二茂鐵對柴油的助燃和消煙作用

1、二茂鐵對柴油的助燃和消煙作用與尾氣成分測定一、前言1.1實驗?zāi)康模?）了解二茂鐵以及衍生物的應(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)濟價值與環(huán)保價值。（2）掌握利用氧彈卡計測量油品燃燒所產(chǎn)生的熱量的操作技術(shù)。1.2實驗意義二茂鐵及其衍生物已被廣泛用作燃料助燃劑，以改善燃料的燃燒性能，還可作為汽油的抗震劑。本次實驗旨在實驗室條件下模擬汽車柴油的燃燒過程，測定相同質(zhì)量的柴油在加入二茂鐵前后的燃燒熱值變化，以及測定SO2和NO2等廢氣的含量，通過數(shù)據(jù)分析體驗二茂鐵對柴油的助燃和消煙作用。1.3文獻綜述與總結(jié)二茂鐵學(xué)名是二環(huán)戊二烯基鐵，化學(xué)性質(zhì)比較穩(wěn)定，其結(jié)構(gòu)中亞鐵處于激化狀態(tài)，具有多種催

2、化特性1。隨著研究的深入，二茂鐵及其衍生物的用途逐漸被認識和開發(fā)，不同類型的二茂鐵衍生物具有不同的功能，歸納起來大概有以下四個方面：在功能材料方面,用于燃油添加劑、作液晶材料、超導(dǎo)材料、穩(wěn)定劑等；在生物學(xué)上用作人工抗體、抗癌活性藥物和細菌活性藥物、生物酶電極及殺蟲劑等；在分析化學(xué)上用作膜電極、滴定劑等；有機化學(xué)反應(yīng)中作為不對稱反應(yīng)的催化劑和有機合成的中間體等。（1）用于燃油添加劑目前，二茂鐵最廣泛的一個應(yīng)用就是向柴油中加入一定量的二茂鐵，能起到消煙助燃的作用，進而降低柴油發(fā)動機的排煙量和尾氣中一氧化碳的含量，減輕排放尾氣對環(huán)境的污染，增強發(fā)動機的功率。另外，二茂鐵還能夠清除柴油機引擎燃燒室表面

3、的沉積炭，并能在其表面沉積一層氧化鐵膜，有效地防止了炭粒子的重新沉積。將二茂鐵及其衍生物添加到汽油中，不僅可提高汽油的辛烷值而且增強了抗爆性能，添加到燃燒重油的鍋爐中，減少生成煙塵的效果更為明顯，既提高了燃油的燃燒效率，又可節(jié)約燃料油2.將二茂鐵衍生物添加到火箭燃料中,能促進燃料的充分燃燒并起到消煙作用。二茂鐵衍生物是目前使用最廣泛的火箭燃料催化劑之一3。此外,含氨基硅烷二茂鐵的硅烷聚合物可改善冷凍潤滑劑的熱性能和水解性能。（2）用于液晶材料將含二茂鐵基的有機配合物用于液晶材料的研究開始于上世紀七十年代。1976年，Malthe等合成了第一個過渡金屬有機液晶，即含二茂鐵基的席夫類金屬有機配合物

4、，此類化合物的液晶態(tài)的分子接近晶相排列，從而為今后在這方面的研究奠定了基礎(chǔ)。（3）用于農(nóng)藥二茂鐵衍生物可用作殺蟲劑和殺菌劑。1976年Edward在青霉素和頭孢菌素上引入二茂鐵?；?，大大提高了其殺菌活性。苯甲?；F能有效地殺死微生物,(3,4-二甲基)苯甲酰基二茂鐵可用于殺滅黃瓜霉菌4。此外，含二茂鐵甲酰基的硫脲衍生物具有一定的植物生長調(diào)節(jié)活性和殺菌活性。（4）催化方面的應(yīng)用將二茂鐵和鉀吸附在活性炭上作為合成氨催化劑，可使合成氨反應(yīng)在緩和的條件下進行，二茂鐵的含t增加，催化的活性也隨之增加；在甲苯氯化反應(yīng)中，用二茂鐵作催化劑，可以增加對抓甲苯的產(chǎn)率；在氣相制備碳纖維的過程中，以二茂鐵作催

