第三章 實驗部分
3.1 藥品
1. 棕櫚油泥漿(SPO)
Sludge Palm Oil 馬來西亞 2. 硫酸(H2SO4)
Sulfuric acid 試藥一級 3. 甲醇(CH3OH)
Methyl Alcohol Merck 4. 氫氧化鈉(NaOH)
Sodium hydroxide 工業級 5. 矽膠
Silica gel 一般級 6. 氧化鈣(CaO)
Calcium Oxide 試藥一級 7. 硝酸鎂(Mg(NO3)2)
Magnesium Nitrate 試藥特級 8. 蒸餾水
Distillate water 一般級
3.2 實驗分析儀器 實驗分析儀器 實驗分析儀器與方法 實驗分析儀器 與方法 與方法 與方法
3.2.1 實驗儀器 實驗儀器 實驗儀器 實驗儀器
1.天秤測量：採用 Adventurer 所製造的，型號為 ARC120
2.磁石攪拌器：新安星儀器代理，型號為 HR240
3.恆溫循環槽：MAXTHERMO 所製造，型號為 MC-N2438
4.酸價測定儀：鴻盛公司所代理的，型號為 AT-500N
5.水份測定儀：鴻盛公司所代理的，型號為 MKC-501
6.氣相層析儀：宏濬公司所代理的，型號為 GC9800
7.離心機：新安星儀器行所代理的，型號為 CN-10000
8.密度測定儀：鴻盛公司所代理的，型號為 DA-130N
3.2.2 實驗分析方法 實驗分析方法 實驗分析方法 實驗分析方法
生質柴油特性分析則是參照中華民國國家標準(CNS)所訂定出的標準來進行分 析與測定，其中包括甲酯濃度(CNS-15051)、密度(CNS-12071)、酸價(CNS-14906)、
水份(CNS-4446)、閃火點(CNS3574)熱值(CNS10835)及灰分(CNS-3576)等。表3.1 為CNS針對生質柴油所做出的產品特性要求，跟世界各國比較下我國規定的數值 相對的較為嚴苛。
3.2.2.1 甲酯濃度
甲酯濃度 甲酯濃度 甲酯濃度
甲酯濃度代表著生質柴油的純度，有的國家標準中限制不能低於 96.5%，有的
要求不能低於 98%，也有的國家沒有限制該標準，如表 3-2 所示。測定時一般是採 用氣相層析儀(GC-FID)。由轉酯化反應所帶來的另一指標是副產品甘油，其甘油 含量也是評定生質柴油質量好壞的重要指標之一，包括游離甘油和結合甘油(甘油 酯)。
3.2.2.2 密度
密度 密度 密度
密度是單位體積內所含物質的質量。油品的密度大小對燃料噴嘴噴出的射程和
油品霧化質量的影響很大，也是可參考轉化率好壞的指標之一。
3.2.2.3 酸價
酸價 酸價 酸價
酸價的定義為中和 1 克油脂中所含游離脂肪酸所需要的 KOH 毫克數。柴油的
酸價對發動機工作的狀況影響很大，不僅會使發動機內積碳增加，也會造成活塞 磨損，使噴嘴結焦，影響霧化性能和燃燒性能；且酸價過大也會引起柴油的乳化 現象。酸價是衡量油品腐蝕性和使用性能的重要依據。
3.2.2.4 水份
水份 水份 水份
水份的存在會對生質柴油的燃燒性能有很大的影響，並且還會對柴油機有腐蝕
作用。水會提高生質柴油的化學活性，使其容易變質。所以對生產出的生質柴油 在其應用到柴油機上時必須要進行水份的檢測。其測定方法有分為卡爾‧費休氏 法、甲苯蒸餾法、烘箱法等
3.2.2.5 冷濾點
冷濾點 冷濾點 冷濾點
凝點是評定柴油流動性的重要指標﹐它表示燃料不經加熱而能輸送的最低溫
