VII Международный конкурс научно-исследовательских и творческих работ учащихся

Старт в науке

ВЫЯВЛЕНИЕ ФИЗИКО-ХИМИЧЕСКОГО СОСТАВА ФАЛЬСИФИЦИРОВАННОГО ТОВАРНОГО АВТОМОБИЛЬНОГО БЕНЗИНА

• Авторы
• Руководители
• Файлы работы
• Наградные документы

Нуркасова Д.К. 1

---

1НИШ ХБ

Шаматова Г.Ж. 1Абылкасова Г.Е. 2

---

1НИШ ХБН

2ВКГУ им.С.Аманжолова

Работа в формате PDF

693.5 KB

Автор работы награжден дипломом победителя III степени

Диплом школьникаСвидетельство руководителяСвидетельство руководителя

ВВЕДЕНИЕ

Фальсификация автомобильного топлива в Казахстане и странах СНГ становится все более распространенным явлением. Заправиться настоящим бензином, отвечающим всем необходимым техническим требованиям, становится все сложнее. На некоторых АЗС бензин не соответствует стандартам. На самом деле, эта жидкость жёлтого или другого цвета есть ни что иное, как смесь углеводородной основы (с низким октановым числом), воды, антифриза, технического спирта и других добавок сомнительного происхождения, повышающих октановое число. Если на таком бензине продолжительное время эксплуатировать автомобиль, то скоро придётся покупать новую машину. Особенно сложно обстоят дела на частных АЗС. «Предприниматели» не только разбавляют топливо водой, но и превращают солярку (дизельное топливо) в 98-й бензин класса «супер». Причина фальсификации и подлога проста. Бензин нельзя попробовать на вкус, а цвет его качество зачастую не определяет.

Таким образом, цель представленной работы: показать основные способы фальсификации бензинов и установления химического состава таких бензинов, а также влияние различных добавок на воздух и окружающую природную среду.

В соответствии с поставленной целью, определены следующие задачи:

1. Изучение теоретических источников для выявления методик по определению плотности, октанового числа, фракционного состава и оптической плотности автомобильного бензина;

2. Исследование состава автомобильного бензина физико-химическими методами;

3. Анализ октаноповышающих добавок и их влияние на окружающую среду.

1. Требования и основные характеристики

товарных бензинов

Бензины предназначены для поршневых авиационных и
автомобильных двигателей с принудительным воспламенением. Автомобильные бензины характеризуются показателями качества:

полная испаряемость для достижения максимально возможной полноты сгорания;

высокая химическая стабильность, предопределяющая отсутствие склонности к образованию отложений в топливной системе двигателя, а также нагарообразования в камере сгорания;

хорошая совместимость с материалами (низкая коррозионная агрессивность по отношению к металлам и отсутствие воздействия на резиновые технические изделия);

высокая детонационная стойкость для предотвращения детонации при эксплуатации двигателя;

• компонентный состав

2. Виды фальсификации автомобильного бензина и способы

её выявления

1. Виды фальсификации бензинов

Объемы продаж некачественного автомобильного топлива в Казахстане и странах СНГ превосходят все разумные пределы и по различным оценкам составляют от 30% до 70% всего объема продаж. Достаточно условно весь некачественный бензин можно разделить на три основных вида:

а) Получаемый смешиванием высокооктанового бензина с низкооктановым или даже с суррогатами - это наиболее распространенный способ фальсификации. Так, под видом бензина марки АИ-95 можно запросто купить бензин с октановым числом 92 и менее.

б) Выпущенный с нарушениями технологии производства. В основном такой бензин имеет нарушения фракционного и химического состава. Так, в частности, в нем может быть повышенное содержание ароматических соединений например, бензола.

в) Выпущенный с применением различных стандартных и нестандартных антидетонационных присадок или высокооктановых добавок. На основе органических соединений марганца, железа, ароматических аминов и др.

Использование всех этих присадок позволяет придать продукту необходимые для бензина технические характеристики, однако приносит больше вреда, чем пользы (особенно для экологии). Необходимость их применения весьма сомнительна и более похожа на узаконенную фальсификацию [6,c.45-46].

