题目二茂铁对柴油的助燃消烟作用与尾气成份测定

1、题目：二茂铁对柴油的助燃消烟作用与尾气成份测定 姓名： 曾丽珍 学号： 20042401041 密码：206744 单位： 华南师范大学化学与环境学院 一、前言实验目的：1.本实验选择不同的燃油添加剂；利用氧弹量热计测定燃油在不同添加剂存在下的燃烧热，了解和比较不同汽油添加剂对柴油燃烧效率与速率的影响以及添加剂的节能助燃效应。2.学习和掌握甲醛缓冲溶液吸收-盐酸副玫瑰苯胺分光光度法测定SO2气体的浓度以及盐酸萘乙二胺分光光度法测定NO2气体浓度的分析方法以及气相色谱测定方法,并应用于汽油燃烧后尾气成份的测定。3.通过物理化学实验基本技术-量热技术的使用与气体无机污染物的多种分析方法（包括分光光

2、度法和气相色谱法）的学习与应用使学生综合了解汽油添加剂在燃油助燃、消烟节能以及减少汽油尾气排放减少大气污染中所起的作用。关注社会、关注环境。实验背景：文献综述与总结：自从1951年Pauson等合成二茂铁以来,对二茂铁及其衍生物的研究方兴未艾1-5.其基团具有芳香性、氧化还原性、稳定性及低毒性,激发了化学家们的极大兴趣.此后,二茂铁化学发展迅速,二茂铁及其衍生物的合成、性质与结构的研究工作异常活跃,二茂铁衍生物、类似物新物种层出不穷,不断拓宽了金属有机化学研究的范畴,开辟了金属有机化学的一个新领域.二茂铁及其衍生物具有特殊的化学结构,使其在物理、化学方面具有一些独特的性质,在多个领域有着广泛的

3、用途1.二茂铁的应用已追及化学、化工、节能、环保、农业生产等各个方面，尤其是在然料的节能、环保方面，可作为航天工业及固、液、气体嫩料的节能、消烟添加剂广泛使用。按3-5的比例加到固体嫩料中，可节能10%一15%，消烟50%一78%。按1一3的比例加到液体燃料中。可节能7%一15%。消烟30% 70%2。将二茂铁及其衍生物添加到固体、液体或气体燃料中,能发挥其助燃、消烟和抗爆等作用,尤其是对燃烧时产生大量烟尘的烃类,效果更为显著。添加到火箭的固体燃料中,能促进燃料的充分燃烧和起到消烟作用。在柴油中加入0.1%(质量分数)的二茂铁,能起到消烟助燃作用,降低柴油发动机的排烟量和尾气中一氧化碳的含量,

4、可减轻排放气体对环境的污染,增强发动机的功率。二茂铁还能清除柴油机引擎燃烧室表面的沉积炭,并能沉积一层氧化铁膜,该膜能有效地防止炭粒子的重新沉积。将二茂铁及其衍生物添加到汽油中,可提高汽油的辛烷值并增强抗爆性能,添加到燃烧重油的锅炉中,减少生成烟尘的效果更为明显,既可提高燃油的燃烧效率,又可节约燃料油3，4。由于二茂铁及其衍生物具有广泛的用途,特别是在航天及军事工业上的应用,因而发达国家发展迅速。我国从20世纪60年代开始研制二茂铁,但生产和衍生物的开发应用方面均较落后,年产量约2kt ,而国内年需求量约为7. 5kt ,产不足需。随着二茂铁在石油、石油切割气、汽油、柴油等方面的应用,二茂铁的

