二茂鐵對(duì)柴油的助燃消煙作用與尾氣成份測(cè)定

1、1 華南師范大學(xué)實(shí)驗(yàn)報(bào)告 學(xué)生姓名： _ 學(xué) 號(hào)： _ 專(zhuān) 業(yè)： _ 班 級(jí)： _ 課程名稱(chēng)： 綜合化學(xué)實(shí)驗(yàn) 實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目: _ 實(shí)驗(yàn)時(shí)間：2017年3月24日 _ 實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)老師： _ 預(yù)習(xí)憑證嗎： _ 二茂鐵對(duì)柴油的助燃消煙作用與尾氣成份測(cè)定 一、 前言 【實(shí)驗(yàn)?zāi)康摹?(1) 了解二茂鐵的作用，特別是作為一種優(yōu)良的燃料助燃催化劑，有重要的經(jīng)濟(jì)價(jià)值和環(huán)保價(jià) 值； (2) 掌握利用氧彈卡計(jì)測(cè)量油品燃燒所產(chǎn)生的熱量和操作技術(shù)； (3) 學(xué)會(huì)評(píng)價(jià)二茂鐵對(duì)柴油的助燃和消煙作用。 【文獻(xiàn)綜述】 二茂鐵學(xué)名是二環(huán)戊二烯基鐵，化學(xué)性質(zhì)比較穩(wěn)定，其結(jié)構(gòu)中亞鐵處于激化狀態(tài)，具有多 種催化特性。隨著研究的深入，二茂鐵

2、及其衍生物的用途逐漸被認(rèn)識(shí)和開(kāi)發(fā)， 不同類(lèi)型的二茂 鐵衍生物具有不同的功能，歸納起來(lái)大概有以下四個(gè)方面：在功能材料方面 ，用于燃油添加 劑、作液晶材料、超導(dǎo)材料、穩(wěn)定劑等； 在生物學(xué)上用作人工抗體、抗癌活性藥物和細(xì)菌 活性藥物、生物酶電極及殺蟲(chóng)劑等；在分析化學(xué)上用作膜電極、滴定劑等；有機(jī)化學(xué)反應(yīng) 中作為不對(duì)稱(chēng)反應(yīng)的催化劑和有機(jī)合成的中間體等。 (1) 用于燃油添加劑 目前，二茂鐵最廣泛的一個(gè)應(yīng)用就是向柴油中加入一定量的二茂鐵， 能起到消煙助燃的作 用，進(jìn)而降低柴油發(fā)動(dòng)機(jī)的排煙量和尾氣中一氧化碳的含量， 減輕排放尾氣對(duì)環(huán)境的污染，增 強(qiáng)發(fā)動(dòng)機(jī)的功率。另外，二茂鐵還能夠清除柴油機(jī)引擎燃燒室表面的沉

3、積炭， 并能在其表面沉 積一層氧化鐵膜，有效地防止了炭粒子的重新沉積。將二茂鐵及其衍生物添加到汽油中，不僅 可提高汽油的辛烷值而且增強(qiáng)了抗爆性能，添加到燃燒重油的鍋爐中，減少生成煙塵的效果更 為明顯，既提高了燃油的燃燒效率，又可節(jié)約燃料油將二茂鐵衍生物添加到火箭燃料中，能促 進(jìn)燃料的充分燃燒并起到消煙作用。二茂鐵衍生物是目前使用最廣泛的火箭燃料催化劑之一。 此外,含氨基硅烷二茂鐵的硅烷聚合物可改2 善冷凍潤(rùn)滑劑的熱性能和水解性能。 （2）用于液晶材料 將含二茂鐵基的有機(jī)配合物用于液晶材料的研究開(kāi)始于上世紀(jì)七十年代。 1976年，Malthe 等合成了第一個(gè)過(guò)渡金屬有機(jī)液晶， 即含二茂鐵基的席夫

