利用光柵光譜儀研究乙醇汽油溶液的吸收特性

婁 毅,陳士偉,牛法富,張紛紛,程媛媛,周麗霞,王殿生,鐘 鵬

(中國石油大學(華東)物理科學與技術學院,山東東營257061)

1 引 言

乙醇汽油是由90%的普通汽油與10%的乙醇混和調(diào)配形成的燃料[1],與普通燃料汽油相比,它能夠有效地改善油品的性能和質(zhì)量,降低一氧化碳、碳氫化合物等污染物的排放,因而乙醇汽油的使用對于改善大氣環(huán)境起著重要的作用.同時,乙醇來源于糧食及各種植物纖維的加工,因此乙醇汽油的生產(chǎn)擴大了糧食深加工的空間,對于緩解石油資源短缺,穩(wěn)定糧食生產(chǎn),促進農(nóng)業(yè)生產(chǎn)與消費的良性循環(huán)和可持續(xù)發(fā)展具有重要意義.但是,由于乙醇的腐蝕性強,在一定程度上會影響汽車密封件等塑料配件的使用,縮短其使用壽命,因而對乙醇汽油中乙醇和汽油的濃度比例進行嚴格的檢測具有重要意義.

W GD-8A型光柵光譜儀是目前大學物理教學領域中廣泛使用的測量物質(zhì)吸收光譜的實驗儀器[2-4].本文利用W GD-8A型光柵光譜儀測量了300.0～430.0 nm波長范圍內(nèi)不同濃度下的乙醇汽油溶液的吸收光譜,對乙醇汽油溶液的吸光度隨汽油體積濃度變化的規(guī)律進行了實驗研究.

2 實驗原理、裝置和方法

2.1 實驗原理

___光束穿過有一定厚度的均勻透明液體介質(zhì)時,有一部分光被反射,另有一部分光被介質(zhì)吸收,剩下的光從介質(zhì)透射出來[5].一般來說,介質(zhì)對光的反射、透射和吸收不但與介質(zhì)的材料有關,而且與入射光的波長有關.如果光線入射到一種溶液中,在保持溶液性質(zhì)和入射光波長不變的情況下,溶液對光的吸收程度只與濃度和液層厚度有關.如圖1所示,當一束強度為 I0的平行單色光垂直照射到液層厚度為 d、濃度為c的溶液時,由于溶液中吸光質(zhì)點(分子或離子)的吸收,通過溶液后光的強度減弱為 IT,根據(jù)朗伯-比爾定律[6],可以得到溶液吸光度 A與溶液厚度d及濃度c的關系為

圖1 光的透射

由(1)式可見平行單色光束通過含有吸光物質(zhì)的透明溶液時,溶液的吸光度與吸光物質(zhì)的濃度c及吸收層厚度d成正比.

2.2 實驗裝置和樣品制備

WGD-8A型多功能光柵光譜儀屬于反射式光柵光譜儀,儀器示意圖如圖2所示.由光柵單色儀、接收單元、掃描系統(tǒng)、電子放大器、A/D采集單元、計算機等組成.該設備集光學、精密機械、電子學及計算機技術于一體,可實現(xiàn)對光源的光譜能量分布及介質(zhì)透光率的自動測量.儀器的波長掃描范圍為200.00～660.00 nm.

圖2 WGD-8A組合式光柵光譜儀示意圖

本實驗采用 GY-13型氫氘燈作光源,采集在300.0～430.0 nm波長范圍內(nèi)光對乙醇汽油溶液的吸收光譜.

實驗樣品用純乙醇和93#汽油調(diào)配而成,配制得到汽油體積濃度分別為10%～90%(10%,20%,30%,40%,50%,60%,70%,80%和90%)的乙醇汽油溶液,并將純乙醇和純汽油視為濃度為0%和100%的乙醇汽油溶液.

3 實驗結果與分析

如圖3所示,入射光光譜為最上面的吸收曲線,以下的曲線為汽油含量分別為0%,10%,20%,30%,40%,50%,60%,70%,80%,90%和100%的乙醇汽油溶液的吸收光譜.

