燃油添加剂的助燃消烟作用与燃油燃烧尾气成分的测定.doc

实验22 燃油添加剂的助燃消烟作用与燃油燃烧尾气成分的测定【实验背景】

我国的车辆数量（特别在大城市和经济发达地区）迅速增多，车辆尾气造成的空气污染已日趋严重，而车辆尾气造成的大气污染已开始向深度污染和二次污染的方向发展，如光化学烟雾就是由主要来自车辆尾气排放的大量污染物中的烯烃类碳氢化合物，经过强阳光照射发生光化学反应，从而生成的有毒烟雾。我国车辆尾气排放中有害物质含量高于工业发达国家，据统计，大气污染物中的60%～70%是车辆排放的有害物质，因此对能源的有效利用与对燃油燃烧尾气成分的测定与技术处理方法是当今社会备受关注的能源和环境的两大热点问题。

燃油添加剂的种类很多，主要分为两大类：①节油型添加剂，主要目的是为了提高发动机的功率，提高燃油的燃烧效率，降低能耗；②减少环境污染型添加剂，主要目的是为了降低发动机尾气中的CO、HC、NOx以及碳烟的排放量，减少发动机尾气造成的大气污染。

本实验选择二茂铁作为柴油燃烧的添加剂，利用氧弹量热装置测定柴油在添加剂存在下燃烧的燃烧值，了解和比较二茂铁对柴油燃烧的效率与速率的影响以及添加剂的节能助燃效应；学习和掌握甲醛缓冲溶液吸收-盐酸副玫瑰苯胺分光光度法测定SO2气体浓度以及盐酸萘乙二胺分光光度法测定NO2气体浓度的分析方法，并应用于柴油燃烧后尾气成分的测定。

本实验的开设，综合了物理化学和分析化学两大化学二级学科的知识，旨在通过物理化学实验基本技术—量热技术的使用与气体无机污染物的多种分析方法（包括分光光度法和气相色谱法）的学习与应用，使学生综合了解燃油添加剂在燃油助燃、消烟节能以及减少燃油燃烧尾气排放、减少大气污染中所起的作用，关注社会、关注环境。

【实验原理】

（1）燃油燃烧热的测定原理

根据热化学的定义，1mol的物质完全氧化时的反应热称作燃烧热。

量热法是热力学的一种基本实验方法。在恒容条件下测得的燃烧热为恒容燃烧热Q v，它等于燃烧反应过程中内能的变化；在恒压条件下测得的燃烧热为恒压燃烧热Q p，它等于燃烧反应过程中的焓变。

在实际测量中，燃烧反应在恒容条件下进行（如在弹式量热计中进行），这样直接测量得到的是反应的恒容燃烧热，若把参加反应的气体作为理想气体处理，则存在下列关系式：

Qp=Qv+ΔnRT (4-1) 通过实验测得Q v，根据式（4-1）可计算Q p，其中：Δn为反应前后反应物和生成物中气体的物质的量的差值；R为气体常数；T为反应的热力学温度。许多燃油为石油分馏产品，烃分子中所含碳原子数不同，Δn值不能确定，所以，只研究燃油燃烧过程中Q v的变化。

氢弹量热计的基本原理是能量守恒定律，样品完全燃烧放出的热量促使卡计本身及其周围的介质（本实验用水）温度升高，测得介质燃烧前后体系温度的变化值，即可求算出该样品的恒容燃烧热。在量热计与环境没有热交换情况下，其关系式为：

m

样Q

v

=W

卡计+水

ΔT-m

点火丝

Q

点火丝

（4-2）

式中，m样为样品的质量，g；Q v为样品的恒容燃烧热，J/g；W卡计+水为氢弹卡计和周围介质的热当量，J/℃，表示卡计和水温度每升高1℃所需要吸收的热量，W卡计+水一般用经恒重的标准物如苯甲酸标定，苯甲酸的恒容燃烧热为26459.6J/g；ΔT为样品燃烧前后温度的变化值；m点火丝为点火丝的重量；Q点火丝

为点火丝（铁丝）的恒容燃烧热，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计算法校正。雷诺作图法的原理和作图方法，可参阅2.3.2。

通过式（4-2），分别测量燃油和在燃油中加入添加剂后的燃油的燃烧热，可研究添加剂对燃油燃烧效率的影响。

（2）完全燃烧条件下二茂铁对燃油燃烧效率及燃烧速率的影响

作为柴油燃烧的添加剂，二茂铁在实验条件下其本身并不燃烧，而是起到催化助燃作用。根据实验（1）的实验原理与方法，在柴油完全燃烧的条件下，测得柴油在加入二茂铁和未加入二茂铁时燃烧热的大小，根据燃烧前后温度随时间的变化，通过ΔT/m（单位重量柴油燃烧引起温度变化值）以及ΔT/Δt（即单位

时间温度随时间的变化率），研究二茂铁作为添加剂影响柴油燃烧效率和速率的作用原理。

（3）不完全燃烧条件下二茂铁对燃油燃烧效率及燃烧速率的影响

跟据（1）的实验原理和方法，对于不完全燃烧条件下二茂铁对柴油燃烧的影响可从燃烧速率（ΔT/Δt）、燃烧效率（ΔT/m）以及燃烧后炭渣的重量和尾气成分的变化四个方面进行研究。尾气可通过氢弹装置中的排气孔收集到集气装置中，利用相关的分析方法和手段进行尾气的定量分析与测定，研究不完全燃烧条件下二茂铁对柴油的燃烧效率和速率的影响以及消烟助燃作用。

（4）燃油燃烧尾气成分的测定

① SO

2

气体的测定甲醛缓冲溶液吸收盐酸副玫瑰苯胺分光光度法可用于

测定尾气中SO

2的浓度。SO

2

气体被甲醛缓冲溶液吸后，收生成稳定的羟基甲磺酸

加成化合物，在样品溶液中加入氢氧化钠使加成化合物分解，释放出的二氧化硫与盐酸副玫瑰苯胺、甲醛作用，生成紫红色化合物，可在577nm处进行测定。此方法的主要干扰物为氮氧化物干扰。采样后放置一段时间臭氧可自行分解，磷酸及环己二胺四乙酸二钠盐可消除或减少某些金属离子干扰。此方法适宜的浓度范

围0.003～1.07mg/m 3

，最低检出线0.2μg/10mL。

通过氢弹排气孔收集燃油燃烧后的尾气到装有甲醛缓冲吸收液的无色多孔玻璃吸收瓶中，利用甲醛缓冲溶液吸收-盐酸副玫瑰苯胺分光光度法测定尾气中SO2气体的浓度。以每克柴油放出二氧化硫气体的重量（μg）表示燃烧尾气中SO2气体的含量。

②NO2气体测定盐酸萘乙二胺分光光度法可用于测定尾气中NO2气体浓度。空气中的二氧化氮与吸收液中的氨基磺酸钠进行重氮反应，在与N－（１－萘基）乙二胺盐酸作用，生成粉红色的偶氮染料，可在波长540nm出进行测定。此方法的主要干扰物为臭氧，对二氧化氮的测定产生负干扰，采样时可在吸收瓶入口处接一段15～20cm长的硅胶管，即可将臭氧浓度降低到不干扰二氧化氮的测定水平。此方法的检出线0.12μg/10mL，空气中二氧化氮的最低检出浓度为

0.05 mg/m 3。