4、類(lèi)金屬有機(jī)配合物， 此類(lèi)化合物的液 晶態(tài)的分子接近晶相排列，從而為今后在這方面的研究奠定了基礎(chǔ)。 （3） 用于農(nóng)藥 二茂鐵衍生物可用作殺蟲(chóng)劑和殺菌劑。1976年Edward在青霉素和頭抱菌素上引入二茂鐵 ?；?，大大提高了其殺菌活性。苯甲?；F能有效地殺死微生物 ,（3,4- 二甲基）苯甲酰 基二茂鐵可用于殺滅黃瓜霉菌。 此外，含二茂鐵甲?；牧螂逖苌锞哂幸欢ǖ闹参锷L(zhǎng)調(diào)節(jié) 活性和殺菌活性。 （4） 催化方面的應(yīng)用 將二茂鐵和鉀吸附在活性炭上作為合成氨催化劑，可使合成氨反應(yīng)在緩和的條件下進(jìn)行， 二茂鐵的含 t 增加，催化的活性也隨之增加；在甲苯氯化反應(yīng)中，用二茂鐵作催化劑，可以增 加對(duì)抓

5、甲苯的產(chǎn)率； 在氣相制備碳纖維的過(guò)程中， 以二茂鐵作催化劑， 可以獲得高質(zhì)量的碳纖 維產(chǎn)品。 二、實(shí)驗(yàn)部分 【實(shí)驗(yàn)原理】 1 二茂鐵的助燃消煙機(jī)理 二茂鐵的助燃主要是利用二茂鐵在發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒室中燃燒時(shí)生成比表面很大的 Fe2O3 微粒， 提高燃燒速度， 改善了烴類(lèi)在燃燒室內(nèi)停留過(guò)秳中發(fā)生熱裂解或脫氫反應(yīng)的迚行過(guò)秳， 使燃料 充分燃燒。 進(jìn)入氣缸內(nèi)的二茂鐵衍生物受熱分解， 所生成的氧化鐵微粒能參不燃料烴類(lèi)的焰前 反應(yīng)，即不烴類(lèi)在氣相氧化過(guò)秳中產(chǎn)生自由基鏈?zhǔn)椒磻?yīng)； 產(chǎn)生活性中心作用， 使之變?yōu)榛钚院?小的氧化中間產(chǎn)物，導(dǎo)致過(guò)氧化物濃度降低，鏈的長(zhǎng)度和分支減少；釋放出能量的速度降低， 著火的誘導(dǎo)期延長(zhǎng)

6、， 燃料的抗爆性提高。 此過(guò)秳可使發(fā)動(dòng)機(jī)壓縮比提高， 達(dá)到節(jié)油不減少有害 氣體的產(chǎn)生的目的。 2 燃燒熱的測(cè)量原理 有機(jī)物的燃燒熱是指 1mol 有機(jī)物在一個(gè)大氣壓下完全燃燒所放出的熱量。 在恒容條件下 測(cè)得的燃燒熱稱(chēng)為恒容燃燒熱， 它等于這個(gè)燃燒反應(yīng)過(guò)秳中內(nèi)能變化。 在恒壓條件下測(cè)得的燃 燒熱成為恒壓燃燒熱， 它等于這個(gè)燃燒反應(yīng)過(guò)秳的焓變。 化學(xué)反應(yīng)熱效應(yīng)通常是通過(guò)恒壓熱效 應(yīng)表示，若參加燃燒反應(yīng)的是一個(gè)大氣壓下 1mol 有機(jī)物，則恒壓熱效應(yīng)即為該有機(jī)物的標(biāo)準(zhǔn) 燃燒熱。在實(shí)際測(cè)量中，燃燒反應(yīng)在恒容條件下迚行（如氧彈式卡熱計(jì)中迚行） ，這樣直接測(cè) 得的是反應(yīng)的恒容熱效應(yīng)。若把參加反應(yīng)的氣體不

7、生成的氣體作為理想氣體處理， 則存在下列 關(guān)系式： 3 （1） 測(cè)量的基本原理是能量守恒定理，樣品完全燃燒放出的熱量促使卡熱計(jì)本身及其周?chē)橘|(zhì) （本實(shí)驗(yàn)用水）溫度升高，測(cè)量介質(zhì)燃燒前后溫度的變化，就可求算出該樣品的恒容熱效應(yīng)， 在量熱計(jì)不環(huán)境沒(méi)有熱交換情冴下，其關(guān)系式為： 叫總=惴計(jì)十如x A7 一叫皿X。點(diǎn)火芻 m樣為樣品的重量（g）； Qv為樣品的恒容燃燒熱（J/g）； W卡十+ 水）是指氧彈卡計(jì)和周?chē)橘|(zhì) 的熱當(dāng)量（J/K），它表示卡計(jì)和水每升高一度所需要吸收的熱量， W卡計(jì)+水）=14543.35（ J/K） （水 3000ml）, VW計(jì)+水）一般用經(jīng)恒重的標(biāo)準(zhǔn)物如苯甲酸來(lái)標(biāo)定，苯甲

