物理化学实验报告柴油微乳液拟三元相图的绘制及燃烧性能测定.doc

华南师范大学实验报告专业：材料化学 年级班级：12级材料化学课程名称：物理化学实验 指导老师：何广平实验项目：柴油微乳液拟三元相图的绘制及燃烧性能测定柴油微乳液拟三元相图的绘制及燃烧性能测定1、 实验目的 实验第一阶段：本实验学习柴油微乳体系拟三元相图的绘制与研究方法，并根据相图，选择合适的柴油微乳液，通过氧弹卡计进行燃烧性能测定，比较柴油、微乳柴油燃烧时其燃烧效率的不同，对微乳柴油的经济与环保价值进行评价。 实验第二阶段：通过对乳化柴油的燃烧热的测定，掌握燃烧热的定义，学会测定物质燃烧热的方法，了解恒压燃烧热与恒容燃烧热的差别；了解氧弹卡计的主要部件的作用，掌握氧弹卡计的量热技术；熟悉雷诺图解法校正温度改变值的方法。2、 实验原理实验第一阶段：拟三元相图的研究方法实验第二阶段： 雷诺图解法处理数据； 通常测定物质的燃烧热，是用氧弹量热计，测量的基本原理是能量守恒定律。一定量被测物质样品在氧弹中完全燃烧时，所释放的热量使氧弹本身及其周围的介质和量热计有关附件的温度升高，测量介质在燃烧前后温度的变化值，就能计算出该样品的燃烧热。本实验所燃烧物质为柴油和乳化柴油，属于混合物，固测定的是燃烧物质的燃烧值。标准物：苯甲酸 3、 实验试剂和仪器实验试剂：柴油0#、油酸（化学纯）、十六烷基三甲基溴化铵（CTAB）（化学纯）、氨水、正丁醇实验仪器：燃烧热测定装置一套、充氧装置一套、万用电表 、5安保险丝、1000ml烧杯、磁力搅拌器、搅拌子（中）、电导率仪 、氧气、电子分析天平（每组一台）； 烧杯（50ml）、250ml、镊子、滤纸、PH试纸、玻棒、洗耳球、胶头滴管等 4、 实验内容和步骤第一阶段：水-柴油体系配制及拟三元相图绘制1.复合乳化剂配比:油酸66.15%、十六烷基三甲基溴化铵(CTAB)0.91%、氨水9.1%， 正丁醇 23.8% 2.复合乳化剂配制：室温下，将油酸36.5克放入50ml的烧杯中, 加入5克氨水,充分搅拌，反应20分钟后 加入0.5克CTAB,13.2克正丁醇,在磁力搅拌器上不断搅拌至溶解（时间约需30分钟）,此时所得复合乳化剂清晰、透亮,放置备用。3.柴油-水-复合乳化剂微乳液柴油的制备与拟三元相图绘制 在一定温度下(通常为室温), 称取(10g)的水- 柴油,其中 m(柴油0#)m(水)分别为 91、 82、64、46、 37,、28,样品 ，分别放在50ml烧杯中,逐渐往烧杯中滴加复合乳化剂, 并不断在磁力搅拌器上搅拌至溶液刚好变澄清, 静置约20 min 后观察, 如仍透明, 则记录所加复合表面活性剂的用量。根据重量差减法记录加入的复合乳化剂重量，并根据体系中所含有的柴油、水的重量，计算柴油- 水- 复合乳化剂拟三元体系达到透明状态时各物质的重量%，根据各不同配比拟三元体系中各个物质的重量%，把复合乳化剂作为一个组分,另两个组分分别为油和水，绘制拟三元相图，用以观察柴油微乳液体系的相行为。第二阶段：乳化柴油燃烧热的测定 柴油与乳化柴油燃烧性能测定：实验中选择柴油0#、W/O乳化柴油作为燃烧体系，分别将约1.2克燃油体系放入坩埚，将铁丝接在氧弹卡计的两极上，并将铁丝浸没柴油中，向氧弹量热计中充以氧气，弹内的氧气压力冲至0.9Mpa,在燃油不完全燃烧的条件下,通过测定燃烧过程中t、T值以及燃烧残渣的重量，计算Qv/m 、T/m（K/g）、T/t（K/s），比较柴油与乳化柴油的燃烧效率以及燃烧速率不同，并对燃烧结果进行评价。5、 实验现象第一阶段：1.配置复合乳化剂过程当中，把氨水加入油酸之后搅拌，这时逐渐有乳白色的絮状物生成，并逐渐结成团状粘稠固体。加入CTAB和正丁醇之后搅拌，固体逐渐溶解为淡黄色液体；2.柴油与水混合之后，随着磁力搅拌器带动搅拌子搅拌，混合物逐渐浑浊（油水比例比较低时出现团状固体），随后浑浊澄清成亮黄色液体。第二阶段：1. 待柴油燃烧之后，坩埚中盛有炭黑，而固定坩埚的装置中没有明显炭黑存在；2. 待乳化柴油燃烧之后，坩埚中基本没有炭黑，而固定坩埚的装置中有明显炭黑分散分布。