二茂鐵對柴油的助燃消煙作用與尾氣成份測定

1、題目: 二茂鐵對柴油的助燃消煙作用與尾氣成份測定姓名 :姚寶蘭單位 :化學(xué)與環(huán)境學(xué)院 04級化教2班密碼 :27195學(xué)號 :200424010141 前言1.1 實驗?zāi)康?) 本實驗選擇不同的燃油添加劑；利用氧彈量熱計測定燃油在不同添加劑存在下的燃燒熱，了解和比較不同汽油添加劑對柴油燃燒效率與速率的影響以及添加劑的節(jié)能助燃效應(yīng)。2) 學(xué)習(xí)和掌握甲醛緩沖溶液吸收-鹽酸副玫瑰苯胺分光光度法測定SO2氣體的濃度以及鹽酸萘乙二胺分光光度法測定NO2氣體濃度的分析方法以及氣相色譜測定方法,并應(yīng)用于汽油燃燒后尾氣成份的測定。3) 通過物理化學(xué)實驗基本技術(shù)-量熱技術(shù)的使用與氣體無機(jī)污染物的多種分析方法（包

2、括分光光度法和氣相色譜法）的學(xué)習(xí)與應(yīng)用使學(xué)生綜合了解汽油添加劑在燃油助燃、消煙節(jié)能以及減少汽油尾氣排放減少大氣污染中所起的作用。關(guān)注社會、關(guān)注環(huán)境。1.2 實驗意義柴油機(jī)的應(yīng)用越來越廣泛,為了節(jié)省資源,改善燃油的性能,保護(hù)環(huán)境,在柴油中加入二茂鐵,可節(jié)約燃油10-14%,車速增加10-13%,尾氣中煙度下降30-80%,具有重要的經(jīng)濟(jì)價值和環(huán)保價值.因此此次實驗對柴油的助燃和消煙作用具有重大經(jīng)濟(jì)和環(huán)保意義.1.3 文獻(xiàn)綜述我國車輛尾氣排放中有害物含量高于工業(yè)發(fā)達(dá)國家.據(jù)統(tǒng)計,大氣污染物中的60%-70%是車輛排放的有害物質(zhì).因此對能源的有效利用與對燃油燃燒尾氣成份的測定與技術(shù)處理方法是當(dāng)今社會

3、倍受關(guān)注的能源和環(huán)境的兩大熱點問題.柴油機(jī)的排放物是由燃燒產(chǎn)物和過?？諝饨M成的。排放物中除了 N ,O ,CO ,H 和水蒸氣等無害外 ,其余均為有害成分 ,主要是 NOx,各種 CH 化合物 ,CO ,SO 和微粒等。CO和 SO 會使人中毒、窒息;NOx和 CH化合物經(jīng)光照而生成化學(xué)煙霧 ,使動物受害 ,植物枯死并使橡膠破裂;微粒懸浮在空氣中 ,易被人體吸收而構(gòu)成傷害?？諝馕廴镜奈：V泛而深遠(yuǎn) ,已嚴(yán)重威脅著人類的生存與發(fā)展。二茂鐵由于新奇的分子結(jié)構(gòu)及其突出的芳香性, 用作節(jié)能消煙,助燃添加劑.添加劑最明顯作用試使柴油迅速地,完全地燃燒,從而降低油耗.二茂鐵提高燃燒度地作用機(jī)理是在燃燒中金

4、屬地陽離子能有效地降低燃油分子C-H鍵地活化能,同時充當(dāng)催化活性地載體,向烴,碳,一氧化碳傳遞氧,促進(jìn)了燃油分子地擴(kuò)散與氧化,從而提高燃油的速度.一些有機(jī)化合物入乳酸化合物對燃燒的促進(jìn)作用也比較顯著,作用機(jī)理是在燃燒室內(nèi)高溫分解醛類,醇類等產(chǎn)物,醛類進(jìn)而分解產(chǎn)生更多的自由基.碳煙是不可避免的燃燒產(chǎn)物,限制了柴油機(jī)的最大功率,并加劇了大氣污染,因而現(xiàn)在引起了人們的重視.最近有研究表明,以金屬元素為主要成分的添加劑對于在更低排放范圍內(nèi)存在一個濃度極限,當(dāng)添加劑的濃度超過這個極限,添加劑對減少顆粒排放的作用是有害而無益的.2 實驗部分2.1 實驗原理 燃燒熱的測量原理: 有機(jī)物的燃燒熱是指1摩爾有機(jī)

