您的当前位置:首页正文

国内外汽油抗爆剂的发展现状

来源:一二三四网
2009年第8期 第36卷总第196期 广 东 化工 .83・ WWUV.gdchem.eom 国内外汽油抗爆剂的发展现状 付余英,刘小玲,李瑞桢,赵仕林 (INJII师范大学化学与材料科学学院,四川成都610068) [摘要】介绍了国内外汽油抗爆剂的主要发展状况,尤其对金属类抗爆剂中MMT和非金属类抗爆剂中MTBE、ETBE、乙醇等具有代表性、 影响比较大的抗爆剂,归纳了其发展状况并分析了优缺点。针对国内外抗爆剂发展和使用过程中的优点和不足,提出了原材料来源天然且具有 广泛易得、无毒和可再生等优点;制备工艺简单、过程绿色;使用效果显著且使用后对环境冲击小等优点的绿色高效抗爆剂才能适应新型抗爆 剂的发展要求。 [关键词】抗爆剂;金属类抗爆剂;非金属类抗爆剂;绿色抗爆剂 f中图分类号]TE99 【文献标识码】A [文章编号]1007—1865(2009)08・0083-02 The Development of Foreign and Domestic Gasoline Antiknock Aadditive Situation Fu Yuying,Liu Xiaoling,Li Ruizheng,Zhao Shilin (College of Chemistry and Materials Science Sichuan Normal University,Chengdu 6 1 0068,China) Abstract:ff1 the review,the development history ofgasoline antiknock additive in the world was discussed analyzed the advantages and disadvantages ofmetal and nonmetal gasoline antiknock additive were analyzed such as MMT,MTBE,ETBE,ethanol In summary,the raw materials of the future gasoline antiknock additive should be natural,widely exist and easy to exploit,no poison and regeneration;the preparation procedure should be simple and green;the antiknock effect should be more eficifent and gentle to the environment Only this kind of eficifent and pollution—flee antiknock additive can meet the needs of its development Keywords:antiknock additive;metal antiknock additive;non・metallic antiknock additive;green antiknock additive 从1882年汽车工程师发现爆震现象以来,人类一直在寻 找一种高效优良的抗爆剂来消除或减弱爆震。1912年凯瑟林 和米奇里在没有任何理论根据指导下开始了抗爆剂的研究, 1916年美国科学家小托马斯米基利发现了第一种抗爆剂—— 碘,19l7年他又和Charles Kettering发现将乙醇加入汽油中能 改进汽油的辛烷值,1921年小托马斯米基利将乙醇和汽油的 混合研究成果申请了专利 J,同年12月他又发现了高效抗爆 剂四乙基铅(TEL),l923年TEL开始在车用汽油中大量使用, 自此四乙基铅被认为是汽油中不可缺少的添加剂,直至1959 年TEL是唯一被世界使用的辛烷值改进剂,1960年后才开始 出现新的汽油抗爆剂。但自l970年日本东京新宿区发生铅中 毒事件后,由烷基铅抗爆剂造成的铅污染引起了人们的广泛重 视。