对柴油的助燃消烟作用与尾气成份测定

1、二茂铁对柴油的助燃消烟作用与尾气成份测定1 前言 1.1实验目的 了解二茂铁以及衍生物的应用，特别是作为一种优良的燃料助燃催化剂，其重要的经济价值不环保价值； 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。 1.2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萘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。1.3文献综述与总结1.3.1 二茂铁在助燃消烟方面的作用 二茂

2、铁是一种具有芳香族性质的有机过渡金属化合物。常温下为橙黄色粉末，有樟脑气味。熔点172174，沸点249,100以上能升华；不溶于水，易溶于苯、乙醚、汽油、柴油等有机溶剂。与酸、碱、紫外线不发生作用，化学性质稳定，400以内丌分解。其分子呈现极性，具有高度热稳定性、化学稳定性和耐辐射性，其在工业、农业、医药、航天、节能、环保等行业具有广泛的应用。研究表明，将二茂铁及其衍生物添加到固体、液体或气体燃料中，都能发挥其助燃、消烟和抗爆等作用，尤其是对燃烧时产生大量烟尘的烃类，效果更为显著。二茂铁及其衍生物添加到煤油或柴油中，仅0.1%（重量）的用量，就可平均节油14%，且使发烟量减少40%70%，车

3、辆功率提高10%，而且在燃烧中还有促进CO 转化为CO2 的作用，同时可提高燃烧热，增加功率，从而达到节能和减少大气污染的作用。二茂铁及其衍生物添加到锅炉燃料油中，可减少烟的生成和喷嘴积炭，也可掺在煤粉中作助燃减烟剂使用。此外，将二茂铁添加到动力机械燃料中，可使燃烧室的积炭减少，以减少烟尘对大气的污染。1.3.2 二茂铁的助燃消烟机理 二茂铁的助燃主要是利用二茂铁在发动机燃烧室中燃烧时生成比表面很大的Fe2O3 微粒，提高燃烧速度，改善了烃类在燃烧室内停留过程中发生热裂解或脱氢反应的进行过程，使燃料充分燃烧。进入气缸内的二茂铁衍生物受热分解，所生成的氧化铁微粒能参加燃料烃类的焰前反应，即与烃类

4、在气相氧化过程中产生自由基链式反应；产生活性中心作用，使之变为活性很小的氧化中间产物，导致过氧化物浓度降低，链的长度和分支减少；释放出能量的速度降低，着火的诱导期延长，燃料的抗爆性提高。此过程可使发动机压缩比提高，达到节油不减少有害气体的产生的目的。2.实验部分2.1实验原理有机物的燃烧热是指 1mol有机物在一个大气压下完全燃烧所放出的热量。在恒容条件下测得的燃烧热称为恒容燃烧热，它等于这个燃烧反应过秳中内能变化。在恒压条件下测得的燃烧热成为恒压燃烧热，它等于这个燃烧反应过程的焓变。化学反应热效应通常是通过恒压热效应表示，若参加燃烧反应的是一个大气压下1mol 有机物，则恒压热效应即为该有机

5、物的标准燃烧热。在实际测量中，燃烧反应在恒容条件下进行（如氧弹式卡热计中进行），这样直接测得的是反应的恒容热效应。若把参加反应的气体不生成的气体作为理想气体处理，则存在下列关系式： （1）测量的基本原理是能量守恒定理，样品完全燃烧放出的热量促使卡热计本身及其周围介质（本实验用水）温度升高，测量介质燃烧前后温度的变化，就可求算出该样品的恒容热效应，在量热计不环境没有热交换情冴下，其关系式为： （2） m样为样品的重量（g）；Qv 为样品的恒容燃烧热（J/g）；W(卡计+水)是指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一度所需要吸收的热量，W(卡计+水)=14543.35（J/K

6、）（水 3000ml），W(卡计+水)一般用经恒重的标准物如苯甲酸来标定，苯甲酸的恒容燃烧热为 26459.6J/g。T 为燃烧前后温度的升高值；m点火丝为点火丝的质量；Q点火丝为点火丝的燃烧热，其值为6694.4J/g。 在实验过程中热漏是无法完全避克的，因此，燃烧前后温度的变化值必须经过雷诺作图法或者计算法校正。通过氧弹量热装置以及公式（2）式的计算，分别测量燃油和在油中加入添加剂后的燃油的燃烧热，即可研究添加剂对燃油燃烧速率的影响。通过氧弹量热装置以及公式（2）的计算，分别测量燃油和在燃油中加入添加剂后的燃油的燃烧值，即可研究添加剂对燃油燃烧效率燃烧速率的影响。2.2 实验仪器与试剂2.