5、物在一個大氣壓下完全燃燒所放出的熱量?；瘜W(xué)反應(yīng)熱效應(yīng)通常是用恒壓熱效應(yīng)表示，若參加燃燒反應(yīng)的是一個大氣壓下1摩爾有機(jī)物，則恒壓熱效應(yīng)即為該有機(jī)物的標(biāo)準(zhǔn)燃燒熱.彈式量熱計直接測得的是反應(yīng)的恒容熱效應(yīng)。 若把參加反應(yīng)的氣體與生成的氣體作為理想氣體處理，則存在下列關(guān)系式： Qp=Qv+n·R·T （1） m樣Qv = W（卡計+水）·T m（點火絲）·Q（點火絲)（2）W（卡計+水）是指氧彈卡計和周圍介質(zhì)的熱當(dāng)量（焦/度），它表示卡計和水每升高一度所需要吸收的熱量. W（卡計+水）=14543.35(J/k)(水3000ml) 在實驗過程中熱漏是無法完全避免的

6、，因此，燃燒前后溫度的變化值必須經(jīng)過雷諾作圖法或計算法校正。 通過氧彈量熱裝置以及公式（2）式的計算，分別測量燃油和在燃油油中加入添加劑后的燃油的燃燒熱，即可研究添加劑對燃油燃燒效率燃燒速率的影響。本實驗以T/W(單位重量柴油燃燒引起溫度變化值)研究添加劑對柴油燃燒效率的影響規(guī)律.以T/t(即單位時間溫度隨時間的變化率),即可研究二茂鐵對柴油燃燒速率的影響.尾氣的測定方法1.氣體采集方式通過氧彈的排氣裝置將燃燒尾氣灌入裝有不同氣體吸收液的多孔玻板吸收瓶中.2.利用吸收液與氣體的顯色反應(yīng),通過分光光度法測定所吸收氣體含量.并用每克柴油放出的氣體量衡量燃燒的完全程度.3.二氧化硫氣體的測定 -甲醛

7、法二氧化硫被甲醛緩沖溶液吸收后，生成穩(wěn)定的羥基甲磺酸加成化合物，在樣品溶液中加入氫氧化鈉使加成化合物分解，釋放出的二氧化硫與鹽酸副玫瑰苯胺、甲醛作用，生成紫紅色化合物，可在577nm處進(jìn)行測定.此方法的主要干擾物尾氮氧化物，臭氧和某些重金屬，加入胺磺酸鈉可消除氮氧化物干擾。采樣后放置一段時間臭氧可自行分解，磷酸及環(huán)己二胺四乙酸二鈉鹽可消除或減少某些金屬離子干擾。此方法適宜的濃度范圍0.003-1.07mg/m3 ,最低檢出線0.2微克/10ml.4.二氧化氮氣體的測定方法-鹽酸萘乙二胺分光光度法空氣中的二氧化氮與吸收液中的氨基磺酸鈉進(jìn)行重氮反應(yīng),再與N-(1-萘基)乙二胺鹽酸作用,生成粉紅色的

8、偶氮染料,在波長540鈉米處,測定吸光度.此方法的主要干擾物微臭氧.對二氧化氮的測定產(chǎn)生負(fù)干擾.,采樣時可在吸收瓶入口處接一段15-20cm長的硅較管,即可將臭氧濃度將低到不干擾二氧化氮的測定水平.此方法的檢出線0.12微克/10ml,空氣中二氧化氮的最低檢出濃度為0.005mg/m3 燃燒殘渣重量的測定燃燒后殘渣的重量直接與燃燒的完全程度有關(guān),實驗中可稱量不同燃燒條件下柴油燃燒后的殘渣重量,比較柴油燃燒的完全程度2.2 儀器與試劑 儀器： 氧彈式量熱裝置 紫外分光光度計 數(shù)顯溫差測量儀 溫度計 電子天平 萬用電表 燒杯 量筒 比色管 移液管 容量瓶等玻璃儀器 多孔玻板吸收瓶高壓氧氣瓶 藥品：

9、 二茂鐵 柴油 二氧化硫標(biāo)準(zhǔn)吸收液 甲醛緩沖溶液吸收-鹽酸副玫瑰苯胺(PRA) 0.06%胺磺酸鈉 1.5mol/L氫氧化鈉二氧化氮顯色液 亞硝酸鈉標(biāo)準(zhǔn)使用液 2.3 實驗步驟 完全燃燒條件下,二茂鐵添加劑對燃油燃燒效率與燃燒速率的影響 在0.5000克的柴油中加入二茂鐵添加試劑，分別形成0%、1.0%兩種配比的添加劑和柴油的混合體系，用于柴油燃燒熱的測定，研究在完全燃燒的條件下且柴油重量相同的條件下,不同添加劑對燒速率與燃燒效率的影響。充氧：將已知重量的不同配比的二茂鐵柴油混合體系分別放在坩堝中，將鐵絲綁在兩根電極上，并將鐵絲浸到柴油中。先充氧排除氧彈內(nèi)的空氣，再將氧彈內(nèi)的氧氣壓力沖至1.2