從圖3中可看到,純乙醇和純汽油均對光有吸收.對比吸收光譜的光強,純乙醇對光的吸收弱,純汽油對光的吸收很強.因而隨著汽油濃度的增大,乙醇汽油對光的吸收是逐漸增強的.另外,從圖中還可看到,在入射光波長340～415 nm范圍內(nèi),不同乙醇汽油的吸收光譜在強度上差別較大,當入射光波長大于415 nm時,不同乙醇汽油的吸收光譜在強度上差別較小,說明對300.0～430.0 nm的入射光而言,乙醇汽油對光的吸收主要集中在340～415 nm入射光波長范圍內(nèi).

圖3 不同汽油濃度的乙醇汽油的吸收光譜(入射光譜也在圖中一并標出)

文獻[7]中指出,如果研究的是溶液的吸光度,為了保證測量光強的精確度和控制實驗誤差,對入射光波長的選擇要謹慎考慮,應選擇對光的吸收較大處對應的光波長.因此在340～415 nm入射光波長范圍內(nèi)選擇了4個波長進行吸光度計算,分別是入射光波長為377.0,382.0,391.5,410.9 nm.從(1)式中可以看到,吸光度等于入射光強度 I0與透射光強度 IT的比值再取對數(shù).將以上4個波長對應的入射光強度和不同濃度乙醇汽油吸收光譜數(shù)據(jù)進行相比并取對數(shù),得到不同汽油濃度的乙醇汽油的吸光度.不同入射光波長時乙醇汽油溶液濃度與吸光度關系曲線在圖4中給出.

圖4 汽油濃度c與乙醇汽油吸光度A關系曲線

從圖4中可以看到,吸光度 A在汽油濃度c為0%到100%范圍內(nèi)滿足比較良好的線性關系,并且當汽油濃度為0%時,吸光度 A并不等于0,這與朗伯-比爾定律[式(1)]不同,這是由于乙醇對光具有一定的吸收作用.并且朗伯-比爾定律的基本假設是,要求吸光質(zhì)點是獨立的,彼此間無相互作用,因此只有在稀溶液中(通常濃度小于0.01 mol·L-1)朗伯-比爾定律才能成立[8].在實驗中,使用的溶液是乙醇和汽油的混合液,乙醇和汽油的濃度都遠遠大于這個濃度值.因而在吸光度的計算上應和常規(guī)的溶液計算方式有所不同.假設純汽油的吸光度為 A0,純乙醇的吸光度為A1,由于吸光度具有可加性[9],將乙醇和汽油按體積百分數(shù)進行吸光度加權計算便可以得出汽油含量為c的乙醇汽油溶液的吸光度為

將(2)式整理

從(3)式可以看出,乙醇汽油溶液的吸光度 A在汽油濃度c為0%時是不等于0的,這與實驗結果相符.同時,(3)式也給出了混合溶液的朗伯-比爾定律,是對朗伯-比爾定律的進一步推廣.

4 結束語

本文提供了一種實驗方法來精確測量乙醇汽油中汽油(或乙醇)的體積濃度.我國現(xiàn)行乙醇汽油的含量標準是乙醇汽油中汽油體積含量為90%,利用測量得到的汽油濃度與乙醇汽油吸光度之間的關系式,可以方便地通過檢測乙醇汽油樣品的吸光度來獲得汽油濃度,從而判定樣品是否達到國家標準.

[1] 中華人民共和國國家標準 GB18351-2001,車用乙醇汽油[S].

[2] 劉震宇,周艷明,謝中,等.基于CCD和小型單色儀的微型光纖光柵光譜儀[J].物理實驗,2008,28(1):14-18,27.

[3] 謝中,周艷明,王秋艷,等.在 WGD-8A光柵光譜儀上實現(xiàn)變溫熒光特性測量[J].物理實驗,2005,25(1):25-27.

[4] 梁方束.F-H實驗儀與光柵光譜儀連用觀測253.7 nm譜線[J].物理實驗,2003,23(8):36-39.

[5] 黃柳賓,王軍.物理實驗教程·近代物理實驗[M].東營:中國石油大學出版社,2006:82-83.

[6] 王秀萍,王憲恩.儀器分析技術[M].北京:化學工業(yè)出版社,2004:191-193.

[7] 劉瑩,蘭秀風,高淑梅,等.乙酸的光譜學及其特性的研究[J].應用激光,2002,22(6):559-560.

[8] 王彤,趙清泉.分析化學[M].北京:高等教育出版社,2003:297.

[9] 吳一微.對光吸收定律教與學的建議[J].湖北師范學院學報,2006,26(2):82-84.