二茂鐵對柴油的助燃消煙作用與尾氣成份測定

1、華南師范大學實驗報告學生姓名： 學 號： 專 業(yè)： 化學（師范） 班 級: 課程名稱： 綜合化學實驗 實驗項目： 實驗時間：2017年3月24日 實驗指導老師： 預習憑證嗎： 二茂鐵對柴油的助燃消煙作用與尾氣成份測定一、 前言 【實驗目的】(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)濟價值和環(huán)保價值；(2)掌握利用氧彈卡計測量油品燃燒所產生的熱量和操作技術；(3)學會評價二茂鐵對柴油的助燃和消煙作用?！疚墨I綜述】二茂鐵學名是二環(huán)戊二烯基鐵，化學性質比較穩(wěn)定，其結構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，二茂鐵及其衍生物的用途逐漸被認識和開發(fā)，不同類型的二

2、茂鐵衍生物具有不同的功能，歸納起來大概有以下四個方面：在功能材料方面,用于燃油添加劑、作液晶材料、超導材料、穩(wěn)定劑等； 在生物學上用作人工抗體、抗癌活性藥物和細菌活性藥物、生物酶電極及殺蟲劑等；在分析化學上用作膜電極、滴定劑等；有機化學反應中作為不對稱反應的催化劑和有機合成的中間體等。（1）用于燃油添加劑目前，二茂鐵最廣泛的一個應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，進而降低柴油發(fā)動機的排煙量和尾氣中一氧化碳的含量，減輕排放尾氣對環(huán)境的污染，增強發(fā)動機的功率。另外，二茂鐵還能夠清除柴油機引擎燃燒室表面的沉積炭，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

3、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善冷凍潤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配合物用于液晶材料的研究開始于上世紀七十年代。1976年，Malthe等合成了第一個過渡金屬有機液晶，即含二茂鐵基的席夫類金屬有機配合物，此類化合物的液晶態(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。（3

4、）用于農藥二茂鐵衍生物可用作殺蟲劑和殺菌劑。1976年Edward在青霉素和頭孢菌素上引入二茂鐵酰基后，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，含二茂鐵甲酰基的硫脲衍生物具有一定的植物生長調節(jié)活性和殺菌活性。（4）催化方面的應用將二茂鐵和鉀吸附在活性炭上作為合成氨催化劑，可使合成氨反應在緩和的條件下進行，二茂鐵的含t增加，催化的活性也隨之增加；在甲苯氯化反應中，用二茂鐵作催化劑，可以增加對抓甲苯的產率；在氣相制備碳纖維的過程中，以二茂鐵作催化劑，可以獲得高質量的碳纖維產品。二、實驗部分【實驗原理】1二茂鐵的助燃消煙機理二

5、茂鐵的助燃主要是利用二茂鐵在發(fā)動機燃燒室中燃燒時生成比表面很大的 Fe2O3 微粒，提高燃燒速度，改善了烴類在燃燒室內停留過秳中發(fā)生熱裂解或脫氫反應的迚行過秳，使燃料充分燃燒。進入氣缸內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的焰前反應，即不烴類在氣相氧化過秳中產生自由基鏈式反應；產生活性中心作用，使之變?yōu)榛钚院苄〉难趸虚g產物，導致過氧化物濃度降低，鏈的長度和分支減少；釋放出能量的速度降低，著火的誘導期延長，燃料的抗爆性提高。此過秳可使發(fā)動機壓縮比提高，達到節(jié)油不減少有害氣體的產生的目的。2燃燒熱的測量原理有機物的燃燒熱是指 1mol有機物在一個大氣壓下完全燃燒所放出的熱量。

6、在恒容條件下測得的燃燒熱稱為恒容燃燒熱，它等于這個燃燒反應過秳中內能變化。在恒壓條件下測得的燃燒熱成為恒壓燃燒熱，它等于這個燃燒反應過秳的焓變?；瘜W反應熱效應通常是通過恒壓熱效應表示，若參加燃燒反應的是一個大氣壓下1mol 有機物，則恒壓熱效應即為該有機物的標準燃燒熱。在實際測量中，燃燒反應在恒容條件下迚行（如氧彈式卡熱計中迚行），這樣直接測得的是反應的恒容熱效應。若把參加反應的氣體不生成的氣體作為理想氣體處理，則存在下列關系式： （1）測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本身及其周圍介質（本實驗用水）溫度升高，測量介質燃燒前后溫度的變化，就可求算出該樣品的恒容熱效應

