Проектная работа "Бензиновая корпорация"

Муниципальное общеобразовательное учреждение

Дмитровская средняя общеобразовательная школа № 1

им. В.И. Кузнецова

Научно-практическая конференция «Перспективный проект»

Секция «Химия»

Тема: «Бензиновая корпорация»

Работу выполнили:

Романенко София Юрьевна,

ученица 10 «Б» класса,

Качанов Фёдор Сергеевич,

ученик 10 «А» класса.

Научный руководитель:

Крайнева Ирина Николаевна,

учитель химии и биологии.

г. Дмитров

2018 год

Содержание

1.Введение

Бензин один из самых ценных продуктов химической промышленности. В современном обществе человек уже не представляет, как можно обойтись без легкового автомобиля, в семье очень часто имеется даже не один, а несколько легковых машин. Цена на бензин очень бьёт по карману россиян, поэтому многим владельцам хочется узнать какого качества это жидкое топливо. Владельцы АЗС в настоящее время прибегают к фальсификации топлива, считая, что в погоне за прибылью, все средства хороши. Поэтому становится актуальной возможность использования методов аналитической химии для экспрессной и экономической оценки качества бензинов, например, ИК–Фурье спектроскопия. Мы выбрали объект исследования – несколько образцов бензина с разных заправок:, АИ- 92, АИ- 95, ДТ и решили провести его химический анализ. На сегодняшний день это один из ценных и широко потребляемых продуктов нефтехимической промышленности. Нефть и нефтепродукты – типичные загрязнители окружающей среды. Когда проводится контроль качества природных вод, анализ почвы, состав воздуха, обязательно их концентрация должна контролироваться.

Цель нашей работы: определить качество некоторых образцов бензина и содержания нефтепродуктов в водных объектах, канале им. Москвы и реке Дубна, методами аналитической химии.

Задачи наших исследований:

1) Комплексно подойти к вопросу: «Что такое бензин?», ознакомится с его составом.

2) Изучить методы анализа качества нефтепродуктов, таких как ИК-спектроскопия, экстракция.

3) Ознакомиться с работой приборов, на которых будет производиться работа (ареометр, ОКТИС-2, ИК-Фурье спектрометр).

4) Провести сравнительную характеристику образцов бензинов различных марок на ИК-Фурье спектрометре.

5) Провести отбор проб воды с открытых водоемов, подготовить их к исследованию и определить содержание в них нефтепродуктов.

Гипотеза: мы предполагаем, что в условиях химической лаборатории университета возможно провести сравнительный анализ бензина различных марок, определить содержание нефтепродуктов в определенных пробах воды.

Актуальность работы по определению качества бензина обуславливается тем, что в настоящее время это один из самых потребляемых продуктов переработки нефти.

Исследования проводились в условиях химической лаборатории Международного университета природы, общества и человека « Дубна». Период проведения эксперимента с 26.06.2017г. по 1.07.2017 г.

План работы

1) Проанализировать литературные данные о составе и добавках бензина, и методах определения его качества.

2) Исследовать содержания кислот и щелочей в различных образцах бензина.

3) Измерить плотность бензина различных марок.

4) Определить октановое число бензина различных марок.

5) Исследовать наличие воды и смол в различных марках бензина.

6) Определить состав образцов бензина на ИК-Фурье спектрометре, сравнить с паспортными данными.

7) Измерить содержание нефтепродуктов в реке Дубна и канале им. Москвы.

