Antiknackmedel

Ett knackningsförhindrande medel är en bensintillsats som används för att minska motorknackningar och öka bränslets oktantal genom att höja temperaturen och trycket vid vilken självantändning sker. Blandningen känd som bensin eller bensin, när den används i förbränningsmotorer med hög kompression , har en tendens att knacka (även kallad "pinga" eller "rosa") och/eller att antändas tidigt innan den korrekt inställda gnistan uppstår ( förtändning , se motorknackning ).

Anmärkningsvärda tidiga antiknackmedel, särskilt tetraetylbly , som tillsattes till bensin inkluderade stora mängder giftigt bly . Kemikalien var ansvarig för globala negativa effekter på hälsan, och utfasningen av blyhaltig bensin från 1970-talet och framåt rapporterades av FN vara ansvarig för 2,4 biljoner dollar i årliga förmåner, 1,2 miljoner färre förtida dödsfall, högre total intelligens och 58 miljoner färre brott", sade FN:s miljöprogram. Vissa andra kemikalier som används som bensintillsatser anses vara mindre giftiga.

Forskning

Tidig forskning leddes av AH Gibson och Harry Ricardo i England och Thomas Midgley, Jr. och Thomas Boyd i USA. Upptäckten att blytillsatser modifierade detta beteende ledde till en utbredd användning av metoden på 1920-talet och därför kraftfullare motorer med högre kompression. Den populäraste tillsatsen var tetraetylbly . Men med upptäckten av miljö- och hälsoskador orsakade av bly, tillskrivna Derek Bryce-Smith och Clair Cameron Patterson , och inkompatibiliteten mellan bly och katalysatorer som finns på praktiskt taget alla amerikanska bilar sedan 1975, började denna praxis avta 1980-talet. De flesta länder fasar ut blyhaltigt bränsle även om olika tillsatser fortfarande innehåller blyföreningar. Andra tillsatser inkluderar aromatiska kolväten , etrar och alkohol (vanligtvis etanol eller metanol ).

Typiska medel

Typiska medel som har använts för sina knackningsförhindrande egenskaper är:

Tetraetylbly

I USA, där tetraetylbly hade blandats med bensin (främst för att öka oktannivåerna) sedan början av 1920-talet, implementerades standarder för att fasa ut blyhaltig bensin först 1973. 1995 stod blyhaltigt bränsle för endast 0,6 % av den totala bensinförsäljningen och mindre än 2 000 ton bly per år. Från den 1 januari 1996 Clean Air Act försäljning av blyhaltigt bränsle för användning i vägfordon i USA. Innehav och användning av blyhaltig bensin i ett vanligt terrängfordon medför nu böter på högst 10 000 USD i USA. Bränsle som innehåller bly kan dock fortsätta att säljas för terrängbruk, inklusive flygplan, racerbilar, jordbruksutrustning och marinmotorer. Förbudet mot blyhaltig bensin ledde till att tusentals färre ton bly släpptes ut i luften av bilar.

Liknande förbud i andra länder har resulterat i kraftigt sjunkande nivåer av bly i människors blodomlopp .

En bieffekt av blytillsatserna var skyddet av ventilsätena från erosion. Många klassiska bilars motorer har behövt modifieras för att använda blyfria bränslen sedan blyhaltiga bränslen blev otillgängliga. Men "blyersättningsprodukter" tillverkas också och kan ibland hittas i bildelarbutiker.

Bensin, som levereras vid pumpen, innehåller även tillsatser för att minska inre kolansamlingar i motorn, förbättra förbränningen och för att möjliggöra enklare start i kallt klimat.

I vissa delar av Sydamerika, Asien och Mellanöstern används fortfarande blyhaltig bensin. Blyhaltig bensin fasades ut i Afrika söder om Sahara med start den 1 januari 2006. Ett växande antal länder har utarbetat planer på att förbjuda blyhaltig bensin inom en snar framtid.

Vissa experter spekulerar i att blyhaltig bensin låg bakom en global brottsvåg i slutet av 1980-talet och början av 1990-talet.

För att undvika avlagringar av bly inuti motorn tillsätts blyavskiljare till bensinen tillsammans med tetraetylbly. De vanligaste är:

MTBE

När användningen av tetraetylbly minskade, var industrin tvungen att bestämma hur man skulle kompensera för oktanunderskottet mellan de viktigaste säljbara lätta bränslena som produceras av deras raffinaderier och de högre oktaniga bränslena som behövs för bensinmotorer med hög kompression i bilparken. Cirka 70 % av skillnaden uppfylldes av mer avancerade processer i raffinaderistadiet, där andra kolväteprodukter knäcktes från destillationsstapeln för att modifiera dem till bränslen som skulle blanda bensin närmare lämplig oktan. Det mesta av resten av oktanunderskottet krävde kemiska tillsatser som inte härrörde från raffinaderiprocessen. Tetraetylbly ersattes till stor del i USA med metyl-tert-butyleter från och med 1979. MTBE är en giftig vattenförorening, och en rad grundvattenföroreningsskandaler som började på 90-talet fick EPA att börja fasa ut MTBE år 2000.