研究结果表明,烷基铅本身和它燃烧后的产物都有毒,对 环境和人体的危害大,1 980年以来美国和西欧逐步禁止TEL 在汽油中添加,我国已于2000年7月在全国停止销售和使用 含铅汽油,这就导致了优质无铅汽油的需求量也日益增加,促 使各国都去努力探索高效而经济的途径来提高汽油的辛烷值。 几十年来国内外所研发的无铅汽油抗爆剂种类繁多,但从元素 组成来分类,可分为金属类抗爆剂和非金属类抗爆剂。 基铁、四羰基镍、抗爆性能比较,其结果见表1。 表1 五羰基铁/四羰基镍/甲基环戊二烯三羰基锰与四乙基铅 抗爆性能比较 Tab.1 Fe(CO)5,Ni(CO)4,MMT and TEL compare antiknock performance g’kg 1金属类抗爆剂 金属类抗爆剂主要包括金属羰基化合物和碱金属有机物 两大类。金属羰基化合物与四乙基铅具有类似的结构和抗爆机 理。金属羰基类抗爆剂主要有锰、镍、铁、铬等金属类羰基化 合物。1 890年路德维希-蒙德首次合成四羰基镍l2j,发现其具 有抗爆性,1924年Momepom发现了五羰基铁可作为内燃机汽 油中的抗爆剂 。J,其抗爆性略好于四羰基镍,金属羰基类化 合物在抗爆性方面最具有代表性的是锰羰基类化合物。 可作抗爆剂的锰羰基类化合物有:五羰基锰([Mn(c0)5])、 环戊二烯三羰基锰([MnC5H5(CO)3】)、十羰基二锰([M“2(co)101) 甲基环戊二烯三羰基锰([MnCH3C5H5(C0)3 J),由于五羰基锰和 环戊二烯三羰基锰的熔点分别为l54℃、77℃,常温下为固 体,均不便实际使用,得到广泛应用的是甲基环戊二烯三羰基 锰,简称MMT。将甲基环戊二烯三羰基锰与四乙基铅、五羰 MMT是1953年美国Ethyl公司开发出来,作为TEL的一种 补充剂用于汽油,由表1可知,在抗爆性能方面MMT总体上 优于TEL、五羰基铁和四羰基镍。1974年MMT作为单独的抗 爆剂开始投入应用,1976年加拿大把MMT作为无铅汽油的抗 爆剂使用,1997年MMT的贸易受到加拿大政府限制,1998年 取消了对MMT进口和省际贸易的限制。1995年7月美国环保 局批准MMT用于非新配方汽油。1 999年阿根廷批准MMT用于 无铅汽油,同年法国环境部也批准MMT用于铅替代汽油和无 铅汽油。2000年澳大利亚环保局和菲律宾环保局分别批准使 用。1997年8月MMT进入我国,得到了广泛的运用。MMT 不易蒸发损失、不溶于水、性质稳定、 能够与油品进行很好 的兼容,有效地改善汽油品质;MMT成本低、抗爆效率高而 添加量小,能够有效、经济地提高汽油辛烷值;MMT能降低 炼油工艺的苛刻度,减少汽油中芳烃、烯烃等含量,降低汽车 尾气中CO、N0 污染物的排放 J。MMT具有以上众多优点, 但作为金属抗爆剂也存在不少缺点,MMT的燃烧排放物会沉 积在燃烧室、进气阀和火花塞表面,缩短进气阀寿命,使火花 阻塞不能正常点火 J,影响发动机正常工作,并对汽车尾气净 化剂有中毒现象。MMT本身毒性就很强,MMT可以引起肺气 肿及肺出血等症状,也可以引起呼吸道、肝和肾的恶性病变, 特别对呼吸道损害严重。鉴于MMT的种种缺点,EEC国家(EEC [收稿日期】2009.02.25 [作者简介]付余英(198l一),女,四川安岳人,硕士研究生,主要研究方向为环境材料。 2009年第8期 www.gdchem.CO1TI 第36卷总第196期 国家指欧洲共同体国家)和日本已禁止使用MMT作为汽油添 加剂,1999年6月我国家环保局也批准MMT限量使用,我国颁 布的汽油新标准GB17930—1999(车用无铅汽油标 准)GB19592—2004(车用汽油清洁剂标准)没有明确禁止使用锰 类抗爆剂,GB17930—1999允许MMT的加入量为18 mg/L,据 统计MMT目前仍然是我国车用汽油重要的抗爆剂,不过随着 我国汽油市场对外开放,WWFC标准可能成为我国汽油的通用 标准 1。 20世纪40至70年代碱金属有机抗爆剂得到广泛的研究, 碱金属有机类抗爆剂最初是作为铅类汽油的抗爆助剂被研究, 到后来作为单独的抗爆剂研制。碱金属有机抗爆剂燃烧后的氧 化物熔点低、易排出、对环境危害小、不会造成三元催化剂中 毒。制作碱金属有机抗爆剂成本低,工艺简单 J。但碱金属燃 后的金属氧化物为离子化合物,不易挥发,易在吸气管中沉积, 造成油路堵塞。有些碱金属有机抗爆剂需加助剂,还会造成汽 油诱导性变差。