7、2.1 实验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 2.2.2实验试剂 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) 2.3实验步骤2.3.1氧弹量热计的使用与QV的测量 利用氧弹量热计测定样品的恒容燃烧热QV，以QV、T/W 、T/t作为柴油燃烧效率与燃烧速率的评价指标。量热计水当量值 (水:3000ml)：W

8、（卡计+水）= 14541.35(J/k); Q铁丝=6694.4J/g2.3.2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：0.9atm。称取柴油1.2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1.2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、QV/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

9、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（SO2；NO2）/g（柴油）表示测定结果。2.3.3二氧化硫气体的测定实验步骤（1） 二氧化硫标准曲线的绘制 a. 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 (二氧化硫标准系列(标准液浓度1.00微克/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(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,c. 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.d. 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5分钟后，以水为参比溶液，在577nm处测定样品中二氧化硫含量.e. 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.（2）样品测定 将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10分钟,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5分钟，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。2.3.4 二氧化氮气体的

12、测定方法盐酸萘乙二胺分光光度法（1） 二氧化氮标准曲线的绘制 亚硝酸钠标准溶液(标准液浓度2.5微克/毫升)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(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，按上表配置成亚硝酸钠标准溶液系列b. 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 1

13、cm 比色皿,在波长540nm处，以水为参比液，测定其吸光度. c.将扣除空白试样的吸光度不亚硝酸浓度作图,可得亚硝酸钠标准曲线.（2）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氮标准曲线上查得相应二氧化氮浓度，计算排放二氧化氮的总量，以每克柴油放出二氧化氮的微克数衡量尾气中二氧化氮的排放量。 2.4 实验现象与结果用图解法求出燃烧的条件下，不同种类的添加剂和柴油混合体系燃烧时引起卡计温度变化的差值

14、，根据（2）式计算恒容燃烧热 Qv，并计算每克柴油燃烧所引起的温度变化值T/W和每分钟柴油燃烧所引起的温度变化值T/t。以每克柴油燃烧所引起的温度变化值T/W衡量柴油的燃烧效率，以每分钟柴油燃烧所引起的温度变化值T/t衡量柴油的燃烧速率。2.4.1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实验一：不完全燃烧条件下柴油燃烧热数据（测定NO2）柴油1.2020g 原铁丝0.0106g 剩余铁丝0.0089g点火前温度/点火温度/后期温度/时间温度时间温度时间温度时间温度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实验二：不完全燃烧条件下添加二茂铁柴油的燃烧热数据（测定NO2）柴油1.2248g 原铁丝0.016g 剩余铁丝0.0100g 二茂铁0

16、.0117g点火前温度/点火温度/后期温度/时间温度时间温度时间温度时间温度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实验三：不完全燃烧条件下柴油燃烧热数据（测定SO2）柴油1.2168g 原铁丝0.0112g 剩余铁丝0.0062g点火前温度/点火温度/后期温度/时间温度时间温度时间温度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实验四：不完全燃烧条件下添加二茂铁柴油的燃烧热数据（测定SO2）柴油1.1987g 二茂铁0.0115g 原铁丝0.0114g 剩余铁丝0.0072g点火前温度/点火温度/后期温度/时间温度时间温度时间温度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由上述雷诺校正图可求出：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柴油燃烧效率：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柴油燃烧速率：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/min2.4.2二氧化氮标准曲线的绘制亚硝酸浓度（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 扣除空白试样的吸光度：亚硝酸浓度（ug/ml）0.100.200.300.400.50吸光度A0.0730.1490.2570.3370.427由图可得二氧化氮的标准曲线方程为：Y = -0.0202+ 0.896X R=0.9988461样品吸光度ANO2含量/(g/mL)每克柴油燃烧放出的NO2量/(g/g)不加二茂铁0.1330.1350.562加二茂铁0.3410.3671.4982.4.3二氧化硫标准曲线的绘制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扣除空白试样的吸光度：SO2 含量（g/ml）0.050.100.200.500.80吸光度A0.0060.0080.0130.0370.048由图可得二氧化硫的标准曲线方程为：Y = 0.002799+ 0.059397X R= 0.9898116样品吸光度ASO2含量/(g/mL)每克柴油燃烧放出的SO2量/(g/g)不加二茂铁0.0510.2561.262加二茂铁0.0560.3401.8373.结果与讨论实验结果总表如下：项目柴油质量（g）二茂铁质量（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)实验一1.202001.62619661.31.3530.21680.562-实验二1.22480.01171.91922750.41.5670.23991.498-实验三1.216801.11913340.60.9200.2487-1.262实验四1.19870.01152.27327550.21.8960.4133-1.837综合上表，进行分析：1.分别根据实验一和实验二，实验三和实验四的数据，添加二茂铁后，柴油的燃烧值更