二茂铁对柴油的助燃消烟作用.docx
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二茂铁对柴油的助燃消烟作用
二茂铁对柴油的助燃消烟作用与尾气成份测定
姓名：
黄伟乐班级：
化学1班学号：
20082401156指导老师：
何广平课件密码：
00290
1.前言
1.1实验目的
①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，其重要的经济价值与环保价值。
②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蔡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]
1.3文献综述与总结
二茂铁与芳香族化合物化学性质相似，具有独特的芳香性，甚至在一些情况下，其芳香性能大于苯环。
二茂铁为18电子构型，具有良好的稳定性，其中心铁原子和环戊二烯基都具有一定的活性，从而可以进行一系列的有机反应。
在二茂铁的环上容易发生亲电取代反应，可进行金属化、氯化、酰基化、烷基化、磺化、甲酰化以及配合体交换等反应，从而可制备一系列用途广泛的衍生物。
二茂铁衍生物具有疏水性，这使其能够顺利地通过细胞膜，与细胞内物质相互作用，此外它还具有良好的稳定性、低毒性，因而可作为治疗某些疾病的药物，如抗癌药物等。
由于二茂铁及其衍生物还具有氧化还原可逆性，可在酶的作用下参与代谢作用，所以它们还可用来制造植物生长调节剂、杀虫剂等。
二茂铁衍生物具有良好的电导特性，当二茂铁与共轭体系衔接时，可以形成性能良好的分子导线。
第一个含二茂铁代表性的分子导线是1,1′-双（三甲基甲硅烷乙炔基）二茂铁。
二茂铁的热稳定性、氧化还原性、结构可变性和金属特性，使得其在液晶材料方面的应用前景也十分广阔。
此外，二茂铁衍生物还被广泛地应用到抗菌剂，聚合物、纳米材料、电化学元件、生物化学、分析化学等邻域，对其的开发利用成为金属有机化学界的热议话题。
[2]
目前，二茂铁衍生物多达数百种。
二茂铁及其衍生物最广泛的用途是作为催化剂，如不对称催化、羟醛缩合、烯烃常压氢化、芳酮硅烷化等。
二茂铁及其衍生物还可以作为燃料油添加剂。
二茂铁添加到固体燃料、液体燃料中，可以起到明显的消烟、助燃和节省燃料的作用。
尤其是添加到燃烧时会产生大量黑烟的烃类中，其效果尤为显著。
二茂铁对芳烃燃烧时的消烟作用最好，其次为烯烃、环烷烃、烷烃。
二茂铁还可用于提高汽油辛烷值，可代替四乙基铅制得无铅汽油。
由于二茂铁的这种助燃、消烟作用，可以起到提高发动机功率、节能和减少大气污染的效果，它是一种优良的环保、节能产品。
[3]
2.实验部分
2.1实验原理
2.1.1二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秳中发生热裂解或脱氢反应的迚行过秳，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秳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。
此过秳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。
2.1.2燃烧热的测量原理
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秳的焓变。
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：
（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）（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。
在实验过秳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。
2.1.3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作为柴油燃烧效率不燃烧速率的评价指标。
量热计水当量值（水:
3000ml）：
W（卡计+水）=14541.35（J/k）；
Q铁丝=6694.4J/g
2.2实验仪器与试剂
2.2.1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（2.5μg/mL）、二氧化硫标准使用液（1μg/mL）
2.3实验步骤
2.3.1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
充氧压力：
8atm，
①称取柴油1.1-1.2g，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分别为0.0%;1.0%;,测量柴油燃烧反应前后温度随时间变化曲线,经雷诺作图法求取△T；
②通过△T，求取样品燃烧Qv、△T/W；并仔细观察坩埚灰渣情冴和排出气体气味，称量灰渣重量。
③通过燃烧反应曲线，燃烧时温度上升的速率和△T，求取△T/△t。
比较不同配比的柴油其燃烧速率的差异。
④分别测定含量为0.0%、1.0%的样品燃烧反应后尾气排放中二氧化硫和二氧化氮的含量。
2.3.2二氧化硫气体的测定实验步骤
（1）二氧化硫标准曲线的绘制
a.取14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：
b.B管组各管中分别加入0.05%PRA使用液1ml；
c.A管组分别加入0.06%胺磺酸钠溶液0.5ml，1.5mol/L氢氧化钠0.5ml,混匀；