6、 实验数据及其分析第一阶段：表一：复合乳化剂各成分的质量试剂油酸氨水正丁醇CTAB质量（g）36.51205.012613.20460.5018表二：乳化柴油中柴油-水-复合乳化剂的质量情况 水-油总质量：5g油水比例油的质量（g）水的质量(g)乳化剂质量（g）油-水-乳化剂总质量（g)油的质量分数（%）水的质量分数（%）乳化剂质量分数（%）9:14.53400.47030.76655.770878.57%8.15%13.28%8:23.97761.09002.50367.571252.54%14.40%33.07%6:43.08212.02553.16618.273737.25%24.48%38.27%4:62.00433.00265.351510.358419.35%28.99%51.66%3:71.51203.54764.59479.654315.66%36.75%47.59%2:81.01693.98587.448612.45138.17%32.01%59.82%图一：柴油-水-复合乳化剂拟三元相图的绘制数据分析： 可以看到，柴油-水-复合乳化剂拟三元相图中，不共融区仍然比较宽。这可能在实验过程当中，由于颜色观察差异，导致在乳化柴油在颜色变成亮黄之后仍不断加入复合的乳化剂，这可能是使不共融区变大的其中一个原因。在放置时间为一周的情况下，油水比例9:1、8：2的乳化柴油仍未变质，说明实验制作的乳化柴油质量复合要求。第二阶段：表三：乳化柴油和0#柴油燃烧温度变化表时间/30s温度变化值T（）乳化柴油0#柴油柴油质量m/g1.20531.2040铁丝质量差m/g(0.0145-0.0105)g=0.040g(0.0120-0.0106)g=0.014g10.6080.82920.8380.95130.9280.99940.9631.02050.9761.02860.9801.03270.9821.03480.9841.0359（点火）1.0451.406101.5511.817112.2752.275122.7692.649133.0872.914143.2763.087153.4043.198163.4883.274173.553.330183.5953.370193.6323.401203.6573.423213.6943.441223.7063.455233.7163.466243.7233.474253.7293.481263.7333.484273.7363.489283.7393.491293.7413.492图二：乳化柴油和柴油燃烧温度变化数据图数据分析：1. QV 的计算根据 可得：0#柴油QV1=-14541.35(3.4921.406)-0.0146694.4/1.2040=-25115.89J/g乳化柴油：QV2=-14541.35(3.7411.045)-0.0406694.4/1.2053=-27960.52J/g由此可见：乳化柴油的燃烧值要高于未乳化的柴油。2. QV/m（KJ/m2）的计算QV/m（0#柴油）=-25115.89/1.2040=-20.86 KJ/m2QV/m（乳化柴油）=-27960.52/1.2053=-23.20 KJ/m23.T/m（K/g）的计算T/m（0#柴油）=(3.4921.406)/1.2040=1.7326 K/gT/m（乳化柴油）=(3.7411.045)/1.2053=2.2368 K/g4.T/t（K/s）的计算T/t（0#柴油）=(3.4921.406)/630=3.3010-3 K/sT/t（乳化柴油）=(3.4921.035)/630100%=3.9010-3 K/s表四：乳化柴油和普通柴油燃烧数据QV （KJ/g）QV/m（KJ/m2）T/m（K/g）T/t（K/s）乳化柴油-27.96-23.20 2.233.9010-3 0#柴油-25.12-20.861.733.3010-3从以上QV 、T/m（K/g）、T/t（K/s）的计算中，可发现，单位乳化柴油比单位柴油放出的燃烧值、单位温度的变化、单位温度的变化速率要大，这就给实际的生产带来可观的社会经济价值，而通过实验现象发现，相同质量的乳化柴油和普通柴油不完全燃烧的情况下，普通柴油产生的炭黑量要明显的乳化柴油产生的，因此柴油的乳化可在一定程度上降低化石能源燃烧给环境带来的污染，具有一定的社会环境价值。7、 思考题（1） 柴油的主要成分是什么？其燃烧后可能形成的产物有那些？答：柴油的主要成分柴油主要是由低级的烷烃、烯烃、环烷烃、芳香烃、多环芳烃与少量硫、氮及添加剂组成的混合物。生成的产物可能有，N的化合物NxOx、 SO2、 CO、CO2 、水以及炭黑等。（2） 乳化柴油与微乳柴油的区别？制备方法上有什么不同？