2.Литературный обзор

Прежде чем приступить к химическим экспериментам, мы проанализировали химический состав нефти. Бензин представляет собой смесь углеводородов с достаточно низкой температурой кипения, при горении которой выделяется значительное количество энергии. В России самыми распространенными марками бензина являются АИ- 80, АИ- 92 ,АИ- 95 , АИ- 98.Каждый владелец автотранспорта должен знать, что такое октановое число бензина. Это число, которое характеризует детонационную стойкость бензина, равную содержанию изооктана в его смеси с н - гептаном. Изооктан вещество, с трудом воспламеняющееся при сжатии (детонационно-устойчивое), поэтому его октановое число принято считать равным 100. Нормальный гептан в двигателе внутреннего сгорания наоборот сгорает даже при небольшом сжатии, что сопровождается стуком. Если бензин марки АИ-92, то он содержит 92% изооктана и 8% н-гептана (Приложение 1). По определенному исследовательскому методу по октановому числу определяют следующие марки бензинов: «Регуляр-92» , «Нормаль-80», «Супер-98» и «Премиум-95». Для грузовых автомобилей используется бензин АИ-80, а также предназначен Бензин «Нормаль-80». Бензин «Регуляр-92» предназначены для эксплуатации автомобилей вместо А-93. Автомобильные бензины «Премиум-95» и «Супер-98» полностью отвечают европейским требованиям и конкурентоспособны на нефтяном рынке и предназначены в основном для зарубежных автомобилей, эксплуатируемых в России. Мы познакомились с таким понятием, как оксигенаты. Оксигенаты - общее название низших спиртов и простых эфиров, применяемых в качестве высокооктановых компонентов моторных топлив[1]. Их вырабатывают из альтернативного топливам сырья: метанола, этанола, фракций бутиленов и амиленов, получаемых из угля, газа, растительных продуктов и тяжелых нефтяных остатков. Бензины с оксигенатами характеризуются улучшенными моющими свойствами, характеристиками горения, при сгорании образуют меньше оксида углерода и углеводородов. Рекомендуемая концентрация оксигенатов в бензинах со­ставляет 3-15%. Самые распространенные соединения, использующиеся в качестве таких добавок – это спирты (линейные, изомеризованные, с различным содержанием атомов углерода в цепи) и эфиры (обычно это метилтретбутиловый эфир МТБЭ) [2].

При попадании нефти и нефтепродуктов в воду, они растекаются по поверхности за счет гидрофобности и образуют тонкую нефтяную пленку. Пленка на поверхности водоема ухудшает газообмен воды с атмосферой, замедляя скорость аэрации и удаления углекислого газа, образующегося при окислении нефти. Нефтяная пленка перемещается по поверхности воды со скоростью примерно в два раза большей, чем скорость течения воды. Эта пленка, соприкасаясь с берегом, оседает на прибрежной растительности. В процессе распространения по поверхности воды легкие фракции нефти частично испаряются, растворяются, а тяжелые опускаются в толщу воды, оседают на дно и образуют донное загрязнение. Нефтяные загрязнения в небольших концентрациях могут влиять на вкус и запах воды, при больших содержаниях образуют гигантские нефтяные пятна, что становится причиной экологических катастроф[7].

3.Объекты и методы исследования

Все методы оценки определенных свойств нефтепродуктов, в том числе и качества бензина, можно разделить на прямые и косвенные. Косвенные методы - это методы, определяющие физико-химические свойства и состава нефтепродуктов, которые широко применяют при контроле качества отдельных дистилятов и товарных продуктов на заводе. Эти методы позволяют косвенно судить о том или ином эксплуатационном свойстве. Методы, предназначенные для оценки эксплуатационных свойств жидких топлив в ускоренных условиях, получили название квалификационных. С помощью этих методов за короткое время можно оценить какое-либо эксплуатационное свойство[8]. Методы квалификационной оценки разделяются на следующие:

1. безмоторные (метод определения коррозионной активности топлив в условиях конденсации влаги, при повышенных температурах и т.д.);

2. на одноцилиндровых и малолитражных двигателях (методы определения октановых и цетановых чисел);

3. на полноразмерных двигателях в стендовых условиях (метод оценки детонационной характеристики по составу смеси на двигателе АШ-62ИР, метод оценки эксплуатационных свойств дизельных топлив на двигателе ЯМЗ-236 и др.);

4. лабораторно-дорожные (метод оценки детонационной стойкости в дорожных условиях и др.). Метод ИК-спектроскопии является: наиболее экспрессным методом; позволяющим использовать пробы большого объема[6]. Метод ИК-спектроскопии позволяет более надежно определить функциональные группы, это важно, когда требуется провести качественный и количественный анализы совместно, также тесно связан с методом идентификации и определения содержания углеводородных соединений. Для проведения исследования были использованы следующие приборы:

• ОКТИС-2- специализированный прибор, используемый для оценки качества топлива. Он способен измерить октановое число видов бензина Аи-80, Аи-92, Аи-95, Аи-98. Прибор помещают в высокую колбу так, чтобы чувствительные датчики были полностью погружены в бензин, значения считывают с дисплея.

