1、二茂鐵對柴油的助燃消煙作用與尾氣成份測定1 前言 1.1實(shí)驗(yàn)?zāi)康?了解二茂鐵以及衍生物的應(yīng)用，特別是作為一種優(yōu)良的燃料助燃催化劑，其重要的經(jīng)濟(jì)價(jià)值不環(huán)保價(jià)值； 掌握利用氧彈卡計(jì)測量油品燃燒所產(chǎn)生的熱量的操作技術(shù)，應(yīng)用cace系統(tǒng)評價(jià)油品的燃燒效率。 1.2實(shí)驗(yàn)意義 本實(shí)驗(yàn)用自制的二茂鐵作為添加劑，利用氧彈量熱計(jì)測定燃油在是否有添加劑存在下的燃燒熱，了解和比較添加二茂鐵對柴油燃燒效率和速率的影響以及二茂鐵的節(jié)能助燃效應(yīng)。同時(shí)，學(xué)習(xí)和掌握甲醛法和鹽酸萘乙二胺分光光度法分別測定so2和no2氣體的濃度，并應(yīng)用于柴油燃燒后尾氣成分的測定。1.3文獻(xiàn)綜述與總結(jié)1.3.1 二茂鐵在助燃消煙方面的作用 二茂

2、鐵是一種具有芳香族性質(zhì)的有機(jī)過渡金屬化合物。常溫下為橙黃色粉末，有樟腦氣味。熔點(diǎn)172174，沸點(diǎn)249,100以上能升華；不溶于水，易溶于苯、乙醚、汽油、柴油等有機(jī)溶劑。與酸、堿、紫外線不發(fā)生作用，化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定，400以內(nèi)丌分解。其分子呈現(xiàn)極性，具有高度熱穩(wěn)定性、化學(xué)穩(wěn)定性和耐輻射性，其在工業(yè)、農(nóng)業(yè)、醫(yī)藥、航天、節(jié)能、環(huán)保等行業(yè)具有廣泛的應(yīng)用。研究表明，將二茂鐵及其衍生物添加到固體、液體或氣體燃料中，都能發(fā)揮其助燃、消煙和抗爆等作用，尤其是對燃燒時(shí)產(chǎn)生大量煙塵的烴類，效果更為顯著。二茂鐵及其衍生物添加到煤油或柴油中，僅0.1%（重量）的用量，就可平均節(jié)油14%，且使發(fā)煙量減少40%70%，車

3、輛功率提高10%，而且在燃燒中還有促進(jìn)co 轉(zhuǎn)化為co2 的作用，同時(shí)可提高燃燒熱，增加功率，從而達(dá)到節(jié)能和減少大氣污染的作用。二茂鐵及其衍生物添加到鍋爐燃料油中，可減少煙的生成和噴嘴積炭，也可摻在煤粉中作助燃減煙劑使用。此外，將二茂鐵添加到動(dòng)力機(jī)械燃料中，可使燃燒室的積炭減少，以減少煙塵對大氣的污染。1.3.2 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，改善了烴類在燃燒室內(nèi)停留過程中發(fā)生熱裂解或脫氫反應(yīng)的進(jìn)行過程，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加燃料烴類的焰前反應(yīng)，即與烴類

4、在氣相氧化過程中產(chǎn)生自由基鏈?zhǔn)椒磻?yīng)；產(chǎn)生活性中心作用，使之變?yōu)榛钚院苄〉难趸虚g產(chǎn)物，導(dǎo)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(dǎo)期延長，燃料的抗爆性提高。此過程可使發(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.實(shí)驗(yàn)部分2.1實(shí)驗(yàn)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。在恒容條件下測得的燃燒熱稱為恒容燃燒熱，它等于這個(gè)燃燒反應(yīng)過秳中內(nèi)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(gè)燃燒反應(yīng)過程的焓變?；瘜W(xué)反應(yīng)熱效應(yīng)通常是通過恒壓熱效應(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)

5、物的標(biāo)準(zhǔn)燃燒熱。在實(shí)際測量中，燃燒反應(yīng)在恒容條件下進(jìn)行（如氧彈式卡熱計(jì)中進(jìn)行），這樣直接測得的是反應(yīng)的恒容熱效應(yīng)。若把參加反應(yīng)的氣體不生成的氣體作為理想氣體處理，則存在下列關(guān)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(jì)本身及其周圍介質(zhì)（本實(shí)驗(yàn)用水）溫度升高，測量介質(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)境沒有熱交換情冴下，其關(guān)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(jì)+水)是指氧彈卡計(jì)和周圍介質(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

6、）（水 3000ml），w(卡計(jì)+水)一般用經(jīng)恒重的標(biāo)準(zhǔn)物如苯甲酸來標(biāo)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(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)過程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(jì)算法校正。通過氧彈量熱裝置以及公式（2）式的計(jì)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(jì)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。2.2 實(shí)驗(yàn)儀器與試劑2.