8、酸的恒容燃燒熱為26459.6J/g 。 T為燃燒前后溫度的升高值； m點(diǎn)火絲為點(diǎn)火絲的質(zhì)量；Q點(diǎn)火絲為點(diǎn)火絲的燃燒熱，其值為 6694.4J/g。在實(shí)驗(yàn)過(guò)秳中熱漏是無(wú)法完全避克的，因此，燃燒前后溫度的變化值必須經(jīng)過(guò)雷 諾作圖法或者計(jì)算法校正。 通過(guò)氧彈量熱裝置以及公式（2）式的計(jì)算，分別測(cè)量燃油和在油中加入添加劑后的燃油 的燃燒熱，即可研究添加劑對(duì)燃油燃燒速率的影響。通過(guò)氧彈量熱裝置以及公式（ 2）的計(jì)算, 分別測(cè)量燃油和在燃油中加入添加劑后的燃油的燃燒值， 即可研究添加劑對(duì)燃油燃燒效率燃燒 速率的影響。 3氧彈量熱計(jì)的使用與Qv的測(cè)量 利用氧彈量熱計(jì)測(cè)定樣品的恒容燃燒熱 Qv,以Qv、 T

9、/W、 T/ t作為柴油燃燒效率 不燃燒速率的評(píng)價(jià)指標(biāo)。 量熱計(jì)水當(dāng)量值（水:3000ml） : W（卡計(jì)+水）=14541.35（J/k）； Q 鐵絲=6694.4J/g 【實(shí)驗(yàn)儀器與試劑】 1實(shí)驗(yàn)儀器 氧彈式量熱裝置、紫外分光光度計(jì)、數(shù)顯溫差測(cè)量?jī)x、貝克曼溫度計(jì)、電子天平、萬(wàn)用電 表、燒杯、量筒、比色管、移液管、容量瓶、玻板吸收瓶 2實(shí)驗(yàn)試劑 二茂鐵、柴油、高壓氧氣瓶、二氧化硫標(biāo)準(zhǔn)吸收液（甲醛緩沖吸收液）、鹽酸副玫瑰苯胺 （PRA 0.05%、氨磺酸鈉0.06%、氫氧化鈉（1.5mol/L ）、二氧化氮顯色液、亞硝酸鈉標(biāo) 4 準(zhǔn)使用液（2.5卩g/mL）、二氧化硫標(biāo)準(zhǔn)使用液（1卩g/mL）

10、 【實(shí)驗(yàn)步驟】 1不完全燃燒條件下二茂鐵對(duì)柴油燃燒值和燃燒速率的影響及尾氣成分測(cè)定 充氧壓力：0.9atm , （1） 稱(chēng)取柴油1.0克,測(cè)量柴油燃燒前后溫度隨時(shí)間變化曲線(xiàn)，經(jīng)雷諾作圖法求取 T; （2） 通過(guò)分別計(jì)算柴油和添加了二茂鐵柴油的恒容燃燒值 Q、Q/g或厶T/g;并仔細(xì)觀 察坩堝灰渣情況和排出氣體氣味，稱(chēng)量灰渣重量. （3） 通過(guò)燃燒反應(yīng)曲線(xiàn)，燃燒時(shí)溫度上升的速率和 T,求取 T/ t.g比較不同配比的柴油 其燃燒速率的差異. （4） 分別測(cè)定柴油和添加了二茂鐵柴油燃燒后尾氣排放中二氧化硫和二氧化氮的含量 .以微 克（SO; NO） /g （柴油）表示測(cè)定結(jié)果。（二氧化硫和二氧化氮