5、化劑，可以獲得高質(zhì)量的碳纖維產(chǎn)品5。二、實驗部分2.1實驗原理2.1.1二茂鐵的助燃、消煙機理二茂鐵學(xué)名是二環(huán)戊二烯基鐵，化學(xué)性質(zhì)比較穩(wěn)定,其結(jié)構(gòu)中亞鐵處于激化狀態(tài)，具有多種催化特性。二茂鐵是非苯系芳香族化合物，具有易取代性，可制備各種不同類型的衍生物。二茂鐵之所以能提高汽油抗爆性，是因為它在400以上時即可分解產(chǎn)生游離鐵，這種游離鐵很容易與空氣中的氧作用，生成三氧化二鐵。三氧化二鐵再與未燃工作混合氣中產(chǎn)生的過氧化物作用，生成化學(xué)性質(zhì)不活潑的有機氧化物和氧化鐵，而氧化鐵又能與空氣中的氧生成三氧化二鐵，使鐵再產(chǎn)生消除過氧化物的作用。因鐵的作用減少了發(fā)動機氣缸未燃工作混合氣中的過氧化物，從而消除了

6、發(fā)動機因自燃而產(chǎn)生的爆震現(xiàn)象。2.2.2燃燒熱的測量原理利用氧彈卡計測量柴油燃燒產(chǎn)生的熱量。根據(jù)能量守恒定律，樣品完全燃燒放出的熱量促使卡計本身及其周圍的介質(zhì)（本實驗用水）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燃燒熱，在量熱計與環(huán)境沒有熱交換情況下，其關(guān)系式為：m樣Qv=W（卡+水）T m點火絲Q點火絲2.2.3雷諾校正由于氧彈量熱計不可能完全絕熱，其與周圍環(huán)境的熱交換是無法完全避免的，因此燃燒前后溫度的變化不能直接用測定到的燃燒前后的溫度差來計算，必須經(jīng)過雷諾校正才能得到準確的溫度變化。通過上述公式可分別計算和測量柴油和在柴油中假如二茂鐵后柴油燃燒放出的熱量的燃燒值，即

7、可研究二茂鐵作為柴油燃燒的添加劑對柴油燃燒效率的影想規(guī)律。本實驗以T/m（單位重量柴油燃燒引起溫度變化值）研究添加劑對柴油燃燒效率的影響規(guī)律。2.2儀器與試劑2.2.1實驗儀器氧彈式量熱裝置、紫外分光光度計、數(shù)顯溫差測量儀、貝克曼溫度計、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2.2.2實驗試劑二茂鐵、柴油、高壓氧氣瓶、二氧化硫標準吸收液(甲醛緩沖吸收液)、鹽酸副玫瑰苯胺(PRA)0.05 %、氨磺酸鈉0.06 %、氫氧化鈉(1.5 mol/L)、二氧化氮顯色液、亞硝酸鈉標準使用液(2.5 g/mL)、二氧化硫標準使用液(1 g/mL) 2.3實驗步驟2.3.1不完全

8、燃燒條件下二茂鐵對柴油燃燒燃值和燃燒速率的影響充氧壓力：0.9atm。（1）稱取柴油1.0克，測量柴油燃燒前后溫度隨時間變化曲線，經(jīng)雷諾作圖法求取T；（2）稱取柴油1.0克，加入二茂鐵(自合成樣品或標準試劑樣品)，使柴油中二茂鐵含量 1.0%；測量柴油燃燒前后溫度隨時間變化曲線，經(jīng)雷諾作圖法求取T；（3）通過T，分別計算柴油和添加了二茂鐵柴油的恒容燃燒值QV、QV/g或T/g；并仔細觀察坩堝灰渣情況和排出氣體氣味，稱量灰渣重量。（4）通過燃燒反應(yīng)曲線，燃燒時溫度上升的速率和T，求取T/t，比較不同配比的柴油其燃燒速率的差異。（5）分別測定柴油和添加了二茂鐵柴油燃燒后尾氣排放中二氧化硫和二氧化氮