7、2.1 實(shí)驗(yàn)儀器氧彈式量熱裝置、紫外分光光度計(jì)、數(shù)顯溫差測量儀、貝克曼溫度計(jì)、電子天平、萬用電表、燒杯、量筒、比色管、移液管、容量瓶、玻板吸收瓶 2.2.2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)準(zhǔn)使用液（2.5g/ml）、二氧化硫標(biāo)準(zhǔn)使用液（1g/ml) 2.3實(shí)驗(yàn)步驟2.3.1氧彈量熱計(jì)的使用與qv的測量 利用氧彈量熱計(jì)測定樣品的恒容燃燒熱qv，以qv、t/w 、t/t作為柴油燃燒效率與燃燒速率的評價(jià)指標(biāo)。量熱計(jì)水當(dāng)量值 (水:3000ml)：w

8、（卡計(jì)+水）= 14541.35(j/k); q鐵絲=6694.4j/g2.3.2不完全燃燒條件下二茂鐵對柴油燃燒燃值和燃燒速率的影響充氧壓力：0.9atm。稱取柴油1.2克,測量柴油燃燒前后溫度隨時(shí)間變化曲線,經(jīng)雷諾作圖法求取t;稱取柴油1.2克,加入二茂鐵(自合成樣品或標(biāo)準(zhǔn)試劑樣品)，使柴油中二茂鐵含量 1.0%;,測量柴油燃燒前后溫度隨時(shí)間變化曲線,經(jīng)雷諾作圖法求取t;通過t，分別計(jì)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(xì)觀察坩堝灰渣情況和排出氣體氣味,稱量灰渣重量.通過燃燒反應(yīng)曲線,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.分

9、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(jié)果。2.3.3二氧化硫氣體的測定實(shí)驗(yàn)步驟（1） 二氧化硫標(biāo)準(zhǔn)曲線的繪制 a. 取12支10 ml具塞比色管,分a、b兩組，分別對應(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

10、 二氧化硫含量(微克/毫升) 0 1 0.05 0.10 0.20 0.50 0.80 b. 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,c. 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.d. 迅速分別將a組逐管中溶液全部倒入對應(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處測定樣品中二氧化硫含量.e. 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（甲醛吸收液） 放入

11、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(biāo)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)消光值通過二氧化硫標(biāo)準(zhǔn)曲線查得相應(yīng)二氧化硫濃度，根據(jù)所測樣品總體積計(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。2.3.4 二氧化氮?dú)怏w的

12、測定方法鹽酸萘乙二胺分光光度法（1） 二氧化氮標(biāo)準(zhǔn)曲線的繪制 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 a. 取六支10ml具塞比色管，按上表配置成亞硝酸鈉標(biāo)準(zhǔn)溶液系列b. 將各管混合均勻,置于暗處中放置 20min(室溫低于 20時(shí)顯色40min以上)后,用 1

13、cm 比色皿,在波長540nm處，以水為參比液，測定其吸光度. c.將扣除空白試樣的吸光度不亞硝酸濃度作圖,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。然后將吸收瓶中的樣品暗處放置20min(室溫低于20時(shí)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(biāo)準(zhǔn)曲線上查得相應(yīng)二氧化氮濃度，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。 2.4 實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象與結(jié)果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(shí)引起卡計(jì)溫度變化的差值

14、，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。2.4.1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實(shí)驗(yàn)一：不完全燃燒條件下柴油燃燒熱數(shù)據(jù)（測定no2）柴油1.2020g 原鐵絲0.0106g 剩余鐵絲0.0089g點(diǎn)火前溫度/點(diǎn)火溫度/后期溫度/時(shí)間溫度時(shí)間溫度時(shí)間溫度時(shí)間溫度021.846421.834923.3291223.5740.521.8454.521.9049.523.4

15、3412.523.592121.842522.0481023.4731323.6081.521.8395.522.30810.523.50213.523.624221.835622.5361123.5301423.6372.521.8316.522.74111.523.55314.523.649321.826722.9161523.6603.521.8217.523.06515.523.670823.1951623.6818.523.26516.523.689實(shí)驗(yàn)二：不完全燃燒條件下添加二茂鐵柴油的燃燒熱數(shù)據(jù)（測定no2）柴油1.2248g 原鐵絲0.016g 剩余鐵絲0.0100g 二茂鐵0

16、.0117g點(diǎn)火前溫度/點(diǎn)火溫度/后期溫度/時(shí)間溫度時(shí)間溫度時(shí)間溫度時(shí)間溫度021.4792.521.5637.523.2481123.5130.521.501321.691823.31011.525.532121.5203.522.0178.523.3651223.5511.521.531422.287923.40212.523.566221.5314.522.5519.523.4361323.581522.7721023.46813.523.6065.522.87110.523.4911423.618622.94614.523.6286.523.0681523.640723.17615.5