5、特殊作用逐渐被国人所认识,其应用范围将越来越广。另外,随着我国石油化工的不断发展C5来源也不断增加,以环戊二烯为原料制备二茂铁,进而开发二茂铁及其衍生物的利用途径,对于合理利用石油化工的C5 资源具有一定的现实意义,同时也将推动金属有机化工产品在我国的开发和利用。因此二茂铁及其衍生物的生产和应用开发在国内将会有一个突破性进展,开发利用前景广阔5。二、实验部分1、实验原理：1.1燃烧热的测定原理 利用氧弹卡计测量荣油燃烧产生的热量.根据能量守恒定律，样品完全燃烧放出的热量促使卡计本身及其周围的介质(本实验用水)温度升高，测量介质然烧前后温度的变化，就可求算出该样品的恒容燃烧热，在量热计与环境没有

6、热交换情况下，其关系式为: Qp = Qv + n·R·T （1）m样Qv = W（卡计+水）·T m（点火丝）·Q（点火丝)（2）式中m样为样品的重量（克）； Qv为样品的恒容燃烧热（焦/克）； W（卡计+水）是指氧弹卡计和周围介质的热当量（焦/度），它表示卡计和水每升高一度所需要吸收的热量. W（卡计+水）=14543.35(J/k)(水3000ml) ； W（卡计+水）一般用经恒重的标准物如苯甲酸来标定，苯甲酸的恒容燃烧热为26459.6焦/克。T为燃烧前后温度的升高值。m（点火丝）为点火丝的重量， Q（点火丝）为点火丝（铁丝）的燃烧热，其值为66

7、94.4焦/克。在实验过程中热漏是无法完全避免的，因此，燃烧前后温度的变化值必须经过雷诺作图法或计算法校正。 氧弹量热装置1.2燃烧尾气的测定方法：1.气体采集方式：通过氧弹的排气装置将燃烧尾气灌入装有不同气体吸收液的多孔玻板吸收瓶中。2.利用吸收液与气体的显色反应,通过分光光度法测定所吸收气体含量.并用每克柴油放出的气体量衡量燃烧的完全程度。二氧化硫气体的测定-甲醛法：二氧化硫被甲醛缓冲溶液吸收后，生成稳定的羟基甲磺酸加成化合物，在样品溶液中加入氢氧化钠使加成化合物分解，释放出的二氧化硫与盐酸副玫瑰苯胺、甲醛作用，生成紫红色化合物，可在577nm处进行测定。此方法的主要干扰物尾氮氧化物，臭氧

8、和某些重金属，加入胺磺酸钠可消除氮氧化物干扰。采样后放置一段时间臭氧可自行分解，磷酸及环己二胺四乙酸二钠盐可消除或减少某些金属离子干扰。此方法适宜的浓度范围0.003-1.07mg/m 3 ,最低检出线0.2微克/10ml。二氧化氮气体的测定方法-盐酸萘乙二胺分光光度法： 空气中的二氧化氮与吸收液中的氨基磺酸钠进行重氮反应,再与N-(1-萘基)乙二胺盐酸作用,生成粉红色的偶氮染料,在波长540钠米处,测定吸光度。此方法的主要干扰物微臭氧.对二氧化氮的测定产生负干扰.,采样时可在吸收瓶入口处接一段15-20cm长的硅较管,即可将臭氧浓度将低到不干扰二氧化氮的测定水平。此方法的检出线0.12微克/

9、10ml,空气中二氧化氮的最低检出浓度为0.005mg/m3。1.3燃烧残渣重量与成分的测定： 燃烧后残渣的重量直接与燃烧的完全程度有关,实验中可称量不同燃烧条件下柴油燃烧后的残渣重量,比较柴油燃烧的完全程度。燃烧后的残渣可通过有机溶剂的溶解与提取后利用气相色谱法测定其中的多环芳烃的组成。(本次实验仅测定残渣重量)2、仪器与试剂：仪器：氧弹式量热装置 紫外分光光度计 数显温差测量仪 温度计 电子天平 万用电表 烧杯 量筒 比色管 移液管 容量瓶等玻璃仪器 多孔玻板吸收瓶药品：二茂铁（自制） 柴油 高压氧气瓶 二氧化硫标准吸收液 甲醛缓冲溶液吸收-盐酸副玫瑰苯胺(PRA) 0.06%胺磺酸钠 1