9、的含量，以微克（SO2；NO2）/g（柴油）表示測定結(jié)果。2.3.2二氧化硫氣體的測定2.3.2.1二氧化硫標準曲線的繪制（1） 取12支10 ml具塞比色管，分A、B兩組，分別對應(yīng)編號，A組按下表配制標準系列 表1. 二氧化硫標準系列數(shù)據(jù)表（標準溶液1g/mL）管號012345二氧化硫標準液/mL00.51.002.005.008.00二氧化硫吸收液/mL10.009.509.008.005.002.00二氧化硫含量/g00.51.002.005.008.00二氧化硫/(g/L)00.050.100.200.500.80（2）B管組各管中分別加入0.05% PRA（鹽酸副玫瑰苯胺，顯色劑）使

10、用液1ml。（3）A管組分別加入0.06%胺磺酸鈉溶液0.5ml（用于屏蔽溶液中氮氧化物對測定的干擾）,1.5mol/L氫氧化鈉0.5ml,混勻.（4）迅速分別將A組逐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。(5) 將扣除空白試樣的吸光度與二氧化硫含量作圖，可得二氧化硫標準曲線.2.3.2.2樣品測定將4.00ml二氧化硫吸收液（甲醛吸收液） 放入吸收瓶中，用于吸收氧彈中的燃燒尾氣。然后將吸收瓶中的樣品全部移入10ml比色管中，用少量二氧化硫吸收液（甲醛吸收液）洗滌吸收管,倒入比色管中，并用吸收液稀

11、釋至5.0ml標線。加入0.060%胺磺酸鈉0.5ml，搖勻，放置10分鐘，以除去氮氧化物干擾，加入1.50ml/mol氫氧化鈉0.5ml,混勻，再將此管中溶液倒入已裝入PRA使用液1ml的比色管中,具塞搖勻，室溫下顯色5分鐘，在577nm處測定所測樣品消光值。根據(jù)消光值通過二氧化硫標準曲線查得相應(yīng)二氧化硫濃度，根據(jù)所測樣品總體積計算排放的二氧化硫總量，以每克柴油放出二氧化硫的微克數(shù)衡量燃燒尾氣中二氧化硫的排放量。2.3.3二氧化氮氣體的測定方法2.3.3.1二氧化氮標準曲線的繪制（1）取六支10ml具塞比色管，按下表配置成亞硝酸鈉標準溶液系列：表2. 亞硝酸鈉標準溶液數(shù)據(jù)表（標準溶液2.5g

12、/mL）管號012345NaNO2標準液/mL00.400.801.201.602.00水/mL2.009.509.008.005.002.00NO2顯色液/g00.51.002.005.008.00NO2含量(g/L)00.050.100.200.500.80（2）將各管混合均勻,置于暗處中放置20min(室溫低于20時顯色40min以上)后,用1cm比色皿,在波長540nm處，以水為參比液，測定其吸光度.（3）將扣除空白試樣的吸光度與亞硝酸濃度作圖,可得亞硝酸鈉標準曲線。2.3.3.2樣品測定將5.00ml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2

13、0min(室溫低于20時顯色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準曲線上查得相應(yīng)二氧化硫濃度，根據(jù)所測樣品總體積計算排放二氧化硫的總量，以每克柴油放出二氧化硫的微克數(shù)衡量尾氣中二氧化氮的排放量。2.4實驗現(xiàn)象與結(jié)果2.4.1不完全燃燒條件下二茂鐵對柴油燃燒值和燃燒速率的影響及尾氣成分測定表3 不完全燃燒條件下不添加二茂鐵柴油的燃燒熱數(shù)據(jù)(測定NO2)m(柴油) = 1.0018 gm(鐵絲) = 0.1100g m(剩余鐵絲)=0.0550g時間/min溫度/時間/min溫度/時間/min溫度/時間/min溫度/027.94