11、需分別收集和測(cè)定） 2二氧化硫氣體的測(cè)定實(shí)驗(yàn)步驟 2.1.二氧化硫標(biāo)準(zhǔn)曲線(xiàn)的繪制 （1）取12支10 ml具塞比色管，分A、B兩組，分別對(duì)應(yīng)編號(hào),A組按下表配制標(biāo)準(zhǔn)系列 ? （二氧化硫標(biāo)準(zhǔn)系列（標(biāo)準(zhǔn)液濃度1.00微克/ml） 管號(hào) 0 1 2 3 4 5 二氧化硫標(biāo)準(zhǔn)液（ml） 0 0.50 1.00 2.00 5.00 8.00 二氧化硫吸收液（甲醛吸收液） 10.00 9.50 9.00 8.00 5.00 2.00 二氧化硫含量（微克） 0 0.50 1.00 2.00 5.00 8.00 二氧化硫含量（微克/毫升） 0 1 0.05 0.10 0.20 0.50 0.80 5 B管組各

12、管中分別加入0.05% PRA（鹽酸副玫瑰苯胺，顯色劑）使用液1ml, A管組分別加入0.06%胺磺酸鈉溶液0.5ml （用于屏蔽溶液中氮氧化物對(duì)測(cè) 定的干擾），1.5mol/L氫氧化鈉0.5ml,混勻. （4） 迅速分別將A組管中溶液全部倒入對(duì)應(yīng)編號(hào)并已裝有 PRA使用液的B管中.立即具塞搖勻 后顯色，5分鐘后，以水為參比溶液，在 577nm處測(cè)定樣品中二氧化硫含量. （5） 將扣除空白試樣的吸光度與二氧化硫含量作圖，可得二氧化硫標(biāo)準(zhǔn)曲線(xiàn). 2.2樣品測(cè)定 將4.00ml二氧化硫吸收液（甲醛吸收液） 放入吸收瓶中，用于吸收氧彈中 的燃燒尾氣.然后將吸收瓶中的樣品全部移入10ml比色管中，用少

13、量二氧化硫吸 收液（甲醛吸收液）洗滌吸收管，倒入比色管中，并用吸收液稀釋至5.0ml標(biāo)線(xiàn). 加入0.060%胺磺酸鈉0.5ml,搖勻.放置10分鐘，以除去氮氧化物干擾，加入 1.50ml/mol氫氧化鈉0.5ml,混勻.再將此管中溶液倒入已裝入 PRA使用液1ml的比色管中，具 塞搖勻，室溫下顯色5分鐘，在577nm處測(cè)定所測(cè)樣品消光值。 根據(jù)消光值通過(guò)二氧化硫標(biāo)準(zhǔn)曲線(xiàn)查得相應(yīng)二氧化硫濃度，根據(jù)所測(cè)樣品總體積計(jì)算排放 的二氧化硫總量，以每克柴油放出二氧化硫的微克數(shù)衡量燃燒尾氣中二氧化硫的排放量。 3二氧化氮?dú)怏w的測(cè)定方法鹽酸萘乙二胺分光光度法 3.1 .二氧化氮標(biāo)準(zhǔn)曲線(xiàn)的繪制 （1）取六支10

14、ml具塞比色管，按下表配置成亞硝酸鈉標(biāo)準(zhǔn)溶液系列 亞硝酸鈉標(biāo)準(zhǔn)溶液（標(biāo)準(zhǔn)液濃度2.5微克/毫升） 管號(hào) 0 1 2 3 4 5 亞硝酸鈉標(biāo)準(zhǔn)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 顯二氧化氮色液（ml） 8.00 8.00 8.00 8.00 8.00 8.00 亞硝酸濃度（微克/毫升） 0 0.10 0.20 0.30 0.40 0.50 （2） 將各管混合均勻，置于暗處中放置20min（室溫低于20C時(shí)顯色40min以上）后，用1cm比 色皿，在波長(zhǎng)540nm處，以水為參比液，測(cè)定其吸光度. 二氧化

