娄 毅,陈士伟,牛法富,张纷纷,程媛媛,周丽霞,王殿生,钟 鹏

(中国石油大学(华东)物理科学与技术学院,山东东营257061)

1 引 言

乙醇汽油是由90%的普通汽油与10%的乙醇混和调配形成的燃料[1],与普通燃料汽油相比,它能够有效地改善油品的性能和质量,降低一氧化碳、碳氢化合物等污染物的排放,因而乙醇汽油的使用对于改善大气环境起着重要的作用.同时,乙醇来源于粮食及各种植物纤维的加工,因此乙醇汽油的生产扩大了粮食深加工的空间,对于缓解石油资源短缺,稳定粮食生产,促进农业生产与消费的良性循环和可持续发展具有重要意义.但是,由于乙醇的腐蚀性强,在一定程度上会影响汽车密封件等塑料配件的使用,缩短其使用寿命,因而对乙醇汽油中乙醇和汽油的浓度比例进行严格的检测具有重要意义.

W GD-8A型光栅光谱仪是目前大学物理教学领域中广泛使用的测量物质吸收光谱的实验仪器[2-4].本文利用W GD-8A型光栅光谱仪测量了300.0～430.0 nm波长范围内不同浓度下的乙醇汽油溶液的吸收光谱,对乙醇汽油溶液的吸光度随汽油体积浓度变化的规律进行了实验研究.

2 实验原理、装置和方法

2.1 实验原理

___光束穿过有一定厚度的均匀透明液体介质时,有一部分光被反射,另有一部分光被介质吸收,剩下的光从介质透射出来[5].一般来说,介质对光的反射、透射和吸收不但与介质的材料有关,而且与入射光的波长有关.如果光线入射到一种溶液中,在保持溶液性质和入射光波长不变的情况下,溶液对光的吸收程度只与浓度和液层厚度有关.如图1所示,当一束强度为 I0的平行单色光垂直照射到液层厚度为 d、浓度为c的溶液时,由于溶液中吸光质点(分子或离子)的吸收,通过溶液后光的强度减弱为 IT,根据朗伯-比尔定律[6],可以得到溶液吸光度 A与溶液厚度d及浓度c的关系为

图1 光的透射

由(1)式可见平行单色光束通过含有吸光物质的透明溶液时,溶液的吸光度与吸光物质的浓度c及吸收层厚度d成正比.

2.2 实验装置和样品制备

WGD-8A型多功能光栅光谱仪属于反射式光栅光谱仪,仪器示意图如图2所示.由光栅单色仪、接收单元、扫描系统、电子放大器、A/D采集单元、计算机等组成.该设备集光学、精密机械、电子学及计算机技术于一体,可实现对光源的光谱能量分布及介质透光率的自动测量.仪器的波长扫描范围为200.00～660.00 nm.

图2 WGD-8A组合式光栅光谱仪示意图

本实验采用 GY-13型氢氘灯作光源,采集在300.0～430.0 nm波长范围内光对乙醇汽油溶液的吸收光谱.

实验样品用纯乙醇和93#汽油调配而成,配制得到汽油体积浓度分别为10%～90%(10%,20%,30%,40%,50%,60%,70%,80%和90%)的乙醇汽油溶液,并将纯乙醇和纯汽油视为浓度为0%和100%的乙醇汽油溶液.

3 实验结果与分析

如图3所示,入射光光谱为最上面的吸收曲线,以下的曲线为汽油含量分别为0%,10%,20%,30%,40%,50%,60%,70%,80%,90%和100%的乙醇汽油溶液的吸收光谱.

从图3中可看到,纯乙醇和纯汽油均对光有吸收.对比吸收光谱的光强,纯乙醇对光的吸收弱,纯汽油对光的吸收很强.因而随着汽油浓度的增大,乙醇汽油对光的吸收是逐渐增强的.另外,从图中还可看到,在入射光波长340～415 nm范围内,不同乙醇汽油的吸收光谱在强度上差别较大,当入射光波长大于415 nm时,不同乙醇汽油的吸收光谱在强度上差别较小,说明对300.0～430.0 nm的入射光而言,乙醇汽油对光的吸收主要集中在340～415 nm入射光波长范围内.