14、94.527.9379.030.08313.530.3190.527.9545.027.9629.530.14914.030.3231.027.9545.528.08110.030.19214.530.3241.527.9536.028.52610.530.23115.030.3262.027.956.528.98211.030.25515.530.3262.527.9477.029.3711.530.27316.030.3253.027.9447.529.60412.030.28816.530.3243.527.9428.029.84712.530.30817.030.3204.027.94

15、18.529.98913.030.31417.530.318表4 不完全燃燒條件下未添加二茂鐵柴油的燃燒熱數(shù)據(jù)(測定SO2)m(柴油) = 1.0038 gm(鐵絲) = 0.1110g m(剩余鐵絲)=0.0300g時間/min溫度/時間/min溫度/時間/min溫度/時間/min溫度/026.7574.527.5319.029.00513.529.1120.526.7625.027.9809.529.02714.029.1141.026.7635.528.33510.029.04914.529.1161.526.7656.028.54410.529.06615.029.1172.026.7

16、676.528.67911.029.07815.529.1172.526.7687.028.78811.529.08716.029.1183.026.7687.528.86712.029.09716.529.1173.526.7728.028.92512.529.10317.029.1164.027.0678.528.96813.029.10817.529.115表5 不完全燃燒條件下添加二茂鐵柴油的燃燒熱數(shù)據(jù)(測定NO2)m（柴油） = 1.0045 g m（鐵絲） = 0.1590gm（二茂鐵）=0.0118g m（剩余鐵絲）=0.0920g時間/min溫度/時間/min溫度/時間/min

17、溫度/時間/min溫度/026.8464.528.4229.029.32313.529.3850.526.8485.028.7109.529.34014.029.3841.026.8505.528.90510.029.35214.529.3841.526.8516.029.03410.529.36315.029.3832.026.8516.529.12611.029.3715.529.3812.526.8527.029.19011.529.37616.029.383.026.9177.529.24212.029.37916.529.3783.527.3488.029.27512.529.383

18、17.029.376表6 不完全燃燒條件下添加二茂鐵柴油的燃燒熱數(shù)據(jù)(測定SO2)m（柴油） = 1.0788 g m（鐵絲） = 0.1280gm（二茂鐵）=0.0110g m（剩余鐵絲）=0.0050g時間/min溫度/時間/min溫度/時間/min溫度/時間/min溫度/026.8284.527.3539.029.2713.529.4180.526.8345.027.8759.529.30414.029.421.026.8375.528.36110.029.33414.529.4251.526.8396.028.65110.529.35815.029.4262.026.8396.528.

19、85111.029.37415.529.4262.526.847.028.89911.529.38716.029.4263.026.8427.529.14512.029.39716.529.4263.526.8438.029.17412.529.40717.029.4254.026.8858.529.22813.029.41417.529.424經(jīng)雷諾校正后，可得到T值測定1，未加二茂鐵：T1=2.49K測定3，加入二茂鐵：T3=2.75K經(jīng)雷諾校正后，可得到T值測定2，未加二茂鐵：T2=2.38K測定4，加入二茂鐵：T4=3.08K表7 不完全燃燒條件下的燃燒熱、燃燒效率和燃燒速率測定編號柴油/g二茂鐵/g燃燒時間t/s溫度差T/K燃燒熱Qv/(J/g)柴油燃燒效率T/m/(K/g)柴油燃燒速率T/t/(K/s)11.001806002.4935775.372.48550.004221.003807502.3833937.212.37100.003231.00450.01186302.7539363.052.73770.004441.07880.01106603.0840752.642.85500.00472.4.2二氧化氮標準曲線的繪制及尾氣中二氧化氮含量的測定表8二氧化氮溶液濃度與吸光值關(guān)系NO2含量(g/mL)00.100.200.30