• Ареометр – прибор, измеряющий плотность жидкостей. Для измерения плотности смеси с постоянной массой, сухой и чистый ареометр помещают в сосуд с этой жидкостью так, чтобы он свободно плавал в нём. Значения плотности считывают по шкале ареометра, по нижнему краю мениска.

• Ик-Фурье спектрометр – прибор для проведения ИК-спектроскопии. Такой метод исследования, основанный на поглощении веществом инфракрасного излучения, в результате чего происходит усиление колебательных движений молекул.

Согласно полученным паспортам (Приложение 5,6), которые описывали фактическое качество имеющихся бензинов, были выбраны следующие возможные направления исследования: определение содержания предельных углеводородов, определение содержания ароматических углеводородов, определение наличия серосодержащих компонентов, определение наличия азотсодержащих компонентов (монометиланилина). От каждого образца отбиралась аликвота 0.7 мл и помещалась для исследования на приставку НПВО ИК-Фурье спектрометра IRAffinity-1S (Shimadzu, Япония). Получены спектральные данные в ИК-области (4000-700 см⁻¹). Далее были проведены анализ и сопоставление полученных спектров. В данной работе мы использовали метод концентрирования и разделения, к которому относится экстракция. Экстракция – это метод выделения, разделения и концентрирования веществ, он основывается на разделении растворенного вещества между двумя несмешивающимися жидкими фазами с условием преобладания его в одной из фаз[4]. Наиболее часто используют системы, где одна фаза – водный растворитель, а другая – не смешивающийся с водой органический растворитель. Природа этого растворителя в ряде случаев оказывает существенное влияние на экстракцию. Из органических растворителей чаще всего используют бензол, толуол, циклогексан, хлороформ, четыреххлористый углерод и др. Достоинством экстракции является универсальность, поскольку этот метод приложим практически ко всем элементам [3].

4.Экспериментальная часть

В этой работе были исследованы следующие образцы бензина: Лукойл АИ-95, Фора АИ-95, Регуляр АИ-92 и отдельно для эксперимента №6 использовали марки бензина, которые занесены в таблицу 1.

4.1 Эксперимент 1 Определение содержания водорастворимых кислот и щелочей

Для определения содержания кислот и щелочей в образцах 10 мл топлива и слили в делительную воронку, отмерили 10 мл дистиллированной воды и также слили в воронку. Содержимое перемешали. После отстаивания увидели расслоение жидкостей (снизу воду, сверху бензин). Водную фракцию слили в стакан, из стакана налили в две пробирки. В одну из пробирок с водной фазой испытуемого топлива прибавить две капли раствора метилоранжа, а в другую — три капли спиртового раствора фенолфталеина и содержимое в обеих пробирках хорошо перемешали. На основе окраски красителей сделали выводы об их среде: АИ-95(Лукойл) -нейтральная среда, АИ-95(Фора) - нейтральная среда, АИ-92(Регуляр)- нейтральная среда. В бензинах данных марок отсутствуют кислоты и щелочи (Приложение 1).

4.2 Эксперимент 2 Измерение плотности бензина

Для определения плотности бензина пользовались ареометром. Для начала нам нужно было подобрать нужный ареометр, если ареометр тонет в цилиндре, то нам нужен ареометр с меньшей шкалой, если ареометр плавает на поверхности, то с большей шкалой. Подобрав нужный ареометр, мы определили плотности образцов бензина: АИ-95(Лукойл) 0,735 г/мл, АИ-95(Фора) 0,760 г/мл, АИ-92(Регуляр) 0,750 г/мл. Плотность бензина соответствует норме. (Для АИ-92 от 0,715 до 0,760 г/мл, для АИ-95 от 0,720 до 0,775 г/мл) (Приложение 1).

4.3 Эксперимент 3 Определение октанового числа

Для определения октанового числа пользовались прибором ОКТИС-2. Измерили данные марки этим прибором, получили такие данные: АИ-95(Лукойл)- 83,5, АИ-95(Фора)- 91,5, АИ-92(Регуляр) -84,5 (Приложение 2).

