二茂铁对柴油的助燃和消烟作用实验报告VIP

- 1 -华 南 师 范 大 学 实 验 报 告学生姓名 学 号 专 业 化学(师范) 班 级 12 化教五班 课程名称 化学综合实验 实验项目 二茂铁对柴油的助燃和消烟作用实验类型验证设计综合 实验时间 2016 年 4 月 21 日实验指导老师 何广平老师 实验评分 二茂铁对柴油的助燃和消烟作用一、前言1实验目的(1)了解二茂铁的应用，特别是作为一种优良的燃料助燃催化剂，其重要的经济价值与环保价值。(2)掌握利用氧弹卡计测量油品燃烧所产生的热量的操作技术，应用 CACE 系统评价油品的燃烧效率。(3)学会评价自制的二茂铁对柴油的助燃和消烟作用。2实验意义本实验用自制的二茂铁作为添加剂，利用氧弹量热计测定燃油在是否有添加剂存在下的燃烧热。了解和比较添加二茂铁对柴油燃烧效率和速率的影响以及二茂铁的节能助燃效应。同时，学习和掌握甲醛法和盐酸蔡乙二胺分光光度法分别测定 SO2 和 NO2 气体的浓度，并应用于柴油燃烧后尾气成分的测定。1- 2 -3文献综述与总结二茂铁(C5H5)2Fe是一种具有芳香族性质的有机过渡金属化合物，在常温下为橙黄色针状或粉末状结晶物，具有类似樟脑的气味，熔点 173174，沸点 249，不溶于水，而溶于甲醇、乙醇、乙醚、苯、汽油、煤油、柴油等有机溶剂，具有高度热稳定性和耐辐射性，加热到 470也不分解。在化学性质上，二茂铁与芳香族化合物相似，不易发生加成反应，容易发生取代反应。自 20 世纪 50 年代人类首次成功合成二茂铁以来，二茂铁及其衍生物的合成与应用得到广泛地研究。文献报道二茂铁的制备方法有多种，归纳起来可分为化学合成法和电化学合成法。电化学法电耗高，不适合电力紧张、电价高的地区，且电化学法难以得到高纯度产品。在化学合成法中有醇钠法、乙二胺法、相转移催化合成法、二甲基亚矾法等，这些方法各有其优缺点，其中醇钠法、二甲基亚矾法工艺简单，对环境污染少，具有实际生产意义。醇钠法又有甲醇钠法和乙醇钠法，成本较低，但要求无水操作。甲醇钠法毒性较大，而乙醇钠法安全无毒，操作环境好。二甲基亚飒法没有无水要求，操作方便，生产安全，毒性小，但生产成本较醇钠法高。二茂铁有多种用途，其主要用途是作燃料助燃剂。二茂铁添加到固体燃料、液体燃料中，可以起到明显的消烟、助燃和节省燃料的作用。尤其是添加到燃烧时会产生大量黑烟的烃类中，其效果尤为显著。二茂铁对芳烃燃烧时的消烟作用最好，其次为烯烃、环烷烃、烷烃。二茂铁还可用于提高汽油辛烷值，可代替四乙基铅制得无铅汽油。由于二茂铁的这种助燃、消烟作用，可以起到提高发动机功率、节能和减少大气污染的效果，它是一种优良的环保、节能产品。此外，二茂铁及其衍生物还可以用作紫外线吸收剂、热稳定剂和光稳定剂，在医药和其它领域也得到独特应用。我们以前曾对二甲基亚矾法制二茂铁进行了比较深入的研究和改进，前人实验曾有对乙醇钠法合成二茂铁的影响因素进行研究和探讨，旨在为工业生产提供最佳的合成路线和工艺条件，并对二茂铁添加到柴油中的助燃消烟作用进行了初步的考察。目前，二茂铁衍生物多达数百种。二茂铁及其衍生物最广泛的用途是作为催化剂，如不对称催化、羟醛缩合、烯烃常压氢化、芳酮硅烷化等。二茂铁及其衍生物还可以作为燃料油添加剂。二茂铁添加到固体燃料、液体燃料中，可以起到明显的消烟、助燃和节省燃料的作用。尤其是添加到燃烧时会产生大量黑烟的烃类中，其效果尤为显著。二茂铁对芳烃燃烧时的消烟作用最好，其次为烯烃、环烷烃、烷烃。二茂铁还可用于提高汽油辛烷值，可代替四乙基铅制得无铅汽油。由于二茂铁的这种助燃、消烟作用，可以起到提高发动机功率、节能和减少大气污染的效果，它是一种优良的环保、节能产品。- 3 -二、实验部分1实验原理（1）燃烧热测量原理利用氧弹卡计测量柴油燃烧产生的热量。