图3 不同汽油浓度的乙醇汽油的吸收光谱(入射光谱也在图中一并标出)

文献[7]中指出,如果研究的是溶液的吸光度,为了保证测量光强的精确度和控制实验误差,对入射光波长的选择要谨慎考虑,应选择对光的吸收较大处对应的光波长.因此在340～415 nm入射光波长范围内选择了4个波长进行吸光度计算,分别是入射光波长为377.0,382.0,391.5,410.9 nm.从(1)式中可以看到,吸光度等于入射光强度 I0与透射光强度 IT的比值再取对数.将以上4个波长对应的入射光强度和不同浓度乙醇汽油吸收光谱数据进行相比并取对数,得到不同汽油浓度的乙醇汽油的吸光度.不同入射光波长时乙醇汽油溶液浓度与吸光度关系曲线在图4中给出.

图4 汽油浓度c与乙醇汽油吸光度A关系曲线

从图4中可以看到,吸光度 A在汽油浓度c为0%到100%范围内满足比较良好的线性关系,并且当汽油浓度为0%时,吸光度 A并不等于0,这与朗伯-比尔定律[式(1)]不同,这是由于乙醇对光具有一定的吸收作用.并且朗伯-比尔定律的基本假设是,要求吸光质点是独立的,彼此间无相互作用,因此只有在稀溶液中(通常浓度小于0.01 mol·L-1)朗伯-比尔定律才能成立[8].在实验中,使用的溶液是乙醇和汽油的混合液,乙醇和汽油的浓度都远远大于这个浓度值.因而在吸光度的计算上应和常规的溶液计算方式有所不同.假设纯汽油的吸光度为 A0,纯乙醇的吸光度为A1,由于吸光度具有可加性[9],将乙醇和汽油按体积百分数进行吸光度加权计算便可以得出汽油含量为c的乙醇汽油溶液的吸光度为

将(2)式整理

从(3)式可以看出,乙醇汽油溶液的吸光度 A在汽油浓度c为0%时是不等于0的,这与实验结果相符.同时,(3)式也给出了混合溶液的朗伯-比尔定律,是对朗伯-比尔定律的进一步推广.

4 结束语

本文提供了一种实验方法来精确测量乙醇汽油中汽油(或乙醇)的体积浓度.我国现行乙醇汽油的含量标准是乙醇汽油中汽油体积含量为90%,利用测量得到的汽油浓度与乙醇汽油吸光度之间的关系式,可以方便地通过检测乙醇汽油样品的吸光度来获得汽油浓度,从而判定样品是否达到国家标准.

[1] 中华人民共和国国家标准 GB18351-2001,车用乙醇汽油[S].

[2] 刘震宇,周艳明,谢中,等.基于CCD和小型单色仪的微型光纤光栅光谱仪[J].物理实验,2008,28(1):14-18,27.

[3] 谢中,周艳明,王秋艳,等.在 WGD-8A光栅光谱仪上实现变温荧光特性测量[J].物理实验,2005,25(1):25-27.

[4] 梁方束.F-H实验仪与光栅光谱仪连用观测253.7 nm谱线[J].物理实验,2003,23(8):36-39.

[5] 黄柳宾,王军.物理实验教程·近代物理实验[M].东营:中国石油大学出版社,2006:82-83.

[6] 王秀萍,王宪恩.仪器分析技术[M].北京:化学工业出版社,2004:191-193.

[7] 刘莹,兰秀风,高淑梅,等.乙酸的光谱学及其特性的研究[J].应用激光,2002,22(6):559-560.

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

[9] 吴一微.对光吸收定律教与学的建议[J].湖北师范学院学报,2006,26(2):82-84.