4.4 Эксперимент 4 Определение содержания воды в бензине при помощи марганцовки

Наличие воды определили с помощью марганцовки. Налили немного бензина в пробирку, добавили туда перманганата калия. В фиолетовый цвет образцы не окрасились, следовательно, вода в исследуемых образцах отсутствует.

4.5 Эксперимент 5 Определение наличия смол в бензинах

Для определения наличия смол небольшое количество бензина налили на часовое стекло и подожгли, после того как бензин сгорел, осталось жирное пятно, что является свидетельством наличия смол в образцах, данное явление не противоречит паспортным данным [Приложение 5,6].

4.6 Эксперимент 6 Определение состава бензинов на ИК-Фурье спектрометре

Данные исследования проводились под четким руководством старших преподавателей, доцентов и студентов университета «Дубна». Для проведения сравнительных исследований были отобраны образцы 92, 95 бензинов и дизельного топлива с четырех различных заправок г. Дубны и г. Дмитров, названия заправок бензина показаны в таблице №1.

Табл.1. Названия заправок бензина для сравнительных исследований.

4.6.1.Анализ бензина с АЭС СургутНефтьГаз

На заправке СургутНефтеГаз были отобраны следующие образцы нефтепродуктов: - ДТ, -АИ-92,-АИ-95. На рисунке 1 показан спектр данных образцов.

Рис.1. ИК-спектр ДТ, АИ-92, АИ-95 на заправке СургутНефтеГаз

Проведя анализ образцов, было установлено, что в дизельном топливе на длинах волн 3000-2850 и 1500-1350 см^-1, в отличие от АИ-92 и АИ-95, были найдены различии в интенсивности пиков, из чего можно сделать вывод, что в дизельном топливе содержание веществ содержащих связи С-Н , CH3, CH2 выше, чем в образцах других образцах. В образце АИ-95, в отличие от АИ-92, интенсивность пиков на длинах волн 1200-1150 и 1100-1050 см^-1. Можно предположить, что данные колебания соответствуют колебаниям С=О и О-Н в оксигенатных группировках, которые, согласно паспорту, могут присутствовать в данном виде бензина. Так же было сделано предположение, что на длине волны 800-700, кроме связей CH2, могут находиться C-S , что не противоречит паспорту (Приложение 5,6).

4.6.2. Анализ бензина с АЭС Shell

На заправке Shell были отобраны нефтепродукты: - АИ-92,-АИ-95, на рисунке 2 изображены спектры исследуемых образцов бензина.

Рис.2. ИК-спектры АИ-92, АИ-95 на заправке Shell

Проведя анализ в данных образца было обнаружено, что в АИ-95, в отличие от АИ-92, интенсивность пиков на длинах волн 3000-2850 см^-1, выше, из чего можно сделать вывод, что в данном образце процентное содержание веществ содержащих связи C-H больше. На длине волны 1250-700 см^-1 видны пики соответствующие соединениям оксигенатов, повышающих октановое число.

4.6.3. Анализ бензинов АИ-92 с разных АЭС

Произведя наложение спектров образцов АИ-92 с заправок: Сургут Нефть Газ, Газпром, изобразили спектры на рисунке 3.

Рис.3. ИК-спектры бензина АИ-92 на заправках СургутНефтеГаз, Газпром.

При наложении спектров бензинов, отобранных с различных заправок, видно, что спектры практически идентичны. Одинаковая интенсивность наблюдается практически на всех длинах волн, но на 3000-2850 и 800-700 см^-1 интенсивность пиков соответствующих образцу СургутНефтьГаз, больше чем в других образцах. Можно предположить, что в данном образце процентное содержание веществ содержащих связи C-H и CH2 больше, чем в остальных. Также для СургутНефтеГаза видно на длинах волн 1200-1150 и 1100-1050 см^-1 усиление пиков, что показывает повышенное содержание оксигенатов.

4.6.4. Анализ бензинов АИ-95 с разных АЭС

Произведя наложение спектров образцов АИ-95 с заправок: СургутНефтьГаз, Shell, показали на рисунке 4.