度。柴油的凝點是指油品在規定條件下冷卻至喪失流動性時的最高溫度。而在實 際使用中﹐柴油在低溫下會析出結晶體﹐晶體長大到一定程度就會堵塞濾網﹐這 時的溫度稱作冷濾點。與凝點相比﹐它更能反映實際使用性能。對同一油品﹐一 般冷濾點比凝點高 1～3℃。
3.2.2.6 灰分
灰分 灰分 灰分
所謂灰分，是指經高溫燃燒後所留下的物質，通常含有無機物，或是鎂、鈣等
礦物質。也是磨損性物質的主要來源，會使引擎受到過份的磨損，因此燃料中的 灰分是越低越好。
3.2.2.7 閃火點
閃火點 閃火點 閃火點
閃火點關係著油料的運輸與儲存，閃火點隨著油品種類而不同，同時亦與空氣
的流通、加熱的速度有關，在生質柴油的提煉過程中，殘留的醇類或有機溶劑亦 是影響閃火點的重要因素。閃火點的測定為當某油品加熱達到某一溫度，其因蒸 發量所產生的油品濃度高到一旦與空氣混合時，取一火燄快速地越過油面，若越 過時油氣產生一閃的火燄，則此最低溫度稱為閃火點，一般生質柴油的閃火點可 達 125℃以上，約為石化柴油的二倍，如將生質柴油混合石化柴油使用，則能有效
3.2.2.8 熱值
熱值 熱值 熱值
熱值為單位質量燃料所能釋放出的能量，熱值的高低影響燃燒時燃油的消耗
率，熱值越高代表燃油消耗率越低，中國石油公司所供應的高級柴油其熱值約為 10839 cal/g。
表 3-1 我國對於生質柴油產品的規範(CNS15072) 範圍
試驗項目 最大值 最小值 單位
酯含量 96.5 -- %(m/m)
密度，15℃ 860 900 ㎏/m3
黏度，40℃ 3.50 5.0 mm2/s
閃點 120 -- ℃
硫含量 -- 10.0 ppm(m/m)
殘碳量(10%蒸餘物) -- 0.30 %(m/m)
十六烷值 51.0 --
硫酸鹽灰分 -- 0.02 %(m/m)
水分 -- 500 ppm(m/m)
總污染量 -- 24 ppm(m/m)
銅片腐蝕性，3 小時，50℃ NO.1 等級
氧化穩定性，110℃ 6.0 -- 小時
酸價 -- 0.50 mg KOH/g
碘價 -- 120 g I2/100g
次亞麻油酸甲酯 -- 12.0 %(m/m) 多雙鍵(≥4)脂肪酸甲酯 -- 1 %(m/m)
甲醇含量 -- 0.20 %(m/m)
單甘油酯含量 -- 0.80 %(m/m)
雙甘油酯含量 -- 0.20 %(m/m)
三甘油酯含量 -- 0.20 %(m/m)
游離甘油含量 -- 0.02 %(m/m)
總甘油含量 -- 0.25 %(m/m)
表 3-1 我國對於生質柴油產品的規範(CNS15072)(續) 範圍 試驗項目
最大值 最小值 單位
第I 族金屬(鈉+鉀) 第 II 族金屬(鈣+鎂)
-- --
5.0 5.0
ppm(m/m) ppm(m/m)
磷含量 -- 10.0 ppm(m/m)
冷濾點 -- 0(B 級) ℃
表 3-2 其他國家生質柴油標準
法國 德國 義大利 美國
試驗項目 Journal official
DIN E 51606
UNI 10635