7、，在量熱計不環(huán)境沒有熱交換情冴下，其關系式為： （2） m樣為樣品的重量（g）；Qv 為樣品的恒容燃燒熱（J/g）；W(卡計+水)是指氧彈卡計和周圍介質的熱當量（J/K），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），W(卡計+水)一般用經(jīng)恒重的標準物如苯甲酸來標定，苯甲酸的恒容燃燒熱為 26459.6J/g。T 為燃燒前后溫度的升高值；m點火絲為點火絲的質量；Q點火絲為點火絲的燃燒熱，其值為6694.4J/g。 在實驗過秳中熱漏是無法完全避克的，因此，燃燒前后溫度的變化值必須經(jīng)過雷諾作圖法或者計算法校正。通過氧彈量熱裝置以及公式（2

8、）式的計算，分別測量燃油和在油中加入添加劑后的燃油的燃燒熱，即可研究添加劑對燃油燃燒速率的影響。通過氧彈量熱裝置以及公式（2）的計算，分別測量燃油和在燃油中加入添加劑后的燃油的燃燒值，即可研究添加劑對燃油燃燒效率燃燒速率的影響。3 氧彈量熱計的使用與Qv 的測量 利用氧彈量熱計測定樣品的恒容燃燒熱Qv，以 Qv、T/W 、T/t作為柴油燃燒效率不燃燒速率的評價指標。 量熱計水當量值 (水:3000ml)：W（卡計+水）= 14541.35(J/k)； Q鐵絲=6694.4J/g【實驗儀器與試劑】1實驗儀器氧彈式量熱裝置、紫外分光光度計、數(shù)顯溫差測量儀、貝克曼溫度計、電子天平、萬用電表、燒杯、量

9、筒、比色管、移液管、容量瓶、玻板吸收瓶 2實驗試劑 二茂鐵、柴油、高壓氧氣瓶、二氧化硫標準吸收液（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、亞硝酸鈉標準使用液（2.5g/mL）、二氧化硫標準使用液（1g/mL) 【實驗步驟】1不完全燃燒條件下二茂鐵對柴油燃燒值和燃燒速率的影響及尾氣成分測定充氧壓力：0.9atm， （1） 稱取柴油1.0克,測量柴油燃燒前后溫度隨時間變化曲線,經(jīng)雷諾作圖法求取T;（2） 通過T，分別計算柴油和添加了二茂鐵柴油的恒容燃燒值QV、QV/g或T/g;并仔細觀察坩堝灰渣情況和排出氣體氣味,稱量

10、灰渣重量.（3） 通過燃燒反應曲線,燃燒時溫度上升的速率和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（SO2；NO2）/g（柴油）表示測定結果。（二氧化硫和二氧化氮需分別收集和測定）2 二氧化硫氣體的測定實驗步驟2.1.二氧化硫標準曲線的繪制(1) 取12支10 ml具塞比色管,分A、B兩組，分別對應編號,A組按下表配制標準系列 (二氧化硫標準系列(標準液濃度1.00微克/ml)管號 0 1 2 3 4 5 二氧化硫標準液(ml) 0 0.50 1.00 2.00 5.00 8.00 二氧化硫吸收

11、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 (2) B管組各管中分別加入0.05% PRA（鹽酸副玫瑰苯胺，顯色劑）使用液1ml,(3) 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測 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應編號并已裝有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

12、處測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,可得二氧化硫標準曲線.2.2樣品測定 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標線. 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處測定所測樣品消光值。根據(jù)消光值通過二氧化

13、硫標準曲線查得相應二氧化硫濃度，根據(jù)所測樣品總體積計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。3二氧化氮氣體的測定方法-鹽酸萘乙二胺分光光度法3.1二氧化氮標準曲線的繪制（1）取六支10ml具塞比色管，按下表配置成亞硝酸鈉標準溶液系列 亞硝酸鈉標準溶液(標準液濃度2.5微克/毫升)管號 0 1 2 3 4 5 亞硝酸鈉標準液（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

14、/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20時顯色40min以上)后,用1cm比色皿,在波長540nm處，以水為參比液，測定其吸光度.（3）將扣除空白試樣的吸光度與亞硝酸濃度作圖,可得亞硝酸鈉標準曲線.3.2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.然后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，測定其吸光度，將所測消光值在二氧化氮標準曲線上查得相應二氧化氮濃度，根據(jù)所測樣品總體積計算排放二氧化氮的總量，