2. Выявление фальсификации бензинов.

1) Выявление фальсификации получаемой смешиванием высокооктанового бензина с низкооктановым, является стандартной задачей и сводится к измерению значения октанового числа (ОЧ).

Октановое число автомобильных бензинов определяют двумя методами, моторным и исследовательским.

Условия определения октанового числа по моторному
методу более жёсткие, чем по исследовательскому. В связи с этим моторный метод дает более точные показатели октанового числа. Октановое число автомобильных бензинов определяют двумя методами, моторным на установках ИТ9-2М и исследовательским на установках ИТ9-6. Установки ИТ9-2М, ИТ9-6 имеют однотипные одноцилиндровые двигатели, агрегаты и приборы, но условия испытания на них разные. На универсальной установке УИТ-65 можно определить октановое число моторным и исследовательским методами.

2) Выявление фальсификации бензина выпущенного с нарушениями технологии производства существенно сложнее и возможно только при проведении анализа фракционного и химического состава бензина.

Фракционный состав является определяющей характеристикой при установлении области применения нефтепродуктов. Пределы гарантируют качество продуктов с ответствующими характеристиками испаряемости.

3) Антидетонационные добавки для повышения октанового числа товарных бензинов.

Существует несколько видов антидетонационных добавок, остановимся только на двух основных:

а) Металлосодержащие высокооктановые добавки. Несмотря на большой список выявленных эффективных антидетонаторов различного химического состава, в промышленных масштабах реализованы антидетонационные присадки только на основе трех химических элементов: свинца, марганца и железа.

б) Высокооктановые добавки на основе кислородсодержащих соединений:

Метил-трет-бутиловый эфир (МТБЭ) - эта добавка повышает октановое число и при разумном применении даже выравнивает характеристики бензина при работе в различных режимах.

Этиловый спирт. Добавка в бензин АИ-92 примерно 10% абсолютного (100%-го) этилового спирта повышает октановое число на 3 единицы, т.е. превращает его в АИ-95, а так же снижает содержание СО в выхлопе более чем в полтора раза [2,с.36-37].

Но применение метил-трет-бутилового эфира экологически не выгодно. Получается, что бензин с добавкой этилового спирта существенно более экологичен, так как при сгорании этилового спирта в атмосферу выделяется только вода и углекислый газ. Но абсолютный этиловый спирт исключительно гигроскопичен и превосходно втягивает влагу даже из воздуха. Бензин с такой добавкой требует специальных условий хранения и периодического контроля за содержанием спирта (каждые три дня).

3. Сравнение стандартного бензина с фальсифицированным бензином

Для выявления факта фальсификации автомобильного топлива необходимо наличие стандартного бензина, соответствующего предъявляемым требованиям. Нами были взяты наиболее потребляемые марки автомобильного бензина:

Аи 93 (Павлодарский НПЗ)

Аи 80 (Атырауский НПЗ)

В качестве фальсифицированного топлива использовали стандартные образцы бензинов (Аи93; Аи80), которые в свою очередь были разбавлены дизельным топливом марки Л-05-62 (Павлодарский НПЗ) на 5% и 10% по объему.

Бутылки с пробами должны быть герметично закупорены пробками или винтовыми крышками с прокладками, не растворяющимися в нефтепродукте, банки должны быть плотно закрыты крышками. Горловину закупоренной бутылки или банки обвертывают полиэтиленовой пленкой или другим плотным материалом, обеспечивающим сохранность пробы, и обвязывают бечевкой, концы которой продевают в отверстие в этикетке. Концы бечевки пломбируют или заливают сургучом на пластине из плотного картона или дерева и опечатывают. Допускается приклеивать этикетку к бутылке, банке, пакету [3, c.15-29].

3.1 Определение плотности [2]

Сущность метода заключается в погружении ареометра в испытуемый продукт, снятии показания по шкале ареометра при температуре определения и пересчете результатов на плотность при температуре равной 20º С.