碱金属有机抗爆剂在抗爆领域未能得到广泛应 用。 2非金属抗爆剂 由于金属类抗爆剂产生的颗粒物污染和对三元催化器的 损害等问题,对其研究处于相对停滞阶段。各国对抗爆剂的研 究重点放在了非金属类,非金属类抗爆剂主要有醚、醇、酯类 等。 2.1醚类 醚类抗爆剂以甲基叔丁基醚(MTBE)、乙基叔丁基醚 (ETBE)、甲基叔戊基醚(TAME)、二异丙基醚(DIPE)为代表, 该类物质因其自身具有较高辛烷值,当其掺合到油品中能够通 过调和作用提高油品的辛烷值,以上四种用于汽油辛烷值改进 剂的醚类性质见表2。 表2 TAME,MTBE,ETBE和DIPE的部分性质 Tab.2 The part nature of TAME,MTBE,ETBE and DIPE 在醚类抗爆剂中曾代替四乙基铅和MMT得到广泛应用 的是甲基叔丁基醚,1979年由意大利首先工业化合成了 MTBE,由于MTBE与汽油可以任意比例互溶不发生分 层,与汽油组分有良好的调和效应,调和辛烷值高于其 净辛烷值;能够降低一氧化碳、臭氧、苯、丁二烯等有害物 质的排放,改善汽车性能,同时降低汽油生产成本。随后 20多年间在全世界范围内普遍使用。2O世纪9O年代后 期,由于MTBE在RFG中的广泛使用,美国在加州地下 水中首先发现了MTBE。研究表明MTBE有较强的水溶性, 易渗入土壤并以辐射的方式扩散污染水体且MTBE很难降解, 在地下水系统中需10年时间才可降解到不威胁人类健康的水 平;另外MTBE对人体黏膜及呼吸道有刺激作用,对肾脏和 肝脏也有伤害作用[1Ol。2002年美国加州禁止在汽油中掺合 MTBE,从2004年1月起在利福尼亚、纽约、康涅狄格三州 禁止使用MTBE,2006年8月,美国已有25个洲禁用MTBE, 201 0年将全面禁用MTBE。由于MTBE对地下水污染严重, 世界各国也纷纷禁止在汽油在添加MTBE。虽然,在亚洲地区 尚未表示禁用MTBE的意向,但对MTBE污染环境的争论, 给全球MTBE的发展已经蒙上浓重的阴影。 由表2可知,ETBE与MTBE相比,除含氧量稍低外,具有 调和辛烷值高、易与汽油混合、沸点高、能减低汽油的挥发性、 对环境污染小等优点。ETBE目前尚未发现类似MTBE的环保 和对人体伤害等问题,且由MTBE转产ETBE的可能性 大,ETBE的市场应用潜力较大。日本最大的炼油商日本石油公 司于2007年4月初宣布,将在半年之内开始将其100 kt/a MTBE生产装置改产,并于2009年秋季生产ETBE。日本石油 公司将使用ETBE作为汽油添加剂,据日本METI估算,日本 2006年汽油需求量约为105万桶/天,计划2009 ̄2010年达到 20万千公升(126万桶),将比2008 ̄2009年计划用量1.6万千 公升大有提升。日本生物燃料供应公司已于2007年4月在东 京和邻近地区的50个加油站出售含7%ETBE的调合汽油, 2010 ̄2011年将全面推行调合ETBE的汽油。欧洲是MTBE 的第二大市场,欧洲绝大多数的乙醇增长可望来自乙基叔丁基 醚(ETBE)形式,已有好几套MTBE装置被转换生产ETBE, 其他的装置转换加上少量新建的ETBE装置可望在20 1 0年前 完成,ETBE用量可望增加到215~257万t/年。国外ETBE 合成技术已经十分成熟,中国国内实现了MTBE的大规模工 业生产,而ETBE合成技术尚处于研究阶段。与ETBE具有相 似性质的TAME既可以提高汽油的辛烷值,同时也有效地利 用了C5烯烃,TAME能减小光化学烟雾等对空气的污染,限制 汽油的蒸汽压、苯含量,还将逐步限制芳烃和烯烃含量,但我 国TAME合成技术正处于工业实施阶段。二异丙基醚(DIPE) 与MTBE相比具有许多优点,虽然其辛烷值(105)比MTBE稍 低,但D1PE的雷德蒸气压仅为MTBE的一半,美国环球油品 公司已经成功地开发出了生产DIPE的新工艺。ETBE、TAME 和DIPE的市场潜力很大,都将成为MTBE的替代品。 2.2醇类 21世纪以来,新型汽油抗爆剂的研究开发十分活跃。美 国标准醇公司已开始发出一种生物降解水溶性清洁燃料添加 剂,它是直链C1一C8燃料级醇混合物,辛烷值为128,可代替 MTBE用于汽油辛烷值改进剂 。醇类添加剂原材料广泛, 具有较大市场潜力。