答：与乳化柴油相比，微乳燃油可长期稳定,不分层,且制备简单,并能使燃烧更完全,燃烧效率高,节油率达5%15%,排气温度下降20%60%,烟度下降40%77%,NOx和CO排放量降低25%,在节能环保和经济效益上都有较为可观的效果,已成为世界各国竞相开发的热点。制备方法不同：微乳柴油的制备比较简单，只需要把油、水、表面活性剂、助表面活性剂按合适的比例混合在一起就可以自发形成稳定的微柴油。乳化柴油由柴油70%+助剂15%+水15%混合而成，采用油水法可以制备乳化柴油，步骤如下：选定所要加入的乳化剂,采用HLB值筛选法控制所要加入乳化剂的量;用玻璃棒搅拌使各种乳化剂混合均匀。（3） 乳化柴油为什么不稳定？其对柴油发动机产生的损害是什么？答：乳化柴油用的添加剂，是以降低界面张力为设计目标，让表面活性剂组成的复合界面膜，强力而牢固地吸附在油水表面，但它不是热力学上的稳定体系，故稳定性不好，大多1-3个月不分层，不错的也只有半年左右。乳化油属于热力学不稳定体系,随环境条件的改变、放置时间变长会出现稳定性差、存储时间短及燃烧不稳定等现象,使内燃机工作不正常并产生锈蚀等危害，限制了它的推广应用范围。（4）为什么要进行柴油微乳液的研究？形成微乳柴油的通常条件是什么？其中各组分的作用是什么？答：近年来，随着我国农业和交通运输业的飞速发展，对石油的需求量增大，而石油资源有限，于是出现了石油供应不足、价格上涨的趋势。人类面临日益严峻的能源危机。但经济的可持续发展必须是在保护生存环境、节约宝贵资源和降低能耗的前提下的发展。因此，如何提高燃油燃烧效率和减少环境污染，研究新型节油防污染技术，包括最为人们青睐并具有节能效率高，减少尾气污染的燃料乳化以及微乳化技术，己成为人们十分关心的问题。微乳燃料的制备比较简单，只需要把油、水、表面活性剂、助表面活性剂按合适的比例混合在一起就可以自发形成稳定的微乳燃料。其中各组分的作用是,醇的种类和表面活性剂复配比例对水最大增溶量有很大影响。醇碳数适中时,醇更易富集于界面上,增加了界面面积,使增溶水量增加,更易形成微乳液。（5）什么是相图？什么是拟三元相图？绘制微乳柴油拟三元相图的作用是什么？答：对于多相体系，个相间的相互转化，新相的形成，旧相的消失与温度，压力，成有关。根据实验数据给出的表示相变规律的各种几何图形称为相图。在等温等压下三组分体系的相行为可以采用平面三角形来表示，称为三元相图。对四组分体系，需要采用立体正四面体。而四组分以上的体系就无法全面的表示。通常对四组分或四组分以上体系，采用变量合并法，比如固定某两个组分的配比，使实际独立变量不超过三个，从而仍可用三角相图来表示，这样的相图称为拟三元相图。柴油微乳液研究可采用拟三元相图的方法研究,相图绘制简单，根据相图可以初步推测体系的结构状态,能够比较直观地反映微乳体系相的变化,当体系有液晶相、凝胶相出现时,也能对微乳液及其相边界进行直观表示。（6）确定微乳液结构性质的简单方法（W/0型乳液或0/W型乳液）有那些？其原理是什么？答：微乳液性质测定：粗略配置10g/500ml的CoCl2溶液，将滤纸浸泡在该溶液中。使用时将预先浸泡在CoCl2溶液中的滤纸取出烘干，滴上乳液，若滤纸不变色仍为紫色，则为W/0型乳液，若变为红色则为0/W型乳液。实验原理:滤纸变色是乳液外相的水和C0Cl:反应生成Co(OH)2(紫色)的结果CoC12+2H2O一Co(OH)2+2HCl采用电导法进行乳液性质测定：电导行为是微乳液的重要性质之一。关于微乳液的电导研究,基本上围绕微乳液体系的导电行为和根据电导测量研究微乳液体系的相行为。尽管电导测量不能直接反映各种条件对微乳液粒子的大小的影响,但微乳液的电导率在某种程度上反映了微乳液的结构，例如W/O或O/W结构。采用偏光显微镜初步观察乳液粒径大小：不同颗粒大小，对照射光的光路影响不同。（7） 为什么将柴油微乳化可提高柴油的燃烧效率，减少尾气排放？其可能的机理有那些？答：乳化燃油与通常的乳状液一样，也分为油包水型(W/o)和水包油型(O/W)，在油包水型乳化燃料油中，水是以分散相均匀地悬浮在油中，被称为分散相或内相，燃料油则包在水珠的外层，被称为连续相或外相。我们目前所见的大多数乳化燃料油都为油包水型乳化燃料。乳化燃料燃烧是个复杂的过程，对其节能降污机理较为成熟的解释是乳化燃料中存在的“微爆”现象和水煤气反应，也就是从燃料的物理过程和化学过程来解释。提高了乳化燃料的燃烧率，降低