15、硫含量（微克/毫升） 0 1 0.05 0.10 0.20 0.50 0.80 6 （3） 將扣除空白試樣的吸光度與亞硝酸濃度作圖，可得亞硝酸鈉標(biāo)準(zhǔn)曲線(xiàn). 3.2樣品測(cè)定7 將5.00ml二氧化氮顯示液放入吸收瓶中，用于吸收氧彈中的燃燒尾氣.然 后將吸收瓶中的樣品暗處放置 20min（室溫低于20C時(shí)顯色40min以上）,用1cm比色皿,在波長(zhǎng) 540nm處，以水為參比液，測(cè)定其吸光度，將所測(cè)消光值在二氧化氮標(biāo)準(zhǔn)曲線(xiàn)上查得相應(yīng)二氧 化氮濃度，根據(jù)所測(cè)樣品總體積計(jì)算排放二氧化氮的總量， 以每克柴油放出二氧化氮的微克數(shù) 衡量尾氣中二氧化氮的排放量。 三、實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象與討論 用圖解法求出燃燒的條件下，不

16、同種類(lèi)的添加劑和柴油混合體系燃燒時(shí)引起卡計(jì)溫度變化 的差值，根據(jù)（2）式計(jì)算恒容燃燒熱Qv，并計(jì)算每克柴油燃燒所引起的溫度變化值 T/W和 每分鐘柴油燃燒所引起的溫度變化值厶 T/ t。以每克柴油燃燒所引起的溫度變化值厶 T/W衡 量柴油的燃燒效率，以每分鐘柴油燃燒所引起的溫度變化值 T/ t衡量柴油的燃燒速率 1實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象 2恒容燃燒熱、燃燒效率、燃燒速率 （1）實(shí)驗(yàn)1:不加二茂鐵一不完全燃燒條件下柴油的燃燒情況（測(cè) NO含量）： 柴油/g 殘?jiān)?g 燃燒前鐵絲質(zhì)量/g 燃燒后鐵絲質(zhì)量/g 1.0032 0.1092 0.1092 0.0106 表1 （實(shí)驗(yàn)1）不加二茂鐵一不完全燃燒條件下柴油

17、燃燒熱數(shù)據(jù) 點(diǎn)火前 點(diǎn)火后 實(shí)驗(yàn)后期 時(shí)間/min 溫度/ C 時(shí)間/min 溫度/ C 時(shí)間/min 溫度/ C 時(shí)間/min 溫度/ C 0.5 24.366 4.5 26.132 8.5 26.73 12.5 26.814 8 1.0 24.367 5.0 26.318 9.0 26.749 13.0 26.815 1.5 24.342 5.5 26.403 9.5 26.764 13.5 26.816 2.0 24.342 6.0 26.522 10.0 26.775 14.0 26.816 2.5 24.346 6.5 26.594 10.5 26.799 14.5 26.816 3

18、.0 24.346 7.0 26.651 11.0 26.807 15.0 26.816 3.5 25.065 7.5 26.683 11.5 26.81 15.5 26.815 4.0 25.771 8.0 26.705 12.0 26.812 16.0 26.815 （2）實(shí)驗(yàn)2:添加二茂鐵一不完全燃燒條件下柴油的燃燒情況（測(cè) NO含量）： 柴油/ g 殘?jiān)?g 燃燒前鐵絲質(zhì)量/g 燃燒后鐵絲質(zhì)量/g 1.0042 0.0372 0.0145 0.0072 表2 （實(shí)驗(yàn)2）添加二茂鐵一不完全燃燒條件下柴油燃燒熱數(shù)據(jù) 點(diǎn)火前 點(diǎn)火后 實(shí)驗(yàn)后期 時(shí)間/min 溫度/ r 時(shí)間/min 溫度/

19、r 時(shí)間/min 溫度/ r 時(shí)間/min 溫度/ r 0.5 23.851 5.5 25.916 10.5 26.377 15.5 26.412 1.0 23.851 6.0 26.045 11.0 26.385 16.0 26.411 1.5 23.853 6.5 26.134 11.5 26.392 16.5 26.411 2.0 23.854 7.0 26.196 12.0 26.397 17 26.41 2.5 23.855 7.5 26.245 12.5 26.401 17.5 26.41 3.0 23.855 8.0 26.283 13.0 26.405 18 26.409 3.