Рис.4. ИК-спектры АИ-95 на заправках СургутНефтеГаз и Shell

Было обнаружено, что интенсивность пиков на длинах волн 1200-1050 и 800-700 см^-1, в образце с заправки СургутНефтьГаз, процентное содержание веществ содержащих связи CH2 больше, чем в образце с заправки Shell. Также на длинах волн 1200-1150 и 1100-1050 см^-1 наблюдается усиление пиков, что снова указывает на повышенное содержание оксигенатов. В паспортах описано содержание сложных эфиров (С5) в качестве таких оксигенатов. Спектры были проанализированы на предмет обнаружения колебательных пиков, подтверждающих наличие ароматических аминов и серосодержащих компонентов. Для бензинов АИ-92 и АИ- 95, отобранных с заправок СургутНефтеГаза и Shell в области 1340-1250 см^-1 заметны пики невысокой интенсивности. Их возможно было бы отнести к колебаниям первичных ароматических аминов (R-NH2), но дополнительных пиков на 3472 и 3378 см^-1, подтверждающих наличие аминогруппы не наблюдается. Наличие серосодержащих компонентов можно подтвердить рядом наблюдаемых пиков небольшой интенсивности в области 750-690 см^-1 , 1040, 1520, 3050 см^-1, что является характеристическим набором полос для тиофена, также, возможно, сера содержится в других соединениях, поскольку в областях 1100, 1200 и 1400 см^-1 также наблюдается ряд небольших пиков, что соответствует целому ряду соединений, содержащих S=O связи. Данная информация не противоречит показаниям испытаний, указанных в паспорте образцов рассмотренных нефтепродуктов.

4.7 Эксперимент 7 Определение наличия нефтяных продуктов в реке Дубна и канале им. Москва.

Для определения нефтепродуктов в водных объектов были отобраны пробы со следующих водных объектов: река Дубна 1, река Дубна 2 , канал им. Москвы. Были получены: зеленый спектр Канал им. Москвы, черный спектр Река Дубна 2, красный спектр Река Дубна 1. Повышение содержания нефтепродуктов в водах города Дмитров вероятно обусловлено повышением антропогенной нагрузки: активнее стала использоваться территория, прилегающая к порту, увеличилось количество плавательных средств и мойки автотранспорта.

Выводы

• С помощью метода ИК-Фурье спектроскопии можно установить качественный состав и основные компоненты сложных смесей, таких как нефтепродукты;

• Метод ИК-Фурье спектроскопии не подходит для количественного определения валового содержания азотсодержащих и серосодержащих веществ;

• ИК спектроскопия позволяет определять функциональные группы органических соединений, входящих в состав бензинов и тем самым контролировать их качество по ряду показателей (серосодержащие компоненты, октановое число, оксигенаты). ИК-спектры рассмотренных образцов бензинов не противоречат информации, указанной в паспортах качества. На заправке СургутНефтеГаз, по сравнению с другими заправочными станциями, наблюдается повышенное содержание оксигенатов. Определить возможное превышение, по сравнению с указанными паспортными данными, методом ИК-спектроскопии не представляется возможным.

• В бензинах данных марок отсутствуют кислоты и щелочи.

• Плотность бензина исследуемых марок соответствует норме.

• Заявленные октановые числа не все совпадают.

• Вода в данных образцах отсутствует, но присутствует незначительное количество смол.

Заключение

В результате проведенной нашей работы, мы комплексно подошли к вопросу: «Что такое бензин?», познакомились с его составом. Изучили методы анализа качества нефтепродуктов, таких как ИК-спектроскопия, экстракция. Познакомились с работой приборов (ареометр, ОКТИС-2, ИК-Фурье спектрометр). Провели сравнительную характеристику образцов бензинов различных марок. Провели отбор проб воды с открытых водоемов, подготовили их к исследованию и определили содержание в них нефтепродукты. Влияние нефтяного загрязнения на водоем проявляется в: ухудшении физических свойств воды (замутнение, изменение цвета, вкуса, запаха); растворении в воде токсических веществ; образовании поверхностной пленки нефти и осадка на дне водоема, понижающей содержание в воде кислорода. Мы познакомились с методом экстракции, он экспрессен и прост в техническом исполнении, легко поддается автоматизации [9]. В сочетании с инструментальными методами анализа он позволяет решать многие сложные проблемы анализа руд, сплавов, чистых веществ, продуктов ядерных реакций и других объектов. Все это предопределило широкое распространение и прочное утверждение экстракции как метода выделения, разделения и концентрирования элементов не только в аналитическом контроле, но и в ряде отраслей промышленности (химической, металлургической, полупроводниковых материалов, атомной технологии и др.) [5]. Также познакомились методом ИК – спектроскопии и поработали на данном приборе.