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，测量介质燃烧前后温度的变化，就可以求算出该样品的恒容燃烧热，在量热计与环境没有热交换的情况下，其关系式为：m 样 QV=W（卡+水） T-m 点火丝 Q 点火丝式中，m 样 样品的质量， g；Qv样品的恒容燃烧热， J/g；W（卡+水） 氧弹卡计和周围介质的热当量，J/K，它表示卡计和水每升高 1K 所需要吸收的热量；W （卡 +水） = 14541.35(J/K)；m 点火丝 点火丝的质量，g ；Q 点火丝 点火丝（铁丝）在恒容条件下燃烧放出热量，Q 点火丝 =6694.4 J/g；T燃烧过程中温度的升高值，可利用 CACE 系统追踪燃烧过程中 T，经过雷诺作图法或计算法可校正由于系统热漏等原因产生的 T 的测量偏差。通过上述公式可计算分别测量柴油和在柴油中加入二茂铁后柴油燃烧放出的热量的燃烧值，即可研究二茂铁作为柴油燃烧的添加剂对柴油燃烧效率的影响规律。本实验以 T/m（单位重量柴油燃烧引起温度变化值）研究添加剂对柴油燃烧效率的影响规律。（2）完全燃烧条件下二茂铁对燃油燃烧效率及燃烧速率的影响作为柴油燃烧的添加剂，二茂铁在实验条件下其本身并不燃烧，而是起到催化助燃作用。根据上面的实验原理与方法，在柴油完全燃烧的条件下，测量柴油在加入二茂铁和未加入二茂铁时燃烧前后温度随时间的变化，通过 T/m（单位重量柴油燃烧引起温度变化值）以及 T/t（即单位时- 4 -间温度随时间的变化率），即可研究二茂铁作为添加剂对柴油燃烧的效率和速率的影响规律。（3）不完全燃烧条件下二茂铁对燃油燃烧效率及燃烧速率的影响根据上面的实验原理和方法，对于不完全燃烧条件下二茂铁对柴油燃烧的影响可从燃烧速率（T/t ），燃烧效率（T/m ）以及燃烧后炭渣的重量和尾气成分的变化三个方面进行研究，尾气可以通过氧弹装置中的排气孔收集，利用有关的分析方法进行尾气的定性和定量测定。以寻找二茂铁与柴油量的最佳配比，从而了解二茂铁作为柴油燃烧过程中的添加剂其环保价值和经济价值。（4）燃油燃烧尾气成分的测定原理实验中选择 SO2 和 NO2 气体作为燃烧尾气成分中的被测气体,以此研究添加剂对燃油燃烧尾气成分的影响,并以每克柴油燃烧放出的 SO2 和 NO2 的量(mol/g)表示燃烧尾气的排放结果。SO 2 气体的测定原理甲醛缓冲溶液吸收-盐酸副玫瑰苯胺分光光度法 4可用于测定尾气中 SO2 气体的浓度。SO 2 气体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 577 nm 处进行测定。此方法的主要干扰物为氮氧化物、臭氧和某些重金属。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为 0.0031.07 mg/m3,最低检出限为 0.2 mg/L。通过氧弹排气孔将柴油燃烧后的尾气收集到装有甲醛缓冲吸收液的无色多孔玻板吸收瓶中,利用甲醛缓冲溶液吸收-盐酸副玫瑰苯胺分光光度法测定燃烧尾气中 SO2 气体的量,以每克柴油放出二氧化硫气体的量表示 SO2 的排放量(mol/g)。NO 2 气体测定原理盐酸萘乙二胺分光光度法 5可用于测定尾气中的 NO2 气体浓度。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,可在波长 540 nm 处进行测定。此方法的主要干扰物为臭氧 ,对二氧化氮的测定产生负干扰。采样时在吸收瓶入口处接 1520 cm 长的硅胶管,即可将臭氧浓度降低到不干扰二氧化氮的测定水平。此方法的检出限为 0.12mg/L。- 5 -通过氧弹排气孔将柴油燃烧后的尾气收集到装有 NO2 气体吸收液的棕色多孔玻板吸收瓶中 ,利用盐酸萘乙二胺分光光度法测定尾气中的 NO2 气体量,以每克柴油放出的二氧化氮气体量表示 NO2的排放量(mol/g)。