目前已有几种低碳醇,如甲醇、乙醇和叔 丁醇作为汽油辛烷值改进剂使用【J ,在这三种汽油改进剂中, 甲醇和叔丁醇自身有很大的毒性限制了它们在汽油中的发展 和应用。乙醇自身毒性小,是可再生的资源,具有相当高的调 和值,加入乙醇后的汽油具有良好的抗爆性能,同时尾气中的 CO、HC、NOx的排放量分别减少35.7%、53.4%、33%_l 。 目前国外大量使用乙醇汽油的国家主要是美国、巴西、欧盟等 国家,其中巴西是唯一销售乙醇汽油而不销售普通汽油的国 家。我国乙醇汽油的普及始于2001年,2005年E10乙醇汽油 普及率达到20%。现在,在黑龙江、辽宁、吉林、河南、安 微五省地区全封闭运行,另外,湖北、河北、山东、江苏四省 的部分地区(共27市)也在开展普及,计划在“十一五”期间, 上述四省也实行全封闭运行 。但乙醇汽油存在腐蚀性、油 耗增加、油品分层等问题,发达国家在这方面的技术已经比较 发达,针对乙醇汽油的添加剂在国内外越来越被关注,目前这 方面的研究也越来越多,其中,生物基添加剂是最受关注的一 种。在国际上,最常见的一种专属乙醇汽油添加剂也是生物基 添加剂。美国等高科技的国家也先后发明了多种乙醇汽油专属 添加剂,如CLEAOX和OXYCLEAN尾气净化添加剂。近年 来,在国内也有人研究出一种MAZ硝基燃油添加剂,该添加 剂的主要组分自身燃烧性能较好,在燃烧初期有助燃作用,可 改善和促进燃油的燃烧,提高混合气的燃烧速度。 2.3酯类 在酯类抗爆剂中目前最受关注的是碳酸二甲酯(DMC)。 DMC的RON和MON分别为110、97,比MTBE稍低。DMC 是含氧化合物添加到汽油中,着火速度快,燃烧后污染程度较 轻,其中所含氧原子也可参与燃烧,改善燃烧过程,降低未燃 烧HC排放量。研究发现:加入DMC会使汽油的燃烧热值有 所降低,冰点及氧含量升高,对汽油的馏程、饱和蒸汽压及水 溶性基本上没有影响;DMC更适合于基础辛烷值大于80的汽 油的调和。目前对DMC使用效果的评价仅限实验室。另有专 利报道丙二酸酯添加剂可以提高汽油的辛烷值。 (下转第117页) 2009年第8期 广 东 化 工 www.gdchem.com 117 第36卷总第196期 (上接第84页) 5结语 鉴于抗爆剂的发展历程和目前使用的抗爆剂存在的问题, 新一代抗爆剂的发展应从节能、减缓石油资源枯竭压力、环保 和经济等多方面因素综合考滤:原材料的选取应倾向于天然且 具有广泛易得、无毒和可再生等优点,制备工艺简单、过程绿 色,使用效果显著且使用后对环境冲击小等优点的绿色高效抗 爆剂才能适应新型抗爆剂的发展要求,因为只有绿色高效的抗 爆剂才适应现代社会可持续发展要求。 3其它 3.1 HS抗爆剂 近年来,由中国陕西华森高科技有限公司研制生产的HS 汽油抗爆剂,据称是具有国内领先水平的新一代环保、节能型 汽油抗爆剂,HS汽油抗爆剂不含任何金属成份,不引入苯、 芳烃、烯烃等类物质。具有良好的助燃性,对提高汽车启动性 能、加速性能及燃烧性能均有较好效果,且能显著降低汽车尾 气中CO、碳氢化合物等有害气体的排放,降污达50%左右。 但HS抗爆剂在市面上未见有广泛应用。 参考文献 [1]方泽军,纪常伟,江硕峰.汽油添加剂的现状与发展趋势[J].小型内燃 机与摩托车,2008,17(1):87—91. [2】王炳根.羰基物替代四乙铅提高汽油辛烷值【JJ.四川有色金属,1994, (4):40-46. 3.2油公燃油添加剂 近十年来,以日本为主的物理添加剂的研究引起了广泛 的关注,1 996年深圳市日研科技有限公司利用核磁共振技术 开了一种“油公”燃油添加剂。它不是化学添加剂,而是一种 核磁共振剂,日研科技公司研究人员认为爆震的实质是不同步 燃烧,要消除爆震只需使燃料同步燃烧,而与改进辛烷值的高 低无多大关系,油公正是基于这一观点下开发出来的一种能使 燃料同步燃烧的核磁共振剂。日研公司报道,添加万分之二油 公燃油添加剂(核磁共振传递剂)后,就可使汽油同步燃烧,即 可消除爆震,还可以使9O号油替代97、98号油使用,5O多 号、6O多号、7O多号的油替代90号油使用。“油公”燃油添 加剂还未能得到许多专家学者的认可,我国仅有少部分中小炼 油企业采纳。 [3]Gibson H J,Ligett W B,Warren T W.More Data on Manganese Antiknock fJ1.Petroleum Refiner,l959,38(6):104-198. 【4]Cordes J F.Which Antiknock Will It Be—aromatics or MMT[J].Chemtech Chtedd,1978,8(8):484—487. [5]Brown J E,Lovell W G A.New Manganese Antiknock[J].Industrial and engineering chemistry,1958,50(10):l 547-1550. [6]章文.MMT用作汽油抗爆剂的是与非[J].环保与安全,2005,(4J:78—79. [7]杜德魁,潘勇.燃油抗爆剂MMT对火花塞的影响[J1.技术与市场,2005, 4f7 :25. 4汽油抗爆剂的发展方向 综上所述,汽油抗爆剂的发展主要经历了以下几个阶段; (1)没有理论的盲目探索阶段;(2)高效抗爆剂四乙基铅的发现 及广泛使用阶段;(3)四乙基铅的禁用及寻找非铅抗爆剂代替 四乙基铅阶段;(4)非铅金属类抗爆剂以MMT为代表的推广 使用及现存在的问题;(5)非铅非金属类以MTBE和乙醇为代 表的新配方汽油的推广使用及出现问题探索新抗爆剂的现阶 段。从发展历程上看,目前市面上主要有MMT、MTBE和乙 醇三种抗爆剂,从环境保护的角度,MMT和MTBE皆为非绿 色抗爆剂,因自身的毒性和抗爆功能失效后会释放出有毒有害 物质,危害人类健康及生态系统的安全,淘汰的可能性很大; 乙醇类属于绿色抗爆剂,乙醇虽有从原料来源可再生,且制备 过程绿色和使用后对环境冲击小等优点,但由于对蒸汽压高和 遇水即醇油分相严重,价格较高等缺点,不解决这些缺点乙醇 很难受到燃油业的广泛青睐。 (上接第86页) time—of-flight mass spectromety for polrymer characterization:oligomer resolution, mass accuracy, and average weight information [8]方泽军,纪常伟,汪硕峰.汽油添加剂的现状与发展趋势【J】.小型内燃 机与摩托车,2008,37(1):87—91. [9]袁海欣,郑远洋,郭秋宝.含碱金属的有机抗爆剂[J].石油商技,2004, 22(2):25・28. [10停 雪梅,张宏伟,王孝伟.醇醚类抗爆剂的现状及发展趋势fJ1.化学 工程师,2008,(I):42-44. [11]陈洪德.出厂汽油辛烷值的控Sd[J].金山油化纤,2004,23(4):25-27. [12]吴贵生,吴海燕.汽油无铅化的关联问题『J1.上海环境科学,1997, 24(2):53-57. [1 3]沈中元.中国汽油领域石油替代的可能性一现状、政策、和长期展望 [J].国际石油经济,2006,11(14):7一I7. (本文文献格式:付余英,刘小玲,李瑞桢,等.国内外汽油 抗爆剂的发展现状[J].广东化工,2009,36(8):83—84) l695一l 7UI 【21]Meier M A R,Hoogenboom R,Fijten M W M,et a1.Automated MALDI—-TOF・・MS sample preparation in combinatorial polymer [J].Ana1.Chem.1997,69:2734—2741. 【15]HotelingA J,ErbW J,Tyson R,et a1.Exploringtheimportance ofthe relative solubility of matrix and analyte in MALDI sample preparation using research[J].J.Comb.Chem,2003,5:369-374. [22]Gies A P,Nonidez W K,Anthamatten M,et a1.characterizat1on 0f insoluble polyimide oligomers by matrix—assisted laser desorption/ionization