二茂铁及衍生物对柴油的助燃及消烟作用Word格式文档下载.docx
《二茂铁及衍生物对柴油的助燃及消烟作用Word格式文档下载.docx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《二茂铁及衍生物对柴油的助燃及消烟作用Word格式文档下载.docx（17页珍藏版）》请在冰点文库上搜索。
当DMC的添加比例为10%时，发动机的功率不变，热效率提高了3%，烟度也有所下降。
此外，一些高苧类的有机化合物的混合燃烧对燃烧也有促进作用。
3.3二茂铁在助燃消烟方面的作用
二茂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172~174℃，沸点249℃,100℃以上能升华；
不溶于水，易溶于苧、乙醚、汽油、柴油等有机溶剂。
不酸、碱、紫外线不发生作用，化学性质稳定，400℃以内不分解。
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。
3.4二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不燃料烃类的焰前反应，即不烃类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。
【实验部分】
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程中内能变化。
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物的标准燃烧热。
在实际测量中，燃烧反应在恒容条件下迚行（如氧弹式卡热计中迚行），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：
QP=Qv+ΔnRT
（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，在量热计与环境没有热交换情况下，其关系式为：
m样Qv=W（卡计+水）×
ΔT-m点火丝×
Q点火丝
（2）
m样为样品的重量（克）；
Qv为样品的恒容燃烧热（焦/克）；
W（卡计+水）是指氧弹卡计和周围介质的热当量（焦/度），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）（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免的，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。
2仪器与试剂
2.1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）、盐酸副玫瑰苧胺（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（2.5µ
g/mL）、二氧化硫标准使用液（1µ
g/mL）
3实验步骤
3.1氧弹量热计的使用与QV的测量
①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;
②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;
③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.
④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.
⑤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（SO2；
NO2）/g（柴油）表示测定结果。
3.2二氧化硫气体的测定实验步骤
①二氧化硫标准曲线的绘制
（1）取12支10ml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
1
2
3
4
5
二氧化硫标准液（ml）
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
二氧化硫含量（微克）
二氧化硫含量（微克/毫升）
0.05
0.10
0.20
0.80
（2）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,
（3）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.
（4）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.
（5）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。
3.3二氧化氮气体的测定方法------盐酸萘乙二胺分光光度法
①二氧化氮标准曲线的绘制
（1）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
亚硝酸钠标准溶液（标准液浓度2.5微克/毫升）
5
亚硝酸钠标准液（ml）
0.40
1.20
1.60
水（ml）
显二氧化氮色液（ml）
亚硝酸浓度（mg/mL）
0.30
（2）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.
（3）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.
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
4.1实验现象
现象
未加二茂铁
燃烧后，有少量的柴油留下，残渣为黑色，有刺激性气味气体。
加入二茂铁
几乎没有柴油燃烧剩余，残渣为褐色，有刺激性气味。
4.2实验数据及处理
①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，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。
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。
实验一、不完全燃烧条件下柴油燃烧热数据（用于测二氧化氮）
柴油质量：
1.2240g铁丝质量=燃烧前-燃烧后=0.0020g
时间/min
温度T/℃
0.5
22.365
23.278
9.5
24.636
22.309
5.5
23.724
10
24.658
1.5
22.333
6
24.017
10.5
24.677
22.346
6.5