17、23.648實(shí)驗(yàn)三：不完全燃燒條件下柴油燃燒熱數(shù)據(jù)（測定so2）柴油1.2168g 原鐵絲0.0112g 剩余鐵絲0.0062g點(diǎn)火前溫度/點(diǎn)火溫度/后期溫度/時(shí)間溫度時(shí)間溫度時(shí)間溫度020.2274.520.4829.521.6150.520.447520.511021.649120.4705.520.58810.521.6791.520.474620.7341121.701220.4746.520.91411.521.7372.520.474721.0581221.752320.4767.521.19312.521.7663.520.478821.466420.4798.521.52692

18、1.575實(shí)驗(yàn)四：不完全燃燒條件下添加二茂鐵柴油的燃燒熱數(shù)據(jù)（測定so2）柴油1.1987g 二茂鐵0.0115g 原鐵絲0.0114g 剩余鐵絲0.0072g點(diǎn)火前溫度/點(diǎn)火溫度/后期溫度/時(shí)間溫度時(shí)間溫度時(shí)間溫度020.817421.0731023.2430.520.8264.521.76410.523.259120.833522.3181123.2711.520.8355.522.62611.523.281220.836622.8341223.2952.520.8376.522.96612.523.3320.838723.0543.520.8397.523.116823.1168.523

19、.163923.1989.523.223由上述雷諾校正圖可求出：t1 = （23.447 21.821）k = 1.626kt2 = (23.481 21.562 ) k = 1.919kt3 = (21.589 20.470 ) k = 1.119kt4 = (23.103 20.830 ) k = 2.273k由可得：qv1=(14541.35j/k×1.626k (0.0106-0.0089g)×6694.4j/g ÷(1.2020g)=19661.3j/gqv2=(14541.35j/k×1.919k (0.016-0.0100g)×6

20、694.4j/g ÷(1.2248g)=22750.4j/gqv3=(14541.35j/k×1.119k (0.0112-0.0062g)×6694.4j/g ÷(1.2168g)=13340.6j/gqv4=(14541.35j/k×2.273k (0.0114-0.0072g)×6694.4j/g ÷(1.1987g)=27550.2j/g柴油燃燒效率：t1/w1 = 1.626k / (1.2020g)= 1.353k/gt2 /w2= 1.919k / (1.2248g)= 1.567k/gt3 /w3= 1.11

21、9k / (1.2168g)= 0.920k/gt4/w4 = 2.273k / (1.1987g)= 1.896k/g柴油燃燒速率：t1/t1=1.626k/(11.5-4)min=0.2168k/mint2/t2=1.919k/(10.5-2.5)min=0.2399k/mint3/t3=1.119k/(9-4.5)min=0.2487k/mint4/t4=2.273k/(9.5-4)min=0.4133k/min2.4.2二氧化氮標(biāo)準(zhǔn)曲線的繪制亞硝酸濃度（ug/ml） 0.00 0.10 0.20 0.30 0.40 0.50 吸光度a 0.032 0.105 0.181 0.289 0

22、.369 0.459 扣除空白試樣的吸光度：亞硝酸濃度（ug/ml）0.100.200.300.400.50吸光度a0.0730.1490.2570.3370.427由圖可得二氧化氮的標(biāo)準(zhǔn)曲線方程為：y = -0.0202+ 0.896x r=0.9988461樣品吸光度ano2含量/(g/ml)每克柴油燃燒放出的no2量/(g/g)不加二茂鐵0.1330.1350.562加二茂鐵0.3410.3671.4982.4.3二氧化硫標(biāo)準(zhǔn)曲線的繪制so2 含量（g/ml） 0.00 0.05 0.10 0.20 0.50 0.80 吸光度a 0.0330.0390.0410.0460.0700.08

23、1扣除空白試樣的吸光度：so2 含量（g/ml）0.050.100.200.500.80吸光度a0.0060.0080.0130.0370.048由圖可得二氧化硫的標(biāo)準(zhǔn)曲線方程為：y = 0.002799+ 0.059397x r= 0.9898116樣品吸光度aso2含量/(g/ml)每克柴油燃燒放出的so2量/(g/g)不加二茂鐵0.0510.2561.262加二茂鐵0.0560.3401.8373.結(jié)果與討論實(shí)驗(yàn)結(jié)果總表如下：項(xiàng)目柴油質(zhì)量（g）二茂鐵質(zhì)量（g） t（k）qv（j/g）t/w（k/g）t/t（k/min）no2的含量(g/g)so2的含量(g/g)實(shí)驗(yàn)一1.202001.62619661.31.3530.21680.562-實(shí)驗(yàn)二1.22480.01171.91922750.41.5670.23991.498-實(shí)驗(yàn)三1.216801.11913340.60.9200.2487-1.262實(shí)驗(yàn)四1.19870.01152.27327550.21.8960.4133-1.837綜合上表，進(jìn)行分析：1.分別根據(jù)實(shí)驗(yàn)一和實(shí)驗(yàn)二，實(shí)驗(yàn)三和實(shí)驗(yàn)四的數(shù)據(jù)，添加二茂鐵后，柴油的燃燒值更