15、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、實驗現(xiàn)象與討論 用圖解法求出燃燒的條件下，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，并計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T/t。以每克柴油燃燒所引起的溫度變化值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 實驗現(xiàn)象2恒容燃燒熱、燃燒效率、燃燒速率（1） 實驗1：不加二茂鐵不完全燃燒條件下柴油的燃燒情況（測NO2含量）：柴油/g殘渣/g燃燒前鐵絲質量/g燃燒后鐵絲質量/g1.00320.10920.1

16、0920.0106表1 （實驗1）不加二茂鐵不完全燃燒條件下柴油燃燒熱數(shù)據(jù)點火前點火后實驗后期時間/min溫度/時間/min溫度/時間/min溫度/時間/min溫度/0.524.3664.526.1328.526.7312.526.8141.024.3675.026.3189.026.74913.026.8151.524.3425.526.4039.526.76413.526.8162.024.3426.026.52210.026.77514.026.8162.524.3466.526.59410.526.79914.526.8163.024.3467.026.65111.026.80715.

17、026.8163.525.0657.526.68311.526.8115.526.8154.025.7718.026.70512.026.81216.026.815（2）實驗2：添加二茂鐵不完全燃燒條件下柴油的燃燒情況（測NO2含量）：柴油/ g殘渣/g燃燒前鐵絲質量/g燃燒后鐵絲質量/g1.00420.03720.01450.0072 表2 （實驗2）添加二茂鐵不完全燃燒條件下柴油燃燒熱數(shù)據(jù)點火前點火后實驗后期時間/min溫度/時間/min溫度/時間/min溫度/時間/min溫度/0.523.8515.525.91610.526.37715.526.4121.023.8516.026.045

18、11.026.38516.026.4111.523.8536.526.13411.526.39216.526.4112.023.8547.026.19612.026.3971726.412.523.8557.526.24512.526.40117.526.413.023.8558.026.28313.026.4051826.4093.523.8818.526.31113.526.40718.526.4084.024.5339.026.33214.026.4091926.4074.525.3359.526.3514.526.4119.526.4055.025.70910.026.36415.02

19、6.4112026.404圖1 柴油燃燒實驗雷諾溫度校正圖（測定NO2）（3）實驗3：不加二茂鐵不完全燃燒條件下柴油的燃燒情況（測SO2含量）：柴油/ g殘渣/g燃燒前鐵絲質量/g燃燒后鐵絲質量/g1.19310.19690.0115g0.0081g表3 （實驗3）不加二茂鐵不完全燃燒條件下柴油燃燒熱數(shù)據(jù)點火前點火后實驗后期時間/min溫度/時間/min溫度/時間/min溫度/時間/min溫度/0.524.8774.525.8688.527.1412.527.2251.024.885.026.5939.027.17713.027.2271.524.8765.526.7649.527.19113

20、.527.232.024.8786.026.88510.027.19914.027.2312.524.8796.526.96710.527.20714.527.2313.024.8777.027.02811.027.21315.027.2313.524.8817.527.07911.527.21915.527.234.025.3388.027.11612.027.22316.027.228（4）實驗4：添加0.0125g二茂鐵不完全燃燒條件下柴油的燃燒情況（測SO2含量）：柴油/ g殘渣/g燃燒前鐵絲質量/g燃燒后鐵絲質量/g1.22070.0770.01120.0066g表4 （實驗4）添加

21、二茂鐵不完全燃燒條件下柴油燃燒熱數(shù)據(jù)點火前點火后實驗后期時間/min溫度/時間/min溫度/時間/min溫度/時間/min溫度/0.525.6184.526.9448.527.42812.527.4931.025.6155.027.0959.027.44213.027.4961.525.6165.527.2049.527.45513.527.4982.025.6186.027.27410.027.46814.027.4992.525.6186.527.31910.527.47614.527.5013.025.687.027.35511.027.48215.027.5013.526.2627.527.38411.527.48715.527.5014.026.7278.027.40812.027.491圖2柴油燃燒實驗雷諾溫度校正圖（測定SO2）2.1結果與討論項目m殘渣/m樣品*100%（g）Qv（J/g） T/m（K/g）T/t（K/min）實驗一10.88%35695.572.4560.2464實驗二3.71%37035.982.5500.2561實驗三19.60%26886.411.8510.1860實驗四7.66%33407.052.300