二茂鐵對柴油的助燃消煙作用及尾氣成分測定

1、姓名:實(shí)驗(yàn)題目：二茂鐵及其衍生物對柴油的助燃和消煙作用學(xué)號：預(yù)習(xí)憑證碼：19779組別：第三組實(shí)驗(yàn)時(shí)間：2012年4月18日1前言實(shí)驗(yàn)?zāi)康牧私舛F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。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荼乙二胺分光光度法分別測定SO和NO氣體的濃度，并應(yīng)用于柴油燃燒后尾氣成分的測定。文獻(xiàn)綜

2、述與總結(jié)柴油助燃劑的作用柴油發(fā)動機(jī)產(chǎn)生的廢氣中含有大量炭黑和有害氣體，炭黑含量決定了廢氣的煙度。炭黑會使柴油發(fā)動機(jī)噴油器堵塞，從而使燃燒惡化，不僅增加燃料消耗，而且加劇空氣污染。而柴油機(jī)的燃油經(jīng)濟(jì)性、不煙、有害物質(zhì)排放都是不燃油在燃燒室內(nèi)的燃燒情況密切相關(guān)的。柴油的擴(kuò)散燃燒是造成燃燒不完全的主要原因。燃油能否在汽缸內(nèi)迅速霧化蒸發(fā)，能否盡快有空氣混合均勻，能否迅速著火，是燃油能否完全燃燒的先決條件。因此，是否具備上述條件之一就成為判斷某種添加劑性能的依據(jù)。而助燃劑的作用原理便是能加速上述過程，是燃油接近或達(dá)到完全燃燒，助燃劑最明顯的作用就是能使柴油迅速的、完全的燃燒，從而降低油耗，減少燃燒室內(nèi)的

3、積炭和頂部活塞的結(jié)焦。據(jù)研究，從燃油燃燒化學(xué)機(jī)理的化學(xué)動力學(xué)過程來說，就燃燒過程的地位而言，以自然過程顯得更為重要。這是燃燒促進(jìn)劑的研究的一個(gè)方向。碳?xì)浠衔颮FW氧通過引發(fā)反應(yīng)產(chǎn)生R和HO,在經(jīng)過直鏈反應(yīng)產(chǎn)生于另一種很活潑的自由基ROO后，存在三種可能的反應(yīng)歷程，產(chǎn)生三種退化分子產(chǎn)物。他們是兀穩(wěn)定的中間產(chǎn)物，容易分解而產(chǎn)生更多的自由基，從而是化學(xué)反應(yīng)速度增加。因此，如果在燃油中加入添加劑，如乙醛和某些過氧化物，起到引發(fā)的作用，就可以縮短滯燃期，加速燃料的自燃過程。例如一些金屆化合物對促進(jìn)燃油的完全燃燒有顯著作用，如鐵的苦酸鹽等。天津內(nèi)燃機(jī)研究所的解釋文教授指出，含有NiCrCoMoCuMn等

4、油溶性好的有機(jī)金屆鹽和含有羥基的非金屆化合物對促進(jìn)碳粒氧化、提高燃燒速度具有顯著作用。它們的作用機(jī)理就是在燃燒重金屆的陽離子能有效地減低燃油分子C-H鍵的活化能，同時(shí)充當(dāng)催化活性的載體，向R（輕）C和CO專遞氧，促進(jìn)了燃油分子的擴(kuò)散和氧化，從而提高了燃油的燃燒速度。一些有機(jī)化合物如乳酸化合物對燃燒的促進(jìn)作用也比較明顯，如果把他們加入到除汽油之外的石油產(chǎn)品中，可以顯著的提高燃油的燃燒速度。這種乳酸化合物助燃劑的作用機(jī)理就是在燃燒室內(nèi)高溫?zé)峤馊╊?、醇類等產(chǎn)物，醛類進(jìn)而分解產(chǎn)生更多的自由基，縮短了燃油的滯燃期。含氧添加劑的自供氧能力，在促進(jìn)燃油燃燒中作用業(yè)較為明顯。目前國內(nèi)外的許多研究人員都展開了對

5、含氧添加劑的研究。其作用機(jī)理主要是氧元素在燃燒過程中起到了助燃的作用，尤其是在燃油濃度較高的地方，提高了燃油不氧接觸的幾率，使燃油能夠比較安全地燃燒。西安交通大學(xué)的王賀武、周龍寶對碳酸二甲基（DMC的研究表明：當(dāng)DMC勺添加比例為10%寸，發(fā)動機(jī)的功率不變，熱效率提高了3%煙度也有所下降。此外，一些高醇類的有機(jī)化合物的混合燃燒對燃燒也有促進(jìn)作用。碳煙（固體顆粒），是柴油在高溫，缺氧條件下裂解的產(chǎn)物，是柴油機(jī)在高壓燃燒中?？杀芸说慕Y(jié)它限制了柴油機(jī)的最大功率，嚴(yán)重影響了燃油的經(jīng)濟(jì)型，并加劇了大氣污染，因而現(xiàn)在逐漸引起了人們的重規(guī)。研究人員已經(jīng)采取了多種手段來減少碳煙排放，例如改進(jìn)燃燒室的結(jié)極、采用