Список использованной литературы:

1.http://www.physchem.chimfak.rsu.ru/Source/special/ir_spectr_1.html

2.http://www.newchemistry.ru/letter.php?n_id=912

1. Данилов А.М. Применение присадок в топливах для автомобилей. Справочник. М.: изд-во Химия. 2000. 232с.

4.ПНД Ф 14.1:2:4.128-98. Методика выполнения измерений массовой концентрации нефтепродуктов в пробах природной, питьевой и сточной воды флуориметрическим методом на анализаторе жидкости “Флюорат-02”. 2002. 2 с.

5. Тарасевич Б.Н. ИК спектры основных классов органических соединений. Справочные материалы. Изд-во МГУ. Москва, 2012. 55с.

6.ПНД Ф 14.1:2.116-97. Методика выполнения измерений массовой концентрации нефтепродуктов в пробах природных и сточных вод методом колоночной хроматографии с гравиметрическим окончанием. 2004. 18 с.

7.Анализ нефтепродуктов методом ИК-спектроскопии [Электронный ресурс] // сайт «VIII Международная студенческая электронная научная конференция "СТУДЕНЧЕСКИЙ НАУЧНЫЙ ФОРУМ 2016"». URL: http://www.scienceforum.ru/2016/1654/21941 (дата обращения: 10.11.16)

8.Карпов Ю.А., Савостин А.П. Методы пробоотбора и пробоподготовка // Методы в химии. М: БИНОМ. Лаборатория знаний. 2015. 243с.

9.ПНД Ф 14.1.272-2012. Количественный химический анализ вод. Методика измерений массовой концентрации нефтепродуктов в сточных водах методом ИК-спектрофотометрии с применением концентратомеров серии КН. 2012. 24 с.

Приложение 1

Рис.1 Формулы для определения октанового числа

Эксперимент 1 Определение содержания водорастворимых кислот и щелочей

Эксперимент 2 Измерение плотности бензина

Приложение 2

Эксперимент 3 Определение октанового числа

Эксперимент 4 Определение содержания воды в бензине при помощи марганцовки

Приложение 3

Эксперимент 5 Определение наличия смол в бензинах

Эксперимент 7 Определение наличия нефтяных продуктов в реке Дубна и канале им. Москва.

Приложение 4

Эксперимент №7 Определение наличия нефтяных продуктов в реке Дубна и в канале им. Москвы Спектры трех проб воды.

Зеленый спектр - Канал им. Москвы, черный спектр - Река Дубна 2, красный спектр - Река Дубна 1.

Приложение 5

Паспорт. Бензин неэтилированный марки Регуляр-92 по ГОСТ Р 51105-97 (АИ-92-К5)

Приложение 6

Паспорт. Бензин неэтилированный марки Премиум Евро-95 вид III, по ГОСТ Р 51866-2002 (АИ-95-К5)

Приложение 7

Ссылка на антиплагиат: https://www.antiplagiat.ru/report/short/19

Отчет о проверке на заимствования №1

Автор: [email protected] / ID: 3724515

Проверяющий: ([email protected] / ID: 3724515)

Отчет предоставлен сервисом «Антиплагиат»- http://www.antiplagiat.ru

ИНФОРМАЦИЯ О ДОКУМЕНТЕ

№ документа: 19

Начало загрузки: 19.03.2018 08:57:31

Длительность загрузки: 00:00:01

Имя исходного файла: Романенко С

Размер текста: 1413 кБ

Cимволов в тексте: 27941

Слов в тексте: 3299

Число предложений: 195

ИНФОРМАЦИЯ ОБ ОТЧЕТЕ

Последний готовый отчет (ред.)

Начало проверки: 19.03.2018 08:57:33

Длительность проверки: 00:00:02

Комментарии: не указано

Модули поиска:

ЗАИМСТВОВАНИЯ 21,01%

ЦИТИРОВАНИЯ 0%

ОРИГИНАЛЬНОСТЬ 78,99%