Mikroemülsiyon ile Faz Diyagramları

Yakıt bileşenlerinden oluşturulan üçlü karışım ve karışımlarının hangi şartlarda nasıl karışabileceği ve hangi şartlarda kararlı bir halde kalabileceği, sıcaklığa bağlı olarak birbiri içinde çözünme özelliklerinin bilinmesi ve test edilmesi ile mümkün olmaktadır. Bir yakıtın dizel motorlarda yakıt olarak kullanılabilmesi için düşük sıcaklıklarda berrak ve kararlı bir faz davranışı sergilemesi gerekmektedir [58]. Euro dizel ile pamuk yağı karışımlarının kararlılığını sağlamak için ortak çözücü olarak n-bütanol kullanılmıştır. Bu maksatla mikroemülsiyon sistemi olarak tasarlanan, euro dizel, n-bütanol ve pamuk yağı üçlü sisteminde sabit basınçta, oda sıcaklığı (24 o_C), 5 o_{C, 0} o_{C, -5} o_{C ve -10} o_{C sıcaklıklardaki en dayanıklı ve kararlı mikroemülsiyonu} verdiği konsantrasyonlar titrasyon ile belirlenmiş ve üçlü karışım faz diyagramları çizilmiştir.

6.3.1 Sıcaklığın ve Karışım Oranının Çözünürlüğe Etkisi

Euro dizel yakıtı ile pamuk yağı belirli bir noktaya kadar birbirleriyle karışmaktadır. Bunun için ikisinin karışımı iki fazlı sistemleri oluşturmaktadır. İki fazlı euro dizel yakıtı ile pamuk yağı sisteminin ağır olan fazı, euro dizele doymuş olan pamuk yağı, hafif olan fazı ise pamuk yağı ile doymuş olan euro dizel yakıtıdır. n-Bütanol ise, hem euro dizel hem de pamuk yağı ile tamamen karışmaktadır ve soğuk akış özellikleri bakımından diğer iki bileşene göre daha güçlü durumdadır. Bu nedenle düşük sıcaklıklarda da üçlü karışımda ortak çözücü görevini üstlenmektedir.

Sıcaklığa bağlı olarak euro dizel yakıtı ile pamuk yağı iki fazlı sistemine yeterli miktarda n-bütanol ilavesinin her üç bileşeninde karıştığı tek bir sıvı fazı oluşturmaktadır. Üç bileşenden oluşan yakıt karışımında bileşenlerin birbiri ile olan çözünürlüğünün sıcaklığa bağlı olarak değiştiği sıcaklık değiştiğinde faz diyagramında görülen işaretli noktaların yerlerinin de değiştiği tespit edilmiştir. Bu nedenle en düşük sıcaklık değeri olan Şekil 6.1’deki -10 o_{C için çizilen faz} diyagramının ikili bileşen eksenleri ve üçgenin içi dikkate alınarak incelenmiştir.

Şekil 6.1: -10o_{C için çizilen üçlü karışım faz diyagramı}

Euro Dizel ile Pamuk Yağı Eksenleri

Euro dizel yakıtı ile pamuk yağı karışımlarında pamuk yağı karışım yüzdesinin artmasına paralel olarak pamuk yağına doymuş euro dizel bölgesinde sıcaklık düştükçe çözünürlük bakımından azalma gözlemlenmiştir. Bu durum pamuk yağının viskozitesinin, bulutlanma, akma ve soğukta filtre tıkanma noktasının euro dizele göre yüksek olmasına dayandırılmaktadır [99]. Literatüre göre normal şartlarda bitkisel yağların motorda karışım oluşturma yöntemi ile kullanılmasında en fazla %40’a kadar karışım oranının uygun olduğu belirtilmektedir [55]. Ortam sıcaklığına bağlı olarak yakıt sıcaklığının da değişmesi bileşenlerin birbiri içindeki çözünürlüklerini olumsuz yönde etkilemektedir. Bu durumda euro dizel ile pamuk yağı karışımında pamuk yağı yakıt bileşeninin karışım içindeki yüzdesi azalmaktadır. En yüksek sıcaklık değeri olan oda sıcaklığında euro dizel ile pamuk yağı

karışımlarında pamuk yağı karışım yüzdesi arttıkça pamuk yağına doymuş euro dizel fazı meydana geldiği için faz ayrışması gerçekleşmektedir. Bu durum sıcaklık düştükçe daha daha belirgin bir şekilde tespit edilmiştir. Karışımın kararlılığının düşük sıcaklıklardaki davranışı incelendiği en düşük sıcaklık değeri olan -10 oC’de tek fazlı bir euro dizel ile pamuk yağı ikili karışımı elde etmek için minimum %95 oranında dizel yakıtının karışıma dâhil edilmesi gerekmektedir. Bu durum euro dizel yakıtı ile pamuk yağı karışımlarının düşük sıcaklılardaki kullanımını sınırlandırmaktadır.