10、.5mol/L氢氧化钠 二氧化氮显色液 亚硝酸钠标准使用液3、实验步骤：3.1、氧弹量热计的使用与QV的测量 利用氧弹量热计测定样品的恒容燃烧热QV，以QV、T/W 、T/t作为柴油燃烧效率与燃烧速率的评价指标。量热计水当量值 (水:3000ml)：W（卡计+水）= 14541.35(J/k); Q铁丝=6694.4J/g 充氧压力：12atm，柴油质量小于1.3克,柴油可完全燃烧。1. 称取柴油0.5克,配制二茂铁(自合成)含量为0.0%; 1.0%; 的样品,测量燃烧反应温度随时间变化曲线,经雷诺作图法求取T;2.求取T/W; QV,并仔细观察坩埚灰渣情况和排出气体气味,称量灰渣重量。3.

11、通过燃烧反应曲线,从燃烧时温度上升的速率比较不同配比的柴油其燃烧速率的差异.求取T/t。3.3. 不完全燃烧条件下二茂铁对柴油燃烧燃值和燃烧速率的影响充氧压力：12atm，柴油质量大于1.3克,柴油不完全燃烧。1.称取柴油1.5克,配制二茂铁(自合成)含量为0.0%; 1.0%; 的样品,分别测量燃烧反应温度随时间变化曲线,经雷诺作图法求取T;计算求取T/W; QV,并仔细观察坩埚灰渣情况和排出气体气味,称量灰渣重量。2.通过燃烧反应曲线,从燃烧时温度上升的速率比较不同配比的柴油其燃烧速率的差异.求取T/t。3.4二氧化硫气体的测定实验步骤1.二氧化硫标准曲线的绘制(1) 取14支10ml具塞

12、比色管,分A、B两组分别对应编号,A组按下表配制标准系列 二氧化硫标准系列 (二氧化硫标准使用液1.0微克/毫升)管号 0 1 2 3 4 5 6二氧化硫标准液(ml) 0 0.50 1.00 2.00 5.00 8.00 10.00甲醛吸收液 10.00 9.50 9.00 8.00 5.00 2.00 0二氧化硫含量(微克) 0 0.50 1.00 2.00 5,00 8.00 10.00(2) B管组各管加入0.05%PRA使用液1ml,(3) A管组分别加入0.06%胺磺酸钠溶液0.5ml,1.5mol/L 氢氧化钠0.5ml,混匀。(4) 逐管迅速将溶液全部倒入对应编号并已装有PRA

13、使用液的B管中。立即具塞摇匀后显色。5分钟后以水为参比液在577nm处测定样品中二氧化硫含量。(5) 将扣除空白试样的吸光度与二氧化硫含量作图,可得二氧化硫标准曲线。2.样品测定将4.00ml甲醛缓冲液放入吸收瓶中,用于吸收氧弹中的燃烧尾气。然后将吸收瓶中的样品全部移入10ml比色管中,用少量甲醛缓冲液洗涤吸收管,倒入比色管中,并用吸收液稀释至5.0ml标线。加入0.060%胺磺酸钠0.5ml,摇匀。放置10分钟,除去氮氧化物干扰,加入1.50ml/L 氢氧化钠0.5ml,混匀。再将此管中溶液倒入已装入PRA使用液1ml的比色管中,具塞摇匀室温下显色5分钟后测定二氧化硫消光值，将样品消光值在二

14、氧化硫标准曲线上查得相应二氧化硫浓度及计算排放二氧化硫总量以每克柴油放出二氧化硫的微克数衡量燃烧的完全程度。3.5二氧化氮气体的测定方法-盐酸萘乙二胺分光光度法（1）标准曲线的绘制取六支10ml具塞比色管，按下表配置成亚硝酸钠标准系列 亚硝酸钠标准溶液(二氧化氮标准使用液2.5微克/毫升)管号 0 1 2 3 4 5亚硝酸钠标准液（ml） 0 0.40 0.80 1.20 1.60 2.00水(ml) 2.00 1.60 1.20 0.80 0.40 0显色液 (ml) 8.00 8.00 8.00 8.00 8.00 8.00亚硝酸浓度(微克/毫升) 0 0.10 0.20 0.30 0.4

