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浅谈近红外光谱的甲醇汽油定量检验探究
作者:张丽 严永海  时间:2014/6/13 15:09:00  来源:论文天下论文网

  [摘 要]由于汽油价格的攀升导致甲醇汽油受到更多人的重视。甲醇汽油是一种新型燃料,工业上甲醇产量很大,而且价格便宜,辛烷产值高,将甲醇与汽油按一定的比例混合,既提高了汽油的标号又降低了成本。但是甲醇汽油存在一定的缺点,即甲醇热值比较低,甲醇汽油中必须严格控制甲醇的比例,否则将影响车辆的动力性能。本文研究利用红外和拉曼光谱分析技术定量的来分析甲醇汽油中甲醇的含量,采用偏最小二乘法建立甲醇的定量分析模型。采用近红外光谱法测定模型中的预测及相关数据,初步预测均方根的误差为1.141%。实验结果表明,近红外和拉曼光谱法分析技术都可以用来快速检验甲醇汽油中甲醇的含量。


  [关键词]近红外; 甲醇汽油; 定量分析


  中图分类号:TE626.21 文献标识码:A 文章编号:1009-914X(2013)36-0409-01


  1 引言
  在现代社会环境污染已经成为一个制约经济发展与人类生存的问题。许多发达国家在环境治理方面的道路是曲折的,通过对以前所走道路的深刻反思,我们已经从单纯的环境污染治理,走向了以“治理为辅,防治为主”的佳境。环保污染的综合预防已成为今天的环保理念与战略,是二十一世纪环境保护的基石。在二十一世纪的今天人们的环保意识得到了大幅度的提高,随着世界上石油资源的不断枯竭,研发一种环保燃料来取代石油燃料迫在眉睫。将甲醇以一定的比例混在汽油中形成一种新型燃料,将代替部分汽油,缓解目前原油紧缺的形势。甲醇汽油作为一种新型能源,不但减少汽车尾气中有害气体的排放,而且不会影响汽车的行驶性能,是一种新型的环保清洁能源。《车用甲醇汽油(M85)》是我国在2009年底实施的甲醇汽油产品标准,它的标准是要求甲醇汽油中的甲醇含量要在85%左右,为了符合这种燃料的使用标准,发动机要进行专门改造。如果要使用低掺混比例的甲醇汽油就无需对发动机进行改造,因此,本文主要研究低掺混比例的甲醇汽油。
  2 实验部分
  2.1 实验样品
  在实验室配置甲醇汽油,其中基础汽油的制备是用在加油站购买的93#成品汽油,用实验室中分析纯度大于99.5%的无水甲醇,配制成90个体积浓度都在1.2%~24%(v/v)范围内的汽油样品。不用添加助溶剂,因为在含水量极少的情况下,在室温时甲醇与汽油不会有明显的分层现象。
  2.2 波长初步选取
  实验室中由于检测器阵列物理特性存在限制因素,到时最终测得的原始近红外光谱的两端存在无效信号,为了防止模型回归和预测能力下降或不稳定的问题,应避免将此部分数据带入多元统计模型中。因此,波长范围应选择在(1100~1650)nm的光谱数据建模,从而得到近红外光谱图。
  2.3 预处理方法
  由于原始近红外光谱中包含了一些干扰因素,例如:杂散光、基线漂移等,就需要进行预处理来消除无关的信息变量,极高校正模型预测能力。因此对原始汽油光谱进行预处理时,本研究采用以下方法:
  (1)一阶微分:采用微分光谱去除原始谱图中的荧光背景,提高原始谱图的分辨率,采用多样式的一阶微分方法,得到一阶微分光谱图。微分窗宽选择50nm。
  (2)归一化:其目的主要是为了消除激光器光强和测量距离的变化对近红外光谱图造成的影响,因此本次实验采用标准正态变换对汽油近红外光谱进行归一化处理。
  3 结果与讨论
  3.1 基础汽油谱图与甲醇汽油谱图的分类
  观察预处理后的图谱可以发现,波长段在(1370~1450)nm处,成品汽油与甲醇汽油存在明显区别。因此,我们可以根据谱图之间的差别对基础汽油和甲醇汽油进行分类。用PCA对波长段(1370~1450)nm处的光谱进行处理,可明显看出,成品汽油和甲醇汽油在分类特性上存在明显的区别,易于区分。
  3.2 对甲醇汽油中甲醇含量进行定量分析
  要对甲醇汽油中甲醇的含量进行定量分析,就要先建立一个定量分析模型。选择已经确定好的20个甲醇汽油样本,其中甲醇的含量分别为10%、15%、20%、25%、30%,每种样本准备4个。通过计算对检验模型进行评价。
  3.3 光谱波段影响定量模型
  通过计算得出原始光谱的各波段长度的数据与甲醇含量之间的关系。从而可以得出如下结论:光谱波段为(1400~1650)nm时和甲醇含量之间有比较好的线性关系,光谱波段在1300nm之前和其线性关系比较差。有文献指出,在1410nm附近的吸收峰是对应的醇类物质中O—H键的伸缩振动,出现在1150nm和1190nm附近的吸收峰是对应甲基的C—H键的二级倍频,在1360nm和1435nm处出现组合频。在(1100~1300)nm阶段的光谱数据和甲醇的含量相关性很差,原因是此阶段包含了烃类各种官能团的吸收峰,致使吸收谱带叠加。甲醇在(1400~1650)nm的光谱阶段内有较强的吸光度,而其他烃类的吸光度相对比较弱。因此这段光谱能够更好的反应甲醇的含量。
  4 结论
  本研究通过近红外光谱技术与PLS多元校正法测定甲醇汽油中甲醇的含量。结果实验表明,此技术更加有效的对甲醇汽油及其成品汽油进行了分类,而且,在对甲醇含量的定量分析中其模型可以达到更高的精确度。此项研究也为我国生物汽油的推广和即将使用的甲醇汽油的质量奠定基础。
  5 甲醇汽油推广应注意的问题
  甲醇汽油的物理性质:低沸点、易挥发、有害物质,用作汽车燃料可以有效解决环境污染的问题。甲醇经过口、呼吸道和皮肤都可以使人中毒,但通过绿色植物的吸收和光化学反应都可以将甲醇进行降解,不会对环境造成不良的影响。总体来说,甲醇燃料的使用对环境有一定程度的危害,因此应在街道两旁多种植一些绿色植物,避免对城市居民构成威胁。而且,科技工作者还要继续研究尾气净化技术,与甲醇燃料一起投入市场。
  6 展望
  甲醇汽油的推广已成为利国利民的大事,目前大家关注的焦点问题是:甲醇汽油在使用过程中会产生的一系列污染问题能否得到解决?这个问题是甲醇汽油能否正常投入使用的关键所在。甲醇和甲醇汽油只有在严格按照比例为10:1的情况下才是清洁燃料,否则仍会污染大气。只要比例控制得当,在经济如此飞速发展的今天,甲醇汽油仍会有巨大的市场需求。使用甲醇汽油作为燃料,不仅有利于环境保护,而且甲醇作为燃料可以优化能源结构。甲醇汽油代替石油的使用,降低了对石油的依赖,促使甲醇燃料汽车的研发。目前,甲醇燃料投入市场使用的初期计划已经形成,低浓度的甲醇——汽油混合燃料已经逐步走向商业化。甲醇——汽油混合燃料已得到广泛利用。为了更好的弥补石油资源的不足,高浓度和纯甲醇的使用将是今后人们研发的目标,由于经济实用,甲醇——汽油双燃料系统已渐渐得到人们的关注。

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[本文关键字] 近红外 甲醇汽油 定量分析
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