Pamuk Yağı ile n-Bütanol Eksenleri

Pamuk yağı ile n-bütanol karışımlarında n-bütanolün etanol ve metanole göre uzun karbon zinciri ve ortak çözücü özelliği sayesinde n-bütanol ile pamuk yağı karışımları, euro dizel ile pamuk yağı karışımlarına göre biraz daha iyi çözünürlük özelliği sergilemektedir. Tüm sıcaklık değerlerindeki faz diyagramları saat yönünün tersi yönde incelendiğinde artan n-bütanol karışım oranının artan euro dizel yakıtına göre daha az karışım oranında çözünürlüğe ulaşmaktadır. Bu durum n-bütanolün karışım özelliğinin iyi olmasına dayandırılmaktadır. Ancak sıcaklık düştükçe bu iki bileşenin çözünürlüğünün azaldığı gözlemlenmiştir. Bu durum pamuk yağının soğuk akış özelliği sıcaklıklarının n-bütanole göre yüksek olmasına dayandırılmaktadır.

Tüm sıcaklıklarda pamuk yağına doymuş n-bütanol karışımlarında %10’un üzerindeki oranlarda euro dizel yakıtına göre daha iyi çözünürlük sağlamaktadır. İkili karışımda çözünürlük, karışım içindeki n-bütanol yüzdesinin artmasına bağlı olarak artmaktadır. Bu durumda yakıt karışımının soğuk akış özelliğini olumlu etkilemektedir ve pamuk yağı kullanım oranını artırmaktadır. Ancak n-bütanolün ısıl değerinin pamuk yağına göre düşük olması nedeniyle karışım içindeki oranının artması da motor performansı ve emisyonlarını etkileyeceği değerlendirilmektedir.

n-Bütanol ile Euro Dizel Eksenleri

n-Bütanol ile euro dizel karışımlarında çözünürlük yönünden literatürle paralel sonuçlar elde edilmiştir [34-37]. Alkol molekülleri alkil ve hidroksil içermektedir, alkolde ne kadar karbon atomu olursa dizel yakıtı ile de o kadar kolay

karışabilmektedir. n-Bütanol euro dizel içinde herhangi bir çözücü madde kullanmaksızın her oranda çok iyi bir çözünme sağlamaktadır [33-39]. Ayrıca, n-bütanolün düşük donma noktasına (-89,5 oC) sahip olması da düşük sıcaklılardaki çözünürlülüğü olumlu yönde etkilemektedir. Alkoller su içeriyorsa, faz ayrışması meydana gelmekte bu durumda yakıt sistemi ve silindirlerde problemlere yol açmaktadır. Ancak, n-bütanolün sudaki çözünürlüğü oldukça düşüktür ve benzin veya dizel yakıtı ile kolaylıkla karışabilmektedir ve uzun süre faz ayrışması olmaksızın kararlılığını korumaktadır. Bu kapsamda yapılan deneylerde faz diyagramlarında görüldüğü gibi n-bütanol ile euro dizel yakıtı karışımlarında herhangi bir faz ayrışması problemi olmamaktadır. Ancak karışım oranı bakımından n-bütanol yüzdesinin artmasına bağlı olarak n-bütanolün ısıl değerinin ve setan sayısının euro dizele göre düşük olması nedeniyle motor performansı ve emisyonlarını etkileyeceği değerlendirilmektedir.

Üçgen Diyagramın İç Kısmı

Üçlü karışım diyagramının iç kısmı üç bileşenin karışım oranını göstermektedir. Değişik sıcaklıklar için çizilen faz diyagramlarında bileşen sıcaklıkları düştükçe üçgenin iç kısmındaki faz (binodal) eğrisi genişlemektedir. Sıcaklığın artması ile eğri bölgesi azalmakta ve bazı konsantrasyonlarda hiç görülmemektedir. Eğri azaldıkça üçgenin içini gösteren üçlü karışım bölgesi genişlemekte ve bu noktalarda da karışabilirlik artmaktadır. Üçlü faz diyagramları üç bileşenin kısmen ya da tamamen çözündüğü konsantrasyonun bulunmasında kullanıldığından üç bileşenin tamamen çözündüğü kararlı alanlar ve faz ayrışması şeklinde görülen kararlı olmayan alanlar belirlenmiştir. Bu alanlar sıcaklığa bağlı olarak değiştiğinden bileşenlerin birbirleriyle tamamen çözündüğü konsantrasyonları temsil etmektedir. Euro dizel, n-bütanol ve pamuk yağı üçlü karışımlarının tamamen çözündüğü alandaki karışımlarda faz ayrışması gerçekleşmemektedir. Biyoyakıt karışımlarının ile ilgili yapılan çalışmalarda soğukta çalıştırma özellikleri geliştirilmesi gereken bir konu olmaktadır. Buna göre, üçlü karışım bileşenlerinin soğuk akış özellikleri dikkate alınarak ve en kötü koşul olarak belirlenen -10o_C’deki faz diyagramındaki çözünür alanın, yakıt karışımının kararlılığı, soğuk iklim koşullarında dayanıklılığı bakımından diğer sıcaklıklara göre daha iyi performans sergileyeceği değerlendirilmektedir.