HPLC[J].Ana1.Chem.2004,76:5157.5164. [16]Hanton S D,OwensKG,Chavez—EngC,et a1.Updating evidencefor cationization of polymers in the gas phase during matrixassisted laser time—of-lfight mass spectrometyⅢrJ.Rapid Commun Mass Spectrom,2002, 16:l903一I910. desorption/ionization[J].Eur.J.Mass Spectrom,2005,1 I:23—29. [1 7]Knochenmuss R,Lehmann E,Zenobi R.Polymer cationization in matrixassisted laser desorption/ionization[J].Eur.Mass Spectrom.1998,4: 421—427. [23]Gies A P,Nonidez W K.A technique for obtaining matrix assisted laser desorption/ionization time・of-flight mass spectra of poorly soluble and insoluble aromatic polyamides[J].Anal Chem,2004,76:1 99 I-I 997. [24]Przybilla L,Brand J D,Yoshimura K,et a1.MALDI.TOF mass spectromety of irnsoluble giant polycyclic aromatic hydrocarbons by a new [I 8]Yalcin T,Schriemer D C,Li L.Matrixassisted laser desorption ionization timeof- lifght mass spectrometry f0r Ihe analysis of method of sample preparation[J].Anal Chem,2000,72:459 1.4597. polydienes[J1.J.Am.Soc.Mass Spectrom,1997,8:i220.1229. [19]Trimpin S,Eichhom P,Rader H J,et a1.Recalcitrance of poly(Viny1pyrrolidone) : evidence through matrix.assisted laser 【25]Wetzel S J,Guttman C M,Flynn K M.The influence of electrospray deposition in matrix・assisted laser desorption/ionization sample preparation for synthetic polymers[J].Rapid Commun Mass Spectrom,2004,1 8:I 1 39一I 1 46. desorption/ionisaIi0n time—of-flight mass spectromety[rJ].J Chromatogr A, 2001,938:67—77. [26]Hanton S D,Hyder 1 Z,Stets J R,et a1.Investigations of electrospray sample deposition for polymer MALD!mass spectromety[rJ].J Am Soc Mass Spectrom,2004,15:168.179. [20]Chen H,Hc M Y,Chen Z K.The cationization mechanism study of nove1 oligo(p—phc“ylenccthy“ylene)sfJ].J.Am.Soc.MassSpectrom,2005。I 6r l o): 

因篇幅问题不能全部显示,请点此查看更多更全内容

Top