Чистый и сухой ареометр медленно и осторожно опускают в цилиндр с испытуемым нефтепродуктом, поддерживая ареометр за верхний конец, не допуская смачивания части стержня, расположенной выше уровня погружения ареометра. Когда ареометр установится, и прекратятся колебания, отсчитывают показания по верхнему краю мениска, при этом глаз находится на уровне мениска (рисунок 1- а).

Отчет по шкале ареометра соответствует плотности нефтепродукта при температуре испытания ρ (масса продукта, содержащейся в единице его объема, г/см3). При использовании ареометров, градуированных, по нижнему мениску, показания отсчитывают (рисунок 1-б) и вносят поправку на мениск в соответствии с таблицей 1 [2,c.3-9].

Рисунок 1 Считывание показаний ареометра в зависимости от его градуировки

а б

Таблица 1

Поправка на мениск

Рисунок 2 Зависимость значения плотности от количества, добавленного ДТ (%)

Значение плотности (г/мл) (г/мл)

0,772

0,77

0,768

0,766

0,764

0,762

0,76

0,758

0,756

0 2 4 6 8 10 12

Количество ДТ в бензине (%)

Аи93 Аи80

Таблица 2

Значение плотности исследуемых образцов

Вывод:В ходе проведения эксперимента было установлено, что с увеличением содержания дизельного топлива в исследуемых образцах бензина, наблюдается увеличение значения плотности (таблица 2).

3.2 Определение октанового числа ГОСТ-511-82[4]

Метод состоит в сравнении детонационной стойкости испытуемого топлива и эталонного топлива, выраженной октановым числом. Интенсивность детонации испытуемого топлива достигается изменением степени сжатия [ ].

3.3 Сравнение испытуемого топлива со смесями эталонных топлив

Смеси эталонных топлив выбирают таким образом, чтобы показания указателя детонации для испытуемого топлива находилось между показаниями двух смесей эталонных топлив, отличающихся не более чем на две единицы. Ориентировочно оценивают детонационную стойкость образца, основываясь на показании индикатора степени сжатия.

Октановое число испытуемого топлива (А) вычисляют методом интерполяции по формуле (1):

А = А₁ + (А₂ - А₁) ∙ (а₁ - а)/(а₁ - а₂), (1)

где А₁ - объемная доля изооктана в смеси эталонных топлив, детонирующей сильнее испытуемого образца, топлива, %;

А₂ - объемная доля изооктана в смеси эталонных топлив, детонирующей слабее испытуемого образца, топлива, %;

а - среднее арифметическое отсчетов по указателю детонации для испытуемого топлива;

а₁ - среднее арифметическое результатов из отсчетов, по указателю детонации для смесей эталонных топлив А₁;

а₂ - среднее арифметическое результатов из отсчетов по указателю детонации для смесей эталонных топлив А₂.

С увеличением концентрации дизельного топлива в исследуемых образце наблюдается падение значения октанового числа (таблица 3).

Таблица 3

Значение октанового числа исследуемых образцов

Рисунок 3 Фракционная перегонка бензина Аи93

Температура перегонки, ^оС

300

200

150

100

50

0 10 50 100

Количество перегнанного бензина, %

Аи93 Аи93 + 5% (ДТ) Аи93 + 10% (ДТ)

Рисунок 4 Фракционная перегонка бензина Аи80

Температура перегонки, ^оС

250

200

150

100

50

0 10 50 100

Аи80 Аи80 + 5% (ДТ) Аи80 + 10% (ДТ)

Вывод: чем больше добавляем дизельного топлива, тем меньше становится октановое число, значит качество топлива ухудшается.