2仪器与药品（1）主要仪器氧弹式量热装置、紫外分光光度计、数显温差测量仪、贝克曼温度计、电子天平、万用电表、烧杯、量筒、比色管、移液管、容量瓶、玻板吸收瓶。（2）主要试剂二茂铁、柴油、高压氧气瓶、二氧化硫标准吸收液（甲醛缓冲吸收液）、盐酸副玫瑰苯胺（PRA） 0.05%、氨磺酸钠 0.06%、氢氧化钠（1.5mol/L）、二氧化氮显色液、亚硝酸钠标准使用液（2.5g/mL）、二氧化硫标准使用液（ 1g/mL)。3实验步骤（1）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：0.9MPa。称取柴油 1.0 克,测量柴油燃烧前后温度随时间变化曲线,经雷诺作图法求取T;称取柴油 1.0 克,加入二茂铁(自合成样品或标准试剂样品)，使柴油中二茂铁含量 1.0%;,测量柴油燃烧前后温度随时间变化曲线,经雷诺作图法求取T;通过T，分别计算柴油和添加了二茂铁柴油的恒容燃烧值 QV、Q V/g 或T/g;并仔细观察坩埚灰渣情况和排出气体气味,称量灰渣重量.通过燃烧反应曲线,燃烧时温度上升的速率和T，求取T/t.g 比较不同配比的柴油其燃烧速率的差异.分别测定柴油和添加了二茂铁柴油燃烧后尾气排放中二氧化硫和二氧化氮的含量.以微克（SO 2；NO 2）/g（柴油）表示测定结果。（二氧化硫和二氧化氮需分别收集和测定）（2）二氧化硫气体的测定实验步骤- 6 -二氧化硫标准曲线的绘制i.取 12 支 10 ml 具塞比色管，分 A、B 两组，分别对应编号，A 组按下表配制标准系列浓度溶液：表 1 二氧化硫标准系列(标准液浓度 1.00g/mL)管号 0 1 2 3 4 5二氧化硫标准液/（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/（g） 0 0.50 1.00 2.00 5.00 8.00二氧化硫含量/（g/mL） 0 0.05 0.10 0.20 0.50 0.80ii. B 管组各管中分别加入 0.05% PRA（盐酸副玫瑰苯胺，显色剂）使用液 1ml。iii.A 管组分别加入 0.06%胺磺酸钠溶液 0.5ml（用于屏蔽溶液中氮氧化物对测定的干扰），1.5mol/L 氢氧化钠 0.5mL，混匀。iv.迅速分别将 A 组逐管中溶液全部倒入对应编号并已装有 PRA 使用液的 B 管中。立即具塞摇匀后显色 5min 后，以水为参比溶液，在 577nm 处测定样品中二氧化硫含量。v.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。样品测定将 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,用少量二氧化硫吸收液（甲醛吸收液）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 10min，以除去氮氧化物干扰,加入 1.50mL/mol 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 5min，在 577nm 处测定所测样品消光值。根据消光值通过二氧化硫标准曲线查得相应二氧化硫浓度，根据所测样品总体积计算排放的二- 7 -氧化硫总量，以每克柴油放出二氧化硫的微克数衡量燃烧尾气中二氧化硫的排放量。（3）二氧化氮气体的测定方法-盐酸萘乙二胺分光光度法二氧化氮标准曲线的绘制i.取六支 10ml 具塞比色管，按下表配置成亚硝酸钠标准溶液系列表 2 二氧化氮标准系列(标准液浓度 2.50g/mL)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显二氧化氮色液/（mL） 8.00 8.00 8.00 8.00 8.00 8.00亚硝酸浓度/（g/mL） 0 0.10 0.20 0.30 0.40 0.50ii.