d.逐管迅速分别将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3.00ml甲醛缓冲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,用少量甲醛缓冲液洗涤吸收管,倒入比色管中,并用吸收液秲释至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1.00ml的比色管中,具塞摇匀，室温下显色5分钟后测定所测样品吸光值，根据吸光值通过二氧化硫标准曲线查得相应二氧化硫浓度，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。
2.3.3二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
a.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
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1cm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，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不添加二茂铁柴油的燃烧热数据（测定NO2）
反应前水温22.8°C
反应后水温25.4°
铁丝前0.0134g
铁丝后0.0104g
柴油1.3235g
坩埚4.4806g
剩坩埚加渣5.0526g
渣重0.5720g
时间/s
温度/℃
时间/s
温度/℃
时间/s
温度/℃
时间/s
温度/℃
0
25.425
180
25.962
360
27.338
540
27.549
20
25.401
200
26.191
380
27.39
560
27.564
40
25.422
220
26.417
400
27.43
580
27.569
60
25.43
240
26.612
420
27.459
600
27.574
80
25.435
260
26.797
440
27.493
620
27.579
100
25.445
280
26.955
460
27.509
640
27.582
120
25.457
300
27.084
480
27.518
660
27.588
140
25.55
320
27.193
500
27.532
680
27.591
160
25.736
340
27.278
520
27.545
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）
反应前水温23.0°C
铁丝前0.0137g
铁丝后0.0109g
二茂铁0.0159g
柴油1.3523g
坩埚4.4801g
剩坩埚加渣5.0526g
渣重0.5725g
时间/s
温度/℃
时间/s
温度/℃
时间/s
温度/℃
时间/s
温度/℃
0
25.192
160
25.673
320
27.083
480
27.282
20
25.197
180
26.018
340
27.123
500
27.29
40
25.196
200
26.329
360
27.156
520
27.298
60
25.194
220
26.595
380
27.181
540
27.306
80
25.196
240
26.746
400
27.206
560
27.311
100
25.21
260
26.873
420
27.229
580
27.316
120
25.346
280
26.958
440
27.241
140
25.508
300
27.024
460
27.27
0
25.192
160
25.673
320
27.083
图1
实验三不完全燃烧条件下不添加二茂铁柴油的燃烧热数据（测定测定SO2）
反应前水温22.6°C
反应后水温25.1℃
铁丝前0.0147g
铁丝后0.0080g
柴油1.3182g
坩埚4.6333g
剩坩埚加渣5.0153g
渣重0.382g
时间/s
温度/℃
时间/s
温度/℃
时间/s
温度/℃
时间/s
温度/℃
0
24.951
200
25.072
400
26.467
600
27.121
20
24.968
220
25.072
420
26.624
620
27.134
40
25.031
240
25.077
440
26.752
640
27.145
60
25.043
260
25.077
460
26.84
660
27.158
80
25.027
280
25.096
480
26.911
680
27.17
100
25.032
300
25.213
500
26.964
700
27.176
120
25.037
320
25.413
520
27.005
720
27.183
140
25.039
340
25.709
540
27.038
740
27.191
160
25.043
360
25.983
560
27.063
760
27.194
实验四不完全燃烧条件下添加二茂铁柴油的燃烧热数据（测定测定SO2）
反应前水温24.7°C
二茂铁0.0159g
铁丝前0.0145g
铁丝后0.0044g
柴油1.3152g
坩埚4.4849g
剩坩埚加渣5.1223g
渣重0.6374g
时间/s
温度/℃
时间/s
温度/℃
时间/s
温度/℃
时间/s
温度/℃
0
26.738
180
26.77
360
28.171
540
28.387
20
26.754
200
26.885
380
28.221
560
28.395
40
26.758
220
27.166
400
28.247
580
28.402
60
26.764
240
27.406
420
28.285
600
28.406
80
26.762
260
27.617
440
28.329
620
28.411
100
26.757
280
27.794
460
28.343
640
28.416
120
26.763
300
27.936
480
28.358
660
28.421
140
26.76
320
