通过螺杆挤出造粒。在200g柴油中加入1g的纳米燃油催化添加剂（即0.5%）。按照上述的方式测试本发明的纳米燃油催化添加剂的TG碳渣燃烧速度常数。

液态纳米燃油催化添加剂（实施例5-10）

液态纳米燃油催化添加剂稳定性测试的测试方式如下：

在20℃和60rpm 下搅拌的同时，通过下表所示的组成制备纳米燃油催化添加剂，并通过测量秒数来评价直到木质素完全溶解在A 级重油中的溶解速度。评价在室温下静置一周后获得的溶液的稳定性。

“非常好”是指完全溶解，

“良好”是指几乎溶解，

“合格”是指可观察到少量不溶物质，

“不好”是指可观察到非常多的不溶物质。

测试结果示于下表中。

 

将上述组分在分散剂中分散均匀后，在200g柴油中加入0.2g的纳米燃油催化添加剂（即0.1%）。按照上述的方式测试本发明的纳米燃油催化添加剂的TG碳渣燃烧速度常数。

 

液态纳米燃油催化添加剂实施例11-16

测试结果示于下表中。

将上述组分在分散剂中分散均匀后，在200g柴油中加入0.2g的纳米燃油催化添加剂（即0.1%）。按照上述的方式测试本发明的纳米燃油催化添加剂的TG碳渣燃烧速度常数。

 

    经测试，可溶性木质素与纳米催化剂相结合的液体纳米燃油催化添加剂经稳定性试验出的结果均为“良好”和“非常好”，因此，可以证明本发明的液体纳米燃油催化添加剂在稳定性评价的所有方面是非常优异的。通过加入本发明的纳米燃油催化添加剂的燃油进行TG碳渣燃烧速度常数测试后发现本发明的纳米燃油催化添加剂能够提高燃油燃烧效率。可溶性木质素与纳米催化剂相结合的纳米燃油催化添加剂经测试后发现，所述的纳米燃油催化添加剂使用可溶性木质素混合物、纳米催化剂混合物、溶剂混合物后的分散性及燃烧效率均好于使用一种可溶性木质素、纳米催化剂、溶剂时的效果。本发明的纳米燃油催化添加剂在保证分散剂及提高燃料燃烧效率作用的同时，还具有环保的作用。

Claims (10)

1.一种纳米燃油催化添加剂，其特征在于，所述的纳米燃油催化添加剂，包含纳米催化剂和可溶性木质素。

2.根据权利要求1所述的一种纳米燃油催化添加剂，其特征在于，所述的纳米催化剂选自纳米贵金属固体催化剂、纳米过渡金属氧化物催化剂、其他纳米金属氧化物催化剂、负载型纳米催化剂中的一种或数种。

3.根据权利要求1所述的一种纳米燃油催化添加剂，其特征是所述的可溶性木质素包括：乙醇木质素、碱木质素、硝酸木质素、生物木质素、酚木质素。

4.根据权利要求1至3中任意一项权利要求所述的一种纳米燃油催化添加剂，其特征在于，所述的纳米燃油催化添加剂，以重量份计，包括1-10%的纳米催化剂和90-99%的可溶性木质素。

5.根据权利要求4所述的一种纳米燃油催化添加剂，其特征在于，以重量份计，还包括0.1-1%的水。

6.根据权利要求1至3中任意一项权利要求所述的一种纳米燃油催化添加剂，其特征在于，所述的纳米燃油催化添加剂，以重量份计，包含以下组分和重量份

纳米催化剂  0.5-1

可溶性木质素 5-10

溶剂     100。

7.根据权利要求6所述的一种纳米燃油催化添加剂，其特征在于，所述的溶剂包括乙醇、白油、汽油、柴油。

8.根据权利要求6所述的一种纳米燃油催化添加剂，其特征在于，所述的纳米燃油催化添加剂还可以包括聚乙二醇。

9.制造如权利要求1、2、3、5中任意一项权利要求所述的一种纳米燃油催化添加剂的方法，其特征是所述的制造方法为将纳米催化剂、可溶性木质素、水按组成重量份混合在一起，经螺杆挤出机挤出造粒。

10.制造如权利要求6、7、8中任意一项权利要求所述的一种纳米燃油催化添加剂的方法，其特征是所述的制造方法为将纳米催化剂、可溶性木质素、溶剂按组成重量份混合在一起，并在20℃和60rpm下搅拌混合均匀直至液态纳米燃油催化添加剂处于稳定状态。