将各管混合均匀,置于暗处中放置 20min(室温低于 20时显色 40min 以上)后,用 1cm 比色皿,在波长 540nm 处，以水为参比液，测定其吸光度 .iii.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.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，以水为参比液，测定其吸光度，将所测消光值在二氧化硫标准曲线上查得相应二氧化硫浓度，根据所测样品总体积计算排放二氧化硫的总量，以每克柴油放出二氧化硫的微克数衡量尾气中二氧化氮的排放量。4实验现象与结果（1）实验现象表 3 实验现象记录表- 8 -实验步骤 实验现象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未添加二茂铁时，一定量的柴油燃烧后，有较多量的柴油留下，残渣为黑色，有刺激性气味气体。添加二茂铁时，仍然有柴油燃烧剩余，但量明显少了，残渣为棕褐色，且量明显减少有刺激性气味。 二氧化硫气体的测定未添加二茂铁时，收集到的尾气量较多，溶液呈无色，加入显色剂后呈浅红色。添加二茂铁时，收集到的尾气量较少，溶液呈无色，加入显色剂后呈浅红色（颜色较未加二茂铁浅）。二氧化氮气体的测定未添加二茂铁时，收集到的尾气量较多，吸收液呈紫红色。添加二茂铁时，收集到的尾气量较少，吸收液呈浅紫红色。（2）实验结果与数据处理实验数据记录I.不完全燃烧条件下二茂铁对柴油燃烧值和燃烧速率的影响及尾气成分测定表 3 不完全燃烧条件下柴油燃烧热数据（无二茂铁，测定 NO2）柴油质量 m1：1.0091g 铁丝质量 m3：0.0136g 铁丝残渣 m4：0.092g 充氧压力：0.6MPa测量次数 温度 / 测量次数 温度 / 测量次数 温度 / 测量次数 温度 /1 23.647 10 23.780 19 25.837 28 25.9432 23.654 11 24.225 20 25.859 29 25.9463 23.657 12 24.832 21 25.879 30 25.9484 23.659 13 25.220 22 25.894 31 25.950- 9 -5 23.661 14 25.476 23 25.907 32 25.9526 23.663 15 25.609 24 25.918 33 25.9537 23.665 16 25.703 25 25.926 34 25.9548 23.665 17 25.759 26 25.9339 23.667 18 25.802 27 25.938表 4 不完全燃烧条件下柴油燃烧热数据（无二茂铁，测定 SO2）柴油质量 m1：1.0022g 铁丝质量 m3：0.0137g 铁丝残渣 m4：0.0035g 充氧压力：0.6MPa 测量次数 温度 / 测量次数 温度 / 测量次数 温度 / 测量次数 温度 /1 23.735 10 23.874 19 25.892 28 26.0082 23.739 11 24.527 20 25.920 29 26.0133 23.742 12 25.080 21 25.939 30 26.0164 23.745 13 25.412 22 25.955 31 26.0205 23.748 14 25.587 23 25.968 32 26.0226 23.750 15 25.706 24 25.979 33 26.0257 23.753 16 25.763 25 25.989 34 26.0268 23.754 17 25.822 26 25.9969 23.757 18 25.863 27 26.003表 5 不完全燃烧条件