婁 毅,陳士偉,牛法富,張紛紛,程媛媛,周麗霞,王殿生,鐘 鵬

(中國(guó)石油大學(xué)(華東)物理科學(xué)與技術(shù)學(xué)院,山東東營(yíng)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?xì)浠衔锏任廴疚锏呐欧?因而乙醇汽油的使用對(duì)于改善大氣環(huán)境起著重要的作用.同時(shí),乙醇來(lái)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(kuò)大了糧食深加工的空間,對(duì)于緩解石油資源短缺,穩(wěn)定糧食生產(chǎn),促進(jìn)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)與消費(fèi)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(qiáng),在一定程度上會(huì)影響汽車(chē)密封件等塑料配件的使用,縮短其使用壽命,因而對(duì)乙醇汽油中乙醇和汽油的濃度比例進(jìn)行嚴(yán)格的檢測(cè)具有重要意義.

W GD-8A型光柵光譜儀是目前大學(xué)物理教學(xué)領(lǐng)域中廣泛使用的測(cè)量物質(zhì)吸收光譜的實(shí)驗(yàn)儀器[2-4].本文利用W GD-8A型光柵光譜儀測(cè)量了300.0～430.0 nm波長(zhǎng)范圍內(nèi)不同濃度下的乙醇汽油溶液的吸收光譜,對(duì)乙醇汽油溶液的吸光度隨汽油體積濃度變化的規(guī)律進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究.

2 實(shí)驗(yàn)原理、裝置和方法

2.1 實(shí)驗(yàn)原理

___光束穿過(guò)有一定厚度的均勻透明液體介質(zhì)時(shí),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(lái)[5].一般來(lái)說(shuō),介質(zhì)對(duì)光的反射、透射和吸收不但與介質(zhì)的材料有關(guān),而且與入射光的波長(zhǎng)有關(guān).如果光線(xiàn)入射到一種溶液中,在保持溶液性質(zhì)和入射光波長(zhǎng)不變的情況下,溶液對(duì)光的吸收程度只與濃度和液層厚度有關(guān).如圖1所示,當(dāng)一束強(qiáng)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(shí),由于溶液中吸光質(zhì)點(diǎn)(分子或離子)的吸收,通過(guò)溶液后光的強(qiáng)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(guān)系為

圖1 光的透射

由(1)式可見(jiàn)平行單色光束通過(guò)含有吸光物質(zhì)的透明溶液時(shí),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(shí)驗(yàn)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(jì)算機(jī)等組成.該設(shè)備集光學(xué)、精密機(jī)械、電子學(xué)及計(jì)算機(jī)技術(shù)于一體,可實(shí)現(xiàn)對(duì)光源的光譜能量分布及介質(zhì)透光率的自動(dòng)測(cè)量.儀器的波長(zhǎng)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(shí)驗(yàn)采用 GY-13型氫氘燈作光源,采集在300.0～430.0 nm波長(zhǎng)范圍內(nèi)光對(duì)乙醇汽油溶液的吸收光譜.

實(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

如圖3所示,入射光光譜為最上面的吸收曲線(xiàn),以下的曲線(xiàn)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(duì)光有吸收.對(duì)比吸收光譜的光強(qiáng),純乙醇對(duì)光的吸收弱,純汽油對(duì)光的吸收很強(qiáng).因而隨著汽油濃度的增大,乙醇汽油對(duì)光的吸收是逐漸增強(qiáng)的.另外,從圖中還可看到,在入射光波長(zhǎng)340～415 nm范圍內(nèi),不同乙醇汽油的吸收光譜在強(qiáng)度上差別較大,當(dāng)入射光波長(zhǎng)大于415 nm時(shí),不同乙醇汽油的吸收光譜在強(qiáng)度上差別較小,說(shuō)明對(duì)300.0～430.0 nm的入射光而言,乙醇汽油對(duì)光的吸收主要集中在340～415 nm入射光波長(zhǎng)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(biāo)出)

文獻(xiàn)[7]中指出,如果研究的是溶液的吸光度,為了保證測(cè)量光強(qiáng)的精確度和控制實(shí)驗(yàn)誤差,對(duì)入射光波長(zhǎng)的選擇要謹(jǐn)慎考慮,應(yīng)選擇對(duì)光的吸收較大處對(duì)應(yīng)的光波長(zhǎng).因此在340～415 nm入射光波長(zhǎng)范圍內(nèi)選擇了4個(gè)波長(zhǎng)進(jìn)行吸光度計(jì)算,分別是入射光波長(zhǎng)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(qiáng)度 I0與透射光強(qiáng)度 IT的比值再取對(duì)數(shù).將以上4個(gè)波長(zhǎng)對(duì)應(yīng)的入射光強(qiáng)度和不同濃度乙醇汽油吸收光譜數(shù)據(jù)進(jìn)行相比并取對(duì)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(zhǎng)時(shí)乙醇汽油溶液濃度與吸光度關(guān)系曲線(xiàn)在圖4中給出.

圖4 汽油濃度c與乙醇汽油吸光度A關(guān)系曲線(xiàn)

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(mǎn)足比較良好的線(xiàn)性關(guān)系,并且當(dāng)汽油濃度為0%時(shí),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(duì)光具有一定的吸收作用.并且朗伯-比爾定律的基本假設(shè)是,要求吸光質(zhì)點(diǎn)是獨(dú)立的,彼此間無(wú)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(shí)驗(yàn)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(yuǎn)遠(yuǎn)大于這個(gè)濃度值.因而在吸光度的計(jì)算上應(yīng)和常規(guī)的溶液計(jì)算方式有所不同.假設(shè)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?jǐn)?shù)進(jìn)行吸光度加權(quán)計(jì)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(shí)是不等于0的,這與實(shí)驗(yàn)結(jié)果相符.同時(shí),(3)式也給出了混合溶液的朗伯-比爾定律,是對(duì)朗伯-比爾定律的進(jìn)一步推廣.

4 結(jié)束語(yǔ)

本文提供了一種實(shí)驗(yàn)方法來(lái)精確測(cè)量乙醇汽油中汽油(或乙醇)的體積濃度.我國(guó)現(xiàn)行乙醇汽油的含量標(biāo)準(zhǔn)是乙醇汽油中汽油體積含量為90%,利用測(cè)量得到的汽油濃度與乙醇汽油吸光度之間的關(guān)系式,可以方便地通過(guò)檢測(cè)乙醇汽油樣品的吸光度來(lái)獲得汽油濃度,從而判定樣品是否達(dá)到國(guó)家標(biāo)準(zhǔn).

[1] 中華人民共和國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn) GB18351-2001,車(chē)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(shí)驗(yàn),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(shí)現(xiàn)變溫?zé)晒馓匦詼y(cè)量[J].物理實(shí)驗(yàn),2005,25(1):25-27.

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

[5] 黃柳賓,王軍.物理實(shí)驗(yàn)教程·近代物理實(shí)驗(yàn)[M].東營(yíng):中國(guó)石油大學(xué)出版社,2006:82-83.

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

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

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

[9] 吳一微.對(duì)光吸收定律教與學(xué)的建議[J].湖北師范學(xué)院學(xué)報(bào),2006,26(2):82-84.