15、0 0.50 2.各管混匀,于暗处放置20min(室温低于20时显色40min以上),用1cm比色皿,在波长540nm处以水微为比液测定吸光度。3.将扣除空白试样的吸光度与亚硝酸浓度作图,可得亚硝酸钠标准曲线。（2）样品测定将5.00ml二氧化氮显示液放入吸收瓶中,用于吸收氧弹中的燃烧尾气。然后将吸收瓶中的样品暗处放置20min(室温低于20时显色40min以上),用1cm比色皿,在波长540nm处以水微为比液测定吸光度，将样品消光值在二氧化硫标准曲线上查得相应二氧化硫浓度及计算排放二氧化硫总量以每克柴油放出二氧化硫的微克数衡量燃烧的完全程度。4、实验现象与结果:4.1实验现象：在完全燃烧条件

16、下，反应结束后坩埚内没有剩余，而在不完全燃烧条件下，反应结束后坩埚内有很多碳渣和柴油剩余，且还有红棕色的固体。表1. 不同配比的添加剂混合体系燃烧温度变化值t(0%)t(1%)不完全燃烧SO2t(0%)不完全燃烧NO2t(0%)不完全燃烧SO2t(1%)不完全燃烧NO2t(1%)29.23427.87228.32628.19428.92129.329.24227.87728.33828.20728.92529.31229.24427.8828.34228.21828.92529.31929.24627.88328.34328.22728.92429.32429.24627.88528.3442

17、8.23628.92529.32629.27127.88628.34428.24128.92429.32729.73827.91228.36128.24828.92329.32830.19328.37828.68428.25328.95229.32830.46228.81429.22728.30729.2729.38330.59129.01629.74228.62629.72729.84630.69429.16430.17529.1630.22830.52730.7629.26330.54829.61330.6831.05530.81729.33430.77929.95631.07131.47

18、630.85329.3930.93730.52931.34831.86230.88329.44731.05530.48631.56732.1330.90529.4731.12830.66231.74632.32130.92929.4931.1930.77831.87832.4630.94429.52231.23930.85831.98432.58730.96129.54331.27330.93132.06532.67730.97429.56331.29730.97832.12432.76430.98429.57631.31931.02232.17132.80830.99731.33831.05

19、132.20532.85131.00931.35131.07532.23532.88431.02131.36231.09832.25332.91231.03331.37131.11432.27332.93831.04431.38131.13132.28632.95731.05431.1432.969表2. 不同配比的添加剂混合体系序号 柴油(g) 添加剂(g) 铁丝（g) C渣(g) 铁丝残渣（g) 10.500900.010800.006320.50010.00480.010500.001631.501900.01040.52970.005841.503200.01060.54920.005

20、151.50260.01540.0110.2860.003661.50050.01560.01080.27850.0021表3.NO2吸光度管号浓度（mg/ml）吸光度123平均值00.00 0.040 0.040 0.039 0.040 10.10 0.146 0.146 0.146 0.146 20.20 0.212 0.212 0.211 0.212 30.30 0.326 0.326 0.325 0.326 40.40 0.399 0.399 0.399 0.399 50.50 0.501 0.502 0.502 0.502 表4.SO2吸光度管号浓度（mg/ml）吸光度123平均值0

21、0.00 0.081 0.081 0.081 0.081 10.50 0.114 0.114 0.114 0.114 21.00 0.123 0.124 0.124 0.124 32.00 0.201 0.202 0.202 0.202 45.00 0.269 0.269 0.269 0.269 58.00 0.408 0.409 0.407 0.408 610.00 0.420 0.420 0.419 0.420 三、结果与讨论3.1. 完全燃烧条件下二茂铁对柴油燃值以及燃烧速率的影响用图解法求出完全燃烧的条件下，不同种类的添加剂和柴油混合体系燃烧时引起卡计温度变化的差值，根据（2）式计算恒