3.4 Определение фракционного состава ГОСТ-2177-99 [5]

Фракционный состав является определяющей характеристикой при установлении области применения нефтепродуктов. Пределы гарантируют [Данный показатель качества определяет количественное содержание фракций, выкипающих при определённых температурных интервалах. Это свойство бензина обусловлено тем, что он представляет собой смесь различных углеводородов отличающихся молекулярной массой, строением молекул и температурой их кипения. Поэтому при испарении капель в карбюраторе, вначале испаряются углеводороды, входящие в пусковую фракцию и имеющие низкие температуры кипения. Затем последовательно испаряются углеводороды, входящие в состав рабочей фракции. Последними испаряются самые тяжелые углеводороды, входящие в хвостовую фракцию [5, с.6-8]

Сущность метода

Сущность метода заключается в перегонке 100 см³ испытуемого образца при условиях, соответствующих природе продукта, и проведении постоянных наблюдений за показаниями термометра и объемами конденсата [5, с.9-10 ].

Проведение испытания

Нагревают колбу для перегонки с ее содержимым. После того, как отмечена температура начала кипения, цилиндр ставят так, чтобы кончик холодильника соприкасался с его внутренней стенкой, а конденсат стекал по стенке. Продолжают регулировать нагрев с таким расчетом, чтобы скорость перегонки от 5% отгона до получения 95 см³ отгона в мерный цилиндр была постоянной.

От начала кипения до конца испытания записывают все необходимые данные для расчета. Эти данные включают показания термометра при указанном проценте отгона или процент отгона при заданном показании термометра, или то и другое. Объемы продукта в мерном цилиндре отмеряют с погрешностью не более 0,5 см³, а все показания термометра – с погрешностью не более 0,5^оС до 300^оС и не более 1^оС до 370^оС. При наблюдаемом начале разложения продукта, если при перегонке температура поднимается до 370^оС, прекращают нагревание. Отмечают температуру конца кипения (температуру вскипания) или температуру конца перегонки (температуру выпаривания) не вся жидкость испарилась со дна колбы, объем этой жидкости принимают за остаток. По мере поступления конденсата через конденсаторную трубку в цилиндр отмечают его объем с интервалом в 2 мин до тех пор, пока два последовательных измерения не будут одинаковых результатов.

Тщательно измеряют этот объем, записывают его значение с точностью до 0,5 см³ как процент отгона (выхода).

После охлаждения колбы ее содержимое выливают в конденсат, собранный в цилиндре, и дают ему стечь до тех пор, пока не будет наблюдаться значительное увеличение объема жидкости в мерном цилиндре, записывают этот объем с точностью до 0,5 см³ как восстановленный общий процент продукта. Процент потерь равен разности 100 и общего восстановленного процента.

Обработка результатов

По каждому проведенному испытанию образца нефтепродукта записывают все данные, требуемые в нормативной документации на нефтепродукты или обычно устанавливаемые при испытании пробы.

Если в нормативной документации не указаны особые данные, записывают температуру начала кипения, конца кипения (температуру вскипания), или температуру конца перегонки (температуру выпаривания), или оба значения показания термометра при 5 и 95%-ном отгонах и при кратном 10%-ном отгоне (объем отогнанного продукта) от 10 до 90% включительно.

Записывают значения всех объемов в процентах с погрешностью не более 0,5, показания термометра с погрешностью не более 0,5^оС до 300^оС и не более 1^оС до 370^оС [5,c.6-13].

Наличие в исследуемых образцах бензина дизельного топлива приводит к увеличению температуры кипения тяжелых фракций (таблица 4).

Таблица 4

Фракционная перегонка исследуемых образцов

Рисунок 5 Зависимость антидетонационной стойкости бензина Аи 93

от количества введенного в него ДТ (%)

95

Значение октанового числа, ОЧ

94

93

92

91

90

89

89

Количество ДТ (%)

0 2 4 6 8 10 12

88

Вывод: чем больше добавляем дизельного топлива, тем меньше становится температура конца кипения, следовательно, больше токсичных выбросов идет в атмосферу окружающей среды.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В США и странах Европы фальсифицированный бензин определяют с помощью специального прибора – анализатора качества бензина. Портативный прибор распространяется в России фирмой «Радиус», но стоит он чрезвычайно дорого. Причём, прибор не рассчитан на очень грубый подлог и выдаёт при этом неверные результаты.