24.229
11
24.691
2.5
22.354
7
24.36
11.5
24.702
22.358
7.5
24.452
12
24.711
3.5
22.36（点火）
8
24.521
12.5
24.718
22.457
8.5
24.568
13
24.726
4.5
22.85
9
24.607
13.5
24.729
雷诺曲线图：
实验二、不完全燃烧条件下加入二茂铁的柴油燃烧热数据（用于测二氧化氮）
1.2116g添加二茂铁质量：
0.0119g
铁丝质量=燃烧前-燃烧后=0.0050g
21.776
23.074
24.259
22.104
23.467
24.277
22.047
23.714
24.291
22.064
23.883
24.302
22.037
23.996
24.311
22.078
24.076
24.319
22.082
24.133
24.325
22.084（点火）
24.176
14
24.33
22.164
24.211
14.5
24.333
22.663
24.238
15
24.336
实验三、不完全燃烧条件下柴油燃烧热数据（用于测二氧化硫）
1.2230g铁丝质量=燃烧前-燃烧后=0.0082g
22.133
23.029
24.24
22.146
23.427
24.257
22.154
23.685
24.271
22.158
23.859
24.281
22.161
23.98
22.163
24.06
24.298
24.118
24.304
22.165（点火）
24.16
24.309
22.241
24.196
24.313
22.615
24.22
24.316
实验四、不完全燃烧条件下加入二茂铁的柴油燃烧热数据（用于测二氧化硫）
1.2100g添加二茂铁质量：
0.0125g
铁丝质量=燃烧前-燃烧后=0.0012g
21.637
22.871
24.175
21.742
23.312
24.192
21.765
23.612
24.205
21.777
23.781
24.216
21.784
23.903
24.225
21.788
23.991
24.234
21.791
24.048
21.793（点火）
24.092
24.245
21.877
24.127
24.248
22.318
24.115
24.25
由上述雷诺校正图可求出：
△T1=24.5482-22.4792K=2.069K△T2=24.1961-22.1731K=2.023K
△T3=24.1781-22.2562K=1.9219K△T4=24.098-21.887K=2.3380K
由m样Qv=W（卡计+水）×
Q点火丝，可得
Qv1=（14541.35J/K×
2.069K-6694.4J/g×
0.0020g）÷
1.2240g=24474.10J/g
Qv2=（14541.35J/K×
2.023K-6694.4J/g×
0.0082g）÷
1.2230g=24255.30J/g
Qv3=（14541.35J/K×
1.9219K-6694.4J/g×
0.0050g）÷
1.2116g=22809.46J/g
2.3380K-6694.4J/g×
0.0012g）÷
1.2100g=28094.48J/g
柴油的燃烧效率分别为:
△T1/g1=2.069K/1.2240g=1.6904K/g
△T2/g2=2.023K/1.2230g=1.6697K/g
△T3/g3=1.9219K/1.2116g=1.5715K/g
△T4/g4=2.3380K/1.2100g=1.9322K/g
②二氧化氮和二氧化硫标准曲线数据及处理
亚硝酸浓度
（ug/ml）
二氧化氮吸光值（540nm）
二氧化硫浓度（ug/ml）
二氧化硫吸光值（540nm）
0.02
0.046
0.1
0.112
0.053
0.2
0.212
0.066
0.3
0.313
0.117
0.4
0.348
0.185
0.46
0.8
0.317
二氧化氮标准曲线绘制：
A1=0.85971*c1+0.02924
有图可得二氧化氮的标准曲线方程为A1=0.85971*c1+0.02924，可求得
吸光度A
NO2（μg/mL）
每克柴油燃烧放出的NO2量（μg/g）
不加二茂铁
0.104
0.08696
0.071
加二茂铁
0.190
0.18699
0.154
二氧化硫标准曲线绘制：
A2=0.33381*c2+0.03887
有图可得二氧化硫的标准曲线方程为A2=0.33381*c2+0.03887，可求得
SO2（μg/mL）
每克柴油燃烧放出的SO2量（μg/g）
0.099
0.18274
0.149
0.09886
0.082
【结果和讨论】
1.由实验三、四的数据分析可知，不加入二茂铁时，每克柴油燃烧放出的SO2量为0.149μg；
加入适量二茂铁时，每克柴油燃烧放出的SO2量为0.082μg。
由此可见，加入二茂铁后，柴油燃烧时二氧化硫的排放量减少了；
由实验一、二的数据分析可知，不加入二茂铁时，每克柴油燃烧放出的NO2量为0.071μg；
加入二茂铁时，每克柴油燃烧放出的NO2量为0.154μg。
由此可见，加入二茂铁后，柴油燃烧时二氧化氮的排放量反而增加了。
因为加入无二茂铁，柴油燃烧后，氧弹内的温度升高得更多，而温度升高促使了氮氧化合物的形成，所以此时会形成更多的二氧化氮。
2.由以上四组数据分析可知，不加入二茂铁时，柴油燃烧效率分别为1.6904K/g，1.5715K/g；
加入二茂铁时，柴油燃烧效率分别为1.6697K/g，1.9322K/g，由此发现，实验二加入二茂铁后，柴油的燃烧效率并没有提高，不符合了文献中提高的二茂铁作为助燃剂，可以促进燃油的燃烧，提高燃料利用率的说法。
又由于实验过程中没有称量燃烧后产物的质量，无法知道其燃烧状况如何，因此可能是实验操作过程记录数据的时候出现漏记，记错的情况。
实验三、四就正确反应了二茂铁做为助燃剂的说法。
【结论】
实验结果表明，二茂铁作为燃油添加剂加入柴油中，在不完全燃烧的条件下能够提高柴油的燃烧速率，同时可以降低二氧化硫的生成量，这对于降低柴油燃烧排放二氧化硫等废气具有重要意义。
而另一方面二氧化氮的排放量也随之增加，说明了二茂铁也存在着一些不足，并不是最理想的燃料添加剂，因此也需要进一步的开发和研究。
【参考文献】
[1]何广平，南俊民，孙艳辉等编著·
物理化学实验·
化学工业出版社，2007.
[2]章伟光·
综合化学实验·
化学工业出版社，2007年，85-89.
[3]何广平,章伟光.二茂铁的合成及二茂铁对柴油燃烧速率和燃烧效率影响的研究[J].临析师范学院,2004,26（6）:
96-98.
升级会员 