22、容燃烧热Qv。计算不同添加剂和柴油混合体系的燃烧速率T/t及燃烧效率T/W。二茂铁不发生燃烧。表1为一定质量的柴油中加入不同质量的二茂铁所形成的添加剂混合体系完全燃烧时燃烧效率及燃烧速率。从实验结果可见在完全燃烧的条件下，不同配比（0%，1%）的二茂铁、柴油混合体系，每克柴油燃烧所引起热量Qv近乎相等，而且每克柴油燃烧所引起的温度的变化值T/W（K/g）近似不变，符合热力学原理。T/t（K/S）近似不变。表1：不同配比的添加剂混合体系完全燃烧时燃烧效率及燃烧速率柴油W（g） 添加剂（%） T（K） t（S） Qv（J/g） T/t（K/S） T/W （K/g）0.50090 1.632 270

23、 47324.24 0.0060 3.2581 0.5001 1% 1.571 270 45567.29 0.0058 3.1414 3.2. 不完全燃烧条件下二茂铁对柴油燃值以及燃烧速率的影响用图解法求出不完全燃烧的条件下，不同种类的添加剂和柴油混合体系燃烧时引起卡计温度变化的差值，根据（2）式计算恒容燃烧热Qv，计算不同种类的添加剂和柴油混合体系的燃烧速率T/t及燃烧效率T/W 。结果如下表2: 从实验结果可见，在不完全燃烧条件下，所放出的热量Qv都近乎相等。加入1%二茂铁的柴油体系的T/W（K/g）明显高于不加二茂铁添加剂的柴油体系，即每克柴油燃烧的效率高于不加二茂铁的柴油体系，相应碳渣

24、的排放量也少于不加二茂铁的柴油体系。加入1%二茂铁的柴油体系的T/t（K/S）大于加入0%二茂铁的柴油体系。可见二茂铁的加入可提高燃烧效率，减少尾气排放，减少环境污染，具有重要的环保意义。表2：不同种类的添加剂燃油体系不完全燃烧时燃烧效率及燃烧速率柴油（g）添加剂（%） T（K） t（S） Qv（J/g）T/t（K/S）T/W（K/g）1.5019_0_2.838 300 42422.6754 0.0095 1.8896 1.5032_0_2.653_300_40405.449 0.0088 1.76491.5026 1% 3.179 360 37961.4656 0.0088 2.11571

25、.5005_1% 3.467 390 41214.1794_ 0.0089_2.3106_3.3不同种类的添加剂和柴油混合体系不完全燃烧时尾气成分分析表3： 不同种类的添加剂和柴油混合体系不完全燃烧时尾气成分分析序号 柴油(g) 添加剂(g) 浓度(g/g) SO2(mg/ml) NO2(mg/ml) C渣(g) 1 0.5009 0.00 0%- 02 0.5001 0.0048 1% - - 0_ 3 1. 5019 0 0% 1.0833 - 0.52974 1.5032 0 0% - 0.08764 0.54925 1.5026 0.0154 1% 0.7672 - 0.2866 1.5005 0.0156 1% - 0.078843 0.2785_ 由实验结果可以看出，加入1%二茂铁的柴油体系不完全燃烧时所排放尾气中的SO2(mg/ml)和NO2(mg/ml)，均低于没有加入二茂铁的柴油体系不完全燃烧时排放尾气中的SO2(mg/ml)和NO2(mg/ml)。而且，加入1%二茂铁的柴油体系不完全燃烧时所剩余的碳渣和柴油的量远小于没有加入二茂铁的柴油体系，说明二茂铁作为添加剂，能够使柴油燃烧更加充分，起到助燃的作用；可以减少尾气排放量，减少环境污染，起到消烟的作用，具有重要的经济价值和环保意义。柴油