28.033
500
28.366
680
28.42
160
26.758
340
28.118
520
28.381
图2
由上述雷诺校正图可求出：
△T1=（27.173–25.524）K=1.649K
△T2=（26.925–25.195）K=1.730K
△T3=（28.295–26.771）K=1.814K
△T4=（26.880–25.066）K=1.524K
由
可得：
Qv1=[（14541.35J/K×1.649K–（0.0134g–0.0104g）×6694.4J/g]÷（1.3235g–0.5720g）=31881.04J/g
Qv2=[（14541.35J/K×1.730K–（0.0137g–0.0109g）×6694.4J/g]÷（1.3523g–0.5725g）=32234.49J/g
Qv3=[（14541.35J/K×1.814K–（0.0147g–0.0080g）×6694.4J/g]÷（1.3182g–0.3820g）=28127.70J/g
Qv4=[（14541.35J/K×1.524K–（0.0145g–0.0044g）×6694.4J/g]÷（1.3152g–0.6374g）=32595.76J/g
柴油燃烧效率：
△T1/W1=1.649K/（1.3235g–0.5720g）=2.1943K/g
△T2/W2=1.730K/（1.3523g–0.5725g）=2.2185K/g
△T3/W3=1.814K/（1.3182g–0.3820g）=1.9376K/g
△T4/W4=1.524K/（1.3152g–0.6374g）=2.2485K/g
柴油燃烧速率：
△T1/Δt1=1.649K/[（400-125）÷60]min=0.3598K/min
△T2/Δt2=1.730K/[（350-100）÷60]min=0.4152K/min
△T3/Δt3=1.814K/[（450-180）÷60]min=0.4031K/min
△T4/Δt4=1.524K/[（400-190）÷60]min=0.4354K/min
2.4.2二氧化氮标准曲线的绘制
NO2含量（μg/mL）
0.00
0.05
0.10
0.20
0.50
0.80
吸光度A
0.021
0.042
0.064
0.081
0.157
0.268
由图可得二氧化氮的标准曲线方程为：
Y=0.05167+0.938X
样品吸光度A
NO2含量/（μg/mL）
每克柴油燃烧放出的NO2量/（μg/g）
不加二茂铁
0.036
-0.017
-0.063
加二茂铁
1.461
1.502
5.555
2.4.3二氧化硫标准曲线的绘制
SO2含量（μg/mL）
0.00
0.10
0.20
0.30
0.40
0.50
吸光度A
0.02
0.177
0.257
0.325
0.422
0.516
由图可得二氧化硫的标准曲线方程为：
Y=0.02474+0.29366X
样品吸光度A
SO2含量/（μg/mL）
每克柴油燃烧放出的SO2量/（μg/g）
不加二茂铁
0.035
0.035
0.159
加二茂铁
0.039
0.049
0.222
3.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/Δt
（K/min）
NO2的含量
（μg/g）
SO2的含量
（μg/g）
实验一
1.3235
0
1.649
31881.04
2.1943
0.3598
-0.063
------
实验二
1.3523
0.0159
1.730
32234.49
2.2185
0.4152
5.555
------
实验三
1.3182
0
1.814
28127.70
1.9376
0.4031
-----
0.159
实验三
1.3152
0.0159
1.524
32595.76
2.2485
0.4354
-----
0.222
综合上表，可得出：
1.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，柴油的燃烧值更大，柴油燃烧效率更大，柴油燃烧速率也更大，但是增加不多，这也符合了文献中提到的二茂铁作为助燃剂，能促进燃油的燃烧，提高燃料利用率。
2.根据实验一和实验二数据，可以得出添加二茂铁后柴油燃烧放出的NO2的含量明显增多了。
根据实验三和实验四的数据，可以得出添加二茂铁后柴油燃烧放出SO2的含量也增多了。
这不符合文献中所提到的二茂铁可以作消烟作用，减少烟尘对大气的污染。
造成该实验结果的可能原因有：
①实验次数造成的误差，由于本身实验的时间限制，所做的实验次数仅为一次，导致数据误差较大。
若能重复几次实验取平均值，能减少或避免实验误差。
②实验操作所造成的偏差，由于我们组是5个人，各步骤分工虽然很明确，但是由于操作不熟练，有可能使充氧气的量每次都不一样，在燃烧后排气体时没有完全排完或漏气的问题。
③实验所配试剂不准确，造成后期计算的误差。
④数据处理中，用作图法得到的△T有误差。
3.另外，从实验一可以看到，NO2的含量出现负值。
造成该原因可能是实验一是第一次进行排放气体的操作，一开始不熟练，导致排气不完全或漏气。
4.结论
由以上实验数据以及分析，我们可以得知，二茂铁在柴油的燃烧能起节能消烟助燃添加剂，可以促进柴油更充分燃烧，降低柴油发动机的排烟量和尾气中一氧化碳的含量，可减轻排放气体对环境的污染，增强发动机的功率。
本实验的关键是柴油燃烧后，气体排放并吸收的操作，该步骤最好由同一个人负责进行，可以减少操作中所造成的误差。
通过本实验操作与学习，我们了解了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，其重要的经济价值与环保价值，并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和进一步巩固燃烧值测定的操作技术。
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