10、Mpa。燃燒溫度的測量：量取自來水3000ml，倒入卡計內(nèi)桶中,測其水溫，將數(shù)顯溫差測定儀熱敏電極置入內(nèi)桶,開動攪拌裝置,測定約6-8個前期溫度 ,點火開關(guān)，稍刻溫度迅速上升每隔1分鐘記錄溫度變化.利用雷若作圖法得出準(zhǔn)確得T值.實驗后處理：稱量燃燒后剩下鐵絲的質(zhì)量 不完全燃燒條件下,二茂鐵添加劑對燃油燃燒效率與燃燒速率的影響 在1.5000克的柴油中加入二茂鐵添加試劑，分別形成0%、1.0%兩種配比的添加劑和柴油的混合體系,用于柴油燃燒熱的測定，研究在完全燃燒的條件下且柴油重量相同的條件下,不同添加劑對燒速率與燃燒效率的影響。分別測定0%、1.0%兩種配比的二茂鐵添加劑和柴油的混合體系燃燒后尾

11、氣中二氧化硫和二氧化氮的含量操作與上述相同實驗后處理：稱量燃燒后剩下鐵絲的質(zhì)量，并用多孔玻板吸收瓶收集廢氣，用于燃燒尾氣的定性和定量測定。殘渣重量的測定二氧化硫氣體的測定1.二氧化硫標(biāo)準(zhǔn)曲線的繪制(1) 取14支10ml具塞比色管,分AB兩組,分別對應(yīng)編號,A組按下表配制標(biāo)準(zhǔn)系列 二氧化硫標(biāo)準(zhǔn)系列 管號 0 1 2 3 4 5 6 SO2(ml) 0 0.50 1.00 2.00 5.00 8.00 10.00 甲醛溶10.00 9.50 9.00 8.00 5.00 2.00 0 SO2(微克) 0 0.50 1.00 2.00 5,00 8.00 10.002.B管組各管加入0.05%PR

12、A使用液1ml,氧化硫含量.4.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.2. 樣品測定將4.00ml二氧化硫吸收液放入吸收瓶中,用于吸收氧彈中的燃燒尾氣.將吸收瓶中的液體全部移入將樣品消光值在二氧化硫標(biāo)準(zhǔn)曲線上查得相應(yīng)二氧化硫濃度及計算排放二氧化硫總量以每克柴油放出二氧化硫的微克數(shù)衡量燃燒的完全程度. 二氧化氮氣體的測定 1.標(biāo)準(zhǔn)曲線的繪制1)取六支10ml具塞比色管，按下表配置成亞硝酸鈉標(biāo)準(zhǔn)系列亞硝酸鈉標(biāo)準(zhǔn)溶液管號 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.

13、40 0顯色液 (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 1) 各管混勻,于暗處放置20min(室溫低于20時顯色40min以上),用1cm比色皿,在波長540nm處以水微為比液測定吸光度.2) 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 2.樣品測定將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.將吸收瓶中的樣品暗處放置20min(室溫低于20時顯色40min以上),用1cm比色皿,在波長540nm處以水為參比液測定吸光度.將樣品消光值在二氧化硫標(biāo)準(zhǔn)曲

14、線上查得相應(yīng)二氧化硫濃度及計算排放二氧化硫總量.以每克柴油放出二氧化硫的微克數(shù)衡量燃燒的完全程度. 3. 實驗結(jié)果 3.1實驗記錄1. 用圖解法求出完全燃燒的條件下，不同種類的添加劑和柴油混合體系燃燒時引起卡計溫度變化的差值，根據(jù)（2）式計算恒容燃燒熱Qv，。計算不同添加劑和柴油混合體系的燃燒速率T/t及燃燒效率T/W。a.T=1.534K m樣=0.5038g W（卡計+水）=14543.35(J/k) m(點火絲)=0.0054g Q(點火絲)=6694.4(J/K)代入1式得m樣Qv = W（卡計+水）·T m（點火絲）·Q（點火絲) -1Qv=44.21(KJ/K)