ASTM PS121-99 生效日期 1997-9-14 1997-9 1997-4-21 1999-7 產品名稱 VOME FAAME VOME FAME 密度(15℃)/g‧cm-3 0.87~0.90 0.875~0.90 0.86~0.90 ─ 黏度(40℃)/mm2‧s-1 3.5~5.0 3.5~5.0 3.5~5.0 1.9~6.0 閃點/℃ >100 >110 >100 >100 冷濾點(CFPP)/℃ ─ 0/-10/-20 ─ ─ 硫含量/% ─ <0.01 <0.01 <0.05 灰分含量(硫酸鹽)/% ─ <0.03 ─ <0.02 灰分含量(氧化物)/% ─ ─ <0.01 ─ 水分含量/mg‧kg-1 <200 <300 <700 <0.05%
十六烷值 >49 >49 ─ >40 甲醇含量/% <0.1 <0.3 <0.2 ─ 甲酯含量/% >96.5 ─ >98 ─ 單甘脂/% <0.8 <0.8 <0.8 ─ 二甘脂/% <0.2 <0.4 <0.2 ─ 三甘脂/% <0.2 <0.4 <0.1 ─ 游離甘油/% <0.02 <0.02 <0.05 <0.02 總甘油/% <0.25 <0.25 ─ <0.24
表 3-2 其他國家生質柴油標準(續)
法國 德國 義大利 美國
試驗項目 Journal official
DIN E 51606
UNI 10635
ASTM PS121-99 碘值 <115 <115 ─ ─ 磷含量/mg‧kg-1 <10 <10 <10 ─ 鹼含量(Na+K)/mg‧kg-1 <5 <5 ─ ─
3.3 實驗步驟 實驗步驟 實驗步驟 實驗步驟
本實驗主要分為二部份：首先是利用具有高游離脂肪酸的 SPO 當原料，並藉
由兩階段的反應過程來製備生質柴油，然後再以自製的生質柴油與石化柴油相混 合以進行引擎測試。其二為使用奈米級吸水材料來進行最後的除水步驟與傳統真 空蒸餾做比較。
3.3.1 生質 生質 生質 生質柴油製備 柴油製備 柴油製備 柴油製備
酸催化：
先秤取 200g 之 SPO 原料預熱在 60℃、30 分鐘，轉速為 300rpm。等時間到了 之後在加入所需之硫酸與甲醇進行酸催化的預處理步驟。反應完後靜置 1.5 小時分 層(此時上層為酸預處理好的原料，下層為副產物水)，漏掉下層液後再取上層液進 行第 2 階段的鹼催化步驟。圖 3-1 為本實驗酸催化之流程圖。
鹼催化：
取酸催化好之原料油秤取約 150g 後先預熱在 60℃、30 分鐘，轉速為 300rpm。
時間快到時先把 NaOH 與甲醇依照所需比例先均勻混合好，等時間到時再加入油 中進行鹼催化步驟。反應完靜置到隔夜，此時會分成兩相，上層為生質柴油、下 層為甘油層，漏掉下層後取上層以 60℃蒸餾水進行水洗純化，直到測量水層的 pH 值接近中性後再進行離心(4000rpm 10min)初步去水，然後再以真空烘箱(110℃、1 小時)及奈米級吸水材料進行去水率比較。圖 3-2 為本實驗鹼催化之流程圖。
3.3.2 奈米級吸水材料 奈米級吸水材料 奈米級吸水材料 奈米級吸水材料
本實驗中主要是以乾燥劑(Silica gel)、氧化鈣及氧化鎂來進行吸水效果的測 試，並和傳統真空蒸餾的方法做一比較。氧化鎂則是以硝酸鎂煅燒在 500℃恆溫 1 小時使之氧化成氧化鎂後再拿來使用，乾燥劑則是先以 110℃烘乾 2 小時進行徹底 除水再拿來使用，氧化鈣要使用前則是先以 500℃恆溫 1 小時後再拿來使用。圖 3-3 為本實驗去水率效果的流程圖。
圖 3-1 生質柴油製備第一階段的酸催化預處理過程之實驗流程圖
圖 3-2 生質柴油製備第二階段的鹼催化過程之實驗流程圖
圖 3-3 吸水材料測試去水率效果流程圖。