20、5 23.881 8.5 26.311 13.5 26.407 18.5 26.408 4.0 24.533 9.0 26.332 14.0 26.409 19 26.407 4.5 25.335 9.5 26.35 14.5 26.41 19.5 26.405 5.0 25.709 10.0 26.364 15.0 26.411 20 26.404 9 圖1柴油燃燒實(shí)驗(yàn)雷諾溫度校正圖（測(cè)定 NO）10 （3）實(shí)驗(yàn)3:不加二茂鐵一不完全燃燒條件下柴油的燃燒情況（測(cè) SO含量）： 柴油/ g 殘?jiān)?g 燃燒前鐵絲質(zhì)量/g 燃燒后鐵絲質(zhì)量/g 1.1931 0.1969 0.0115g 0.008

21、1g 表3 （實(shí)驗(yàn)3）不加二茂鐵一不完全燃燒條件下柴油燃燒熱數(shù)據(jù) 點(diǎn)火前 點(diǎn)火后 實(shí)驗(yàn)后期 時(shí)間/min 溫度/ r 時(shí)間/min 溫度/ r 時(shí)間/min 溫度/ r 時(shí)間/min 溫度/ r 0.5 24.877 4.5 25.868 8.5 27.14 12.5 27.225 1.0 24.88 5.0 26.593 9.0 27.177 13.0 27.227 1.5 24.876 5.5 26.764 9.5 27.191 13.5 27.23 2.0 24.878 6.0 26.885 10.0 27.199 14.0 27.231 2.5 24.879 6.5 26.967 10

22、.5 27.207 14.5 27.231 3.0 24.877 7.0 27.028 11.0 27.213 15.0 27.231 3.5 24.881 7.5 27.079 11.5 27.219 15.5 27.23 4.0 25.338 8.0 27.116 12.0 27.223 16.0 27.228 11 （4）實(shí)驗(yàn)4:添加0.0125g二茂鐵一不完全燃燒條件下柴油的燃燒情況（測(cè) SO含量）： 柴油/ g 殘?jiān)?g 燃燒前鐵絲質(zhì)量/g 燃燒后鐵絲質(zhì)量/g 1.2207 0.077 0.0112 0.0066g 表4 （實(shí)驗(yàn)4）添加二茂鐵一不完全燃燒條件下柴油燃燒熱數(shù)據(jù) 點(diǎn)火前

23、點(diǎn)火后 實(shí)驗(yàn)后期 時(shí)間/min 溫度/ r 時(shí)間/min 溫度/ r 時(shí)間/min 溫度/ r 時(shí)間/min 溫度/ r 0.5 25.618 4.5 26.944 8.5 27.428 12.5 27.493 1.0 25.615 5.0 27.095 9.0 27.442 13.0 27.496 1.5 25.616 5.5 27.204 9.5 27.455 13.5 27.498 2.0 25.618 6.0 27.274 10.0 27.468 14.0 27.499 2.5 25.618 6.5 27.319 10.5 27.476 14.5 27.501 3.0 25.68 7.

24、0 27.355 11.0 27.482 15.0 27.501 3.5 26.262 7.5 27.384 11.5 27.487 15.5 27.501 4.0 26.727 8.0 27.408 12.0 27.491 12 2.1結(jié)果與討論 項(xiàng)目 m殘?jiān)?m樣品*100% (g) Q (J/g) T/m (K/g) T/ t (K/min) 實(shí)驗(yàn)一 10.88% 35695.57 2.456 0.2464 實(shí)驗(yàn)二 3.71% 37035.98 2.550 0.2561 實(shí)驗(yàn)三 19.60% 26886.41 1.851 0.1860 實(shí)驗(yàn)四 7.66% 33407.05 2.300 0.2102 13 3二氧化氮測(cè)定實(shí)驗(yàn) 3.1 NO2標(biāo)準(zhǔn)曲線(xiàn)的繪制 表5亞硝酸鈉標(biāo)準(zhǔn)溶液吸光度 NO2 含量（ug/mL ） 0 0.10 0.20 0. 30 0.40 0.50 吸光度A 0.010 0.092 0.188 0.288 0.386 0.479 扣除空白后吸光度 0 0.082 0.178 0.278 0.376 0.46