15、燃燒效率T/W=1.534/0.5038=3.0449(K/g)燃燒速率T/t=1.534/5.5=0.279(K/min)b.T=1.550K m樣=0.5090g W（卡計+水）=14543.35(J/k) m(點火絲)=0.0072g Q(點火絲)=6694.4(J/K)代入1式得m樣Qv = W（卡計+水）·T m（點火絲）·Q（點火絲) -1Qv=44.19(KJ/K)燃燒效率T/W=1.550/0.5090=3.0445(K/g)燃燒速率T/t=1.550/5.0=0.310(K/min)根據(jù)上述數(shù)據(jù)制成表格柴油（g） 添加劑（g）T（K）t（min） Qv（J

16、/mol）T/t（K/S） T/W（K/g）0.5038 0 1.534 5 44.21 0.279 3.04490.5090 0.0056 1.550 5.5 44.19 0.310 3.0445表1：不同質(zhì)量的添加劑混合體系完全燃燒時燃燒效率及燃燒速率2.用圖解法求出不完全燃燒的條件下，不同種類的添加劑和柴油混合體系燃燒時引起卡計溫度變化的差值，根據(jù)（2）式計算恒容燃燒熱Qv，計算不同種類的添加劑和柴油混合體系的燃燒速率T/t及燃燒效率T/W a .T=1.441K m樣=1.5085g W（卡計+水）=14543.35(J/k) m(點火絲)=0.0068g Q(點火絲)=6694.4(

17、J/K)代入1式得m樣Qv = W（卡計+水）·T m（點火絲）·Q（點火絲) -1Qv=13.86(KJ/K)燃燒效率T/W=1.441/1.5085=0.955(K/g)燃燒速率T/t=1.441/5.0=0.288(K/min)剩余碳渣m=0.2768gb.T=2.902K m樣=1.5090g W（卡計+水）=14543.35(J/k) m(點火絲)=0.0076g Q(點火絲)=6694.4(J/K)代入1式得m樣Qv = W（卡計+水）·T m（點火絲）·Q（點火絲) -1Qv=27.94(KJ/K)燃燒效率T/W=2.902/1.5090=

18、1.923(K/g)燃燒速率T/t=2.902/7.0=0.415(K/min)剩余碳渣m=0.3225gc.T=3.059K m樣=1.5055g W（卡計+水）=14543.35(J/k) m(點火絲)=0.0014g Q(點火絲)=6694.4(J/K)代入1式得m樣Qv = W（卡計+水）·T m（點火絲）·Q（點火絲) -1Qv=29.54(KJ/K)燃燒效率T/W=3.059/1.5055=2.032(K/g)燃燒速率T/t=3.059/6.0=0.510(K/min)剩余碳渣m=0.1990gd.T=2.993K m樣=1.4964g W（卡計+水）=1454

19、3.35(J/k) m(點火絲)=0.0018g Q(點火絲)=6694.4(J/K)代入1式得m樣Qv = W（卡計+水）·T m（點火絲）·Q（點火絲) -1Qv=29.08(KJ/K)燃燒效率T/W=2.993/1.4964=2.000(K/g)燃燒速率T/t=2.993/6.0=0.499(K/min)剩余碳渣m=0.228g根據(jù)以上數(shù)據(jù)制成下表序號柴油（g）添加劑（g） T（K） t（min） Qv（kJ/g） T/t（K/min） T/W（K/g）碳渣(g)1 1.5085 0 1.441 5 13.86 0.288 0.955 0.27682 1.5090 0

20、 2.902 7 27.94 0.415 1.923 0.32253 1.5055 0.0159 3.059 6 29.54 0.510 2.032 0.19904 1.4964 0.0145 2.993 6 29.08 0.499 2.000 0.2280表2：不同質(zhì)量的添加劑燃油體系不完全燃燒時燃燒效率及燃燒速率及碳渣的重量3.2二氧化氮標(biāo)準(zhǔn)曲線圖與二氧化硫的標(biāo)準(zhǔn)曲線圖表3： 不同質(zhì)量的添加劑和柴油混合體系不完全燃燒時尾氣成分分析序號柴油(g)添加劑(g)SO2(mol/g)NO2(mol/gC渣(g)11.50850.003.144-0.276821.50900.00-0.3240.322531.50550.015911.975-0.199041.49640.0145-0.0540.2280SO2含量降低37.19%,NO2含量降低83.24%3.4 實驗現(xiàn)象與實驗結(jié)果討論1. 由表一我們可以看出,在完全燃燒的情況下,加入二茂鐵與未加入二茂鐵所放出的熱量是幾乎相同的,燃燒效率也差不多,所不同的是燃燒速率 .加入二茂鐵后,反應(yīng)速率加快.從而說明二茂鐵作為添加劑對柴