6、廢氣再循環(huán)（EGR技術(shù)、裝用催化裝換器或顆粒撲集器等。這些已經(jīng)取得了兀錯(cuò)的效果，但是隨著更嚴(yán)格的排放法規(guī)的建立，有必要采取更有效的措施進(jìn)一步減低碳煙的排放。使用消煙劑是一種簡捷、有效的辦法，因?yàn)樗窃谌加瓦€在燃燒室內(nèi)的燃燒時(shí)，就控制了碳煙的形成，或者使它在燃燒室內(nèi)充分燃燒減少了隨廢氣排出的碳煙排放量。常見的消級有鑰基、鎂基和鈣基添加劑。關(guān)于碳煙的形成機(jī)理，上海內(nèi)燃機(jī)研究所李松的研究結(jié)果表明：碳煙是在主燃期的擴(kuò)散火焰中形成的，其過程是：烷炷生成烯炷，再變成乙烷，而乙烷不碳基結(jié)合又變成高分子量的碳?xì)浠衔?。另外，芳香炷生成碳煙的過程是經(jīng)過聚合脫氫而生成高分子量的碳?xì)浠衔铩＿@種高分子化合物又進(jìn)一步

7、附具，最后生成碳煙。同時(shí)他又指出，碳煙的生成量是并兀等同于排氣中的碳煙的生成量。燃燒后期的混合氣品質(zhì)影響了碳煙的最后排放。所以，對于消炎劑的作用方式，就有了兩種途徑：一減少主燃期內(nèi)碳煙的形成；二、在后期，促進(jìn)彈力的氧化。其作用機(jī)理一般是加速碳粒氧化的催化作用和阻止燃料在高溫，缺氧的條件下裂解的反催化作用。有研究結(jié)果表明，鑰鹽和鈣鹽的減煙效果較為顯著，同時(shí)指出，有一種消炎效果較為顯著的有機(jī)鈣鹽，他能使煙度平均下降20%-30%并能消除積碳二茂鐵在助燃消煙方面的作用二茂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)172174C，沸點(diǎn)249C,100C以上能升華；

8、不溶于水，易溶于苯、乙醍、汽油、柴油等有機(jī)溶劑。不與酸、堿、紫外線發(fā)生作用，化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定，400C以內(nèi)不分解。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)生大量煙塵的炷類，效果更為顯著。二茂鐵及其衍生物添加到煤油或柴油中，僅（重量）的用量，就可平均節(jié)油14%且使發(fā)煙量減少40%70%車輛功率提高10%而且在燃燒中還有促濁CO轉(zhuǎn)化為CO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

9、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。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，改善了炷類在燃燒室內(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不燃料炷類的焰前反應(yīng)，即不炷類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

10、導(dǎo)期延長，燃料的抗爆性提高。此過程可使發(fā)動機(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)過程中內(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)過程的粉變?；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)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

11、列關(guān)系式：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)境沒有熱交換情呀下，其關(guān)系式為:m樣為樣品的重量（克）；Qv為樣品的恒容燃燒熱（焦/克）；W（卡計(jì)+水）是指氧彈卡計(jì)和周圍介質(zhì)的熱當(dāng)量（焦/度），它表示卡計(jì)和水每升高一度所需要吸收的熱量，戲卡計(jì)+水）=（J/K）（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g。在實(shí)驗(yàn)過程中熱漏是無法完全

12、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。儀器與試劑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、貝充曼溫度計(jì)、電子天平、萬用電表、燒杯、量筒、比色管、移液管、容量瓶、玻板吸收瓶藥品二茂鐵、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%氨磺酸鈉氫氧化鈉（L）、二氧化氮顯色液、亞硝酸鈉標(biāo)準(zhǔn)使用液（卬g/mL）、二氧化硫標(biāo)準(zhǔn)使用液（1卬g/mL）實(shí)驗(yàn)步驟氧彈量熱計(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

13、燒熱CV,以Q/、T/W、T/t作為柴油燃燒效率不燃燒速率的評價(jià)指標(biāo)。 量熱計(jì)水當(dāng)量值（水:3000ml）:W（卡計(jì)+水）=（J/k）；Q鐵絲=g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及尾氣成分測定充氧壓力：9atm,稱取柴油克，加入二茂鐵（自合成樣品或標(biāo)準(zhǔn)試劑樣品），測量柴油燃燒反應(yīng)前后溫度隨時(shí)間變化曲線，經(jīng)雷諾作圖法求取T; 通過求取樣品燃燒QVAT/W并仔細(xì)觀察給埸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AT/t。比較兀同配比的柴油其燃燒速率的差異。 分別測定含量為%勺樣品燃燒反應(yīng)后尾氣排放中二氧化硫和二氧化氮的含量。a. 二氧