Выявление фальсификации получаемой смешиванием высокооктанового бензина с низкооктановым, является стандартной задачей и сводится к измерению значения октанового числа (ОЧ). Выявление фальсификации бензина, выпущенного с нарушениями технологии производства, является более сложной задачей и возможно только при проведении анализа фракционного и химического состава бензина.

При разбавлении углеводородной основы электролитом для повышения октанового числа имеет место «большое пробивное электрическое напряжение топлива». Оно приводит к тому, что через свечи при запуске и работе двигателя искра не проскакивает, топливо перестаёт воспламеняться и двигатель прекращает работать. Так же работа на поддельном бензине приводит к частым засорам карбюратора или инжектора и как следствие – к поломке двигателя.

Такая фальсификация немедленно обнаруживается при проведении стандартных испытаний бензина и, надо отдать должное Госстандарту, который борется достаточно жестко и успешно с любителями разбавлять бензин. Во всяком случае, в крупных городах это вид фальсификации теперь встречается достаточно редко.

При выявлении фальсификации бензина выпущенного с применением различных стандартных и нестандартных антидетонационных присадок в последнее время получает все большее распространение и, что особо неприятно, такая фальсификация способна нанести наибольший вред и самим транспортным средствам и экологии. Дело в том, что в последнее время появилась масса различных присадок и добавок к бензину, существенно меняющих его характеристики. Используемый в настоящее время ГОСТ не предусматривает проведения серьезного химического анализа бензина и, естественно, все эти многочисленные присадки и добавки не могут быть обнаружены при проведении полных стандартных испытаний. Для обнаружения всех этих веществ нужны специальные приборы, которых нет, а обнаружение этих веществ посредством обычного химического анализа достаточно трудоемко и очень сложно.

В ходе выполнения научно исследовательской работы нами было проведено ряд физических и физико-химический экспериментов с исследуемыми образцами бензинов марки Аи-93 и Аи-80. В результате были получены данные, указывающие на то, что для определения факта фальсификации автомобильного бензина достаточно использовать стандартные физические методы по определению качества автомобильного бензина: метод определения плотности нефтепродуктов, метод определения октанового числа, метод определения фракционного состава.

Что касается физико-химического метода исследования (спектрофотометрии), то он не позволяют выявить факт фальсификации автомобильных бензинов, из-за отсутствия полной информации о химическом составе автомобильного бензина (качественном и количественном), так как на сегодняшний день большинство нефтеперерабатывающих заводов выпускают свою продукцию не ГОСТам, а по ТУ, которые сами и разрабатывают, поэтому такого рода информация является собственностью производителя и следовательно, она секретна.

Таким образом, выполненная научно-исследовательская работа имеет большое практическое значение для выявления фальсификации товарных автомобильных бензинов и установления их состава. Рассмотрение данного явления в аспектах экологического воздействия различных фальсифицирующих добавок на состояние окружающей среды. Их вредное влияние на экологический фактор и на здоровье человека.

Исследованный научный материал будет полезен работникам, занимающимися проблемами экологической химии, химической экологии и полезен при решении экологических задач в области охраны природной среды.

Результаты научного исследования можно рекомендовать как методическое пособие в экспертно-криминалистической практике при выяснении спорных вопросов по идентификации реализуемых бензинов через коммерческие точки и частные заправки.

Ссылки на использованную литературу

Бойко Е.В. Химия нефти и топлив: учебное пособие/ Бойко Е.В.- Ульяновск: УлГТУ, 2007г. -60с.

ГОСТ 26976-86 Методы определения плотности нефтепродуктов. – М.: Издательство стандартов, 1987. – 11с.

ГОСТ 2477-65 Методы отбора проб нефти и нефтепродуктов. – М.: Издательство стандартов, 1985. – 8с.

ГОСТ 511-82 Моторный метод определения октанового числа. – М.: Издательство стандартов, 1984. – 24с.

ГОСТ 2177-99 Метод определения фракционного состава. – М.: Издательство стандартов, 2003. – 28с.

Коренман Я. И. Идентификация бензинов методом распознавания образов.- М.: Сенсор. 2015. – 245с.