14、化硫氣體的測定實(shí)驗(yàn)步驟二氧化硫標(biāo)準(zhǔn)曲線的繪制取14支10ml具塞比色管，分A、B兩組分別對應(yīng)編號，A組按下表配制標(biāo)準(zhǔn)系列：c. 二氧化硫標(biāo)準(zhǔn)系列（標(biāo)準(zhǔn)使用液濃度微克/毫升）管組各管中分別加入PR嫩用液1ml；A管組分別加入功胺磺酸鈉溶液,L氫氧化鈉，混勻。逐管迅速分別將管中溶液全部倒入對應(yīng)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處測定樣品中二氧化硫含量。d. 將扣除空白試樣的吸光度不二氧化硫含量作圖，可得二氧化硫標(biāo)準(zhǔn)曲線。樣品測定將甲醛緩沖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倒入10ml比色管中，用少量甲醛緩沖

15、液洗滌吸收管，倒入比色管中，并用吸收液稀釋至標(biāo)線。加入安磺酸鈉，搖勻，放置10分鐘，以除去氮氧化物干擾，加入mol氫氧化鈉，混勻。再將此管中溶液倒入已裝入PRA使用液的比色管中，具塞搖勻，室溫下顯色5分鐘后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，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充數(shù)衡量燃燒尾氣中二氧化硫的排放量。a. 二氧化氮?dú)怏w的測定方法鹽酸荼乙二胺分光光度法二氧化氮標(biāo)準(zhǔn)曲線的繪制取六支10ml具塞比色管，按下表配置成亞硝酸鈉標(biāo)準(zhǔn)溶液系列將各管混合均勻，置于暗處中放置20min（室溫低于20C時(shí)顯色40min以上）后，用1cm比色皿，在波長5

16、40nm處，以水為參比液，測定其吸光度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. 樣品測定將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20C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，以每充柴油放出二氧化氮的微充數(shù)衡量尾氣中二氧化氮的排放量。3實(shí)驗(yàn)結(jié)果與討論數(shù)據(jù)處理與實(shí)驗(yàn)結(jié)果實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象未添加二茂鐵時(shí)，一定量的柴油燃燒后，有少量的柴油留下，殘?jiān)鼮楹谏写碳ば詺馕稓怏w。添加二茂鐵時(shí)，幾乎沒有柴油燃燒

17、剩余，殘?jiān)鼮樽睾稚?，有刺激性氣味。燃燒效率?shí)驗(yàn)一：不完全燃燒條件下柴油燃燒數(shù)據(jù)柴油質(zhì)量：鐵絲質(zhì)量：剩余鐵絲質(zhì)量：點(diǎn)火前點(diǎn)火后時(shí)間/min溫度/C時(shí)間溫度時(shí)間溫度時(shí)間溫度實(shí)驗(yàn)二：不完全燃燒條件下添加二茂鐵的柴油燃燒熱數(shù)據(jù)柴油質(zhì)量：鐵絲質(zhì)量：剩余鐵絲質(zhì)量：二茂鐵質(zhì)量：g點(diǎn)火前點(diǎn)火后時(shí)間/min溫度/C時(shí)間溫度時(shí)間溫度時(shí)間溫度實(shí)驗(yàn)三：不完全燃燒條件下柴油燃燒熱數(shù)據(jù)柴油質(zhì)量：鐵絲質(zhì)量：剩余鐵絲質(zhì)量:點(diǎn)火后點(diǎn)火前時(shí)間/min溫度/C時(shí)間溫度時(shí)間溫度時(shí)間溫度實(shí)驗(yàn)四：不完全燃燒條件下添加二茂鐵的柴油燃燒熱數(shù)據(jù)柴油質(zhì)量：鐵絲質(zhì)量：剩余鐵絲質(zhì)量：二g點(diǎn)火前點(diǎn)火后時(shí)間/min溫度/C時(shí)間溫度時(shí)間溫度時(shí)間溫度由上述雷諾校正圖可求出:T1=由m樣Qv=w（卡計(jì)+水）xT-m點(diǎn)火絲xQ點(diǎn)火絲,得:Qvi=Kx柴油燃燒效率：Qvi/Wi=g+=Qv2/W2=g+=Qv3/W4=g+=Qv4/W4=g+=燃燒速率/ti=+min=K/minT2/At2=+（11-4）min=0.3550K/min T3/At3=+（13-6）min=K/min T4/At4=+min=K/minNO2標(biāo)準(zhǔn)曲線的繪制亞硝酸濃度（ug/mlA扣除空白