Etanol

MTBE:s vattenföroreningsfrågor föranledde planer på en utfasning, som började 2000 med ett förslag till EPA-utkast, som behandlades flera gånger på delstatsnivå under åren som följde, och så småningom cementerades på plats federalt med en 9-årig utfasning i 2005 års energipolicy. Act, med betydande andelar bränsle etanol som utsetts som ersättningsmedel mot knackning för det amerikanska bilbränslesystemet. Kongressens försök att främja etanol för dess geopolitiska användning som en backstop för alla försök att begränsa USA:s bensintillgång, och även dess incitament att belöna majsbönder i Iowa, vars statliga politiska primärval har en speciell plats i valsystemet, eskalerade etanol från en tillsats som ska användas efter behov, sedan till en fast blandningsandel på 5 %, och sedan 10 %, vilket idag är den vanligaste amerikanska bränsleblandningen .

Etanol har flera problem som en knackningsförhindrande tillsats. Det är hydrofilt, drar ut vattenånga ur fuktig luft, och det ökar också nivån av fritt syre i bränslet avsevärt. Båda dessa orsakar betydande försämring av traditionellt konstruerade motorer, vilket medför både rest- och korrosionsproblem i ökande proportion med ökande fraktioner av etanol. Medan åldersnedbruten bensin helt enkelt kan polymerisera, avdunsta och därmed förlora sin antändlighet, kan åldersnedbruten bensin-etanolblandningar orsaka allvarliga skador om de får sitta i en motor. Bilmotorer åtgärdade detta med den obligatoriska övergången till etanoltoleranta metaller och tätningar, och med användningen av smart elektronisk bränsleinsprutning, som har viss flexibilitet för att justera förbränningsegenskaper och timing. Bilmotorer såg inga större problem på grund av dessa faktorer, och eftersom bilar i aktiv användning vanligtvis cyklar genom sin bensintank inom några veckor. I små förgasarmotorer , som generatorer och gräsklippare, blev etanolskador det dominerande sättet att misslyckas.

MMT

Metylcyklopentadienyl mangan trikarbonyl (MMT) har använts i många år i Kanada och nyligen i Australien för att öka oktantalet. Det tillåter också gamla bilar, designade för att använda blyhaltigt bränsle, att köra på blyfritt bränsle utan behov av tillsatser för att förhindra ventilskafterosion.

En stor kanadensisk studie från 2002 (finansierad av biltillverkare, som är emot dess användning) drog slutsatsen att MMT försämrar effektiviteten hos bilavgaskontroller och ökar föroreningarna från motorfordon. Men en senare studie av den kanadensiska regeringen fann att "ingen notice of defect befanns vara potentiellt orsakad av MMT."

Många studier har genomförts över tid som bekräftat att användningen av MMT är kompatibel med fordon och säker för människors hälsa och miljön. I synnerhet genomfördes en riskbedömning av MMT 2013 av ARCADIS Consulting, enligt en metod som utvecklats av Europeiska kommissionen. Denna riskbedömning verifierades av en oberoende panel och fann EU-kommissionen följa deras metodik. Den drog slutsatsen att "när MMT används som bränsletillsats i bensin, identifierades inga betydande hälso- eller miljöproblem relaterade till exponering för vare sig MMT eller dess omvandlingsprodukter (manganfosfat, mangansulfat och mangantetroxid) ens på platser där MMT är godkänt för användning i nivåer upp till 18 mg Mn/L."

Som framgår av Health Canada i deras riskbedömning av den utbredda användningen av MMT i kanadensisk bensin, "indikerar alla analyser att förbränningsprodukterna av MMT i bensin inte utgör en extra hälsorisk för den kanadensiska befolkningen"

MMT tillverkas genom reduktion av bis(metylcyklopentadienyl)mangan med användning av trietylaluminium. Reduktionen genomförs under en atmosfär av kolmonoxid. MMT är en så kallad halvsandwichförening, eller mer specifikt ett piano-pall-komplex (eftersom de tre CO-liganderna är som benen på en pianopall). Manganatomen i MMT är koordinerad med tre karbonylgrupper samt till metylcyklopentadienylringen. Dessa hydrofoba organiska ligander gör MMT mycket lipofilt, vilket kan öka bioackumuleringen . Medan strukturen för MMT tyder på lipofilicitet och potential att bioackumuleras, indikerar jämförelse av biokoncentrationsfaktorer (BCF) rapporterade för växt- och djurarter i jämförelse med regulatoriska gränsvärden (dvs US EPA och EU REACH) en låg bioackumulerande potential för MMT. Figurerna 2 och 3 i studien (sidorna 182 & 184) visar BCF plottad mot tid och illustrerar den potentiella BCF för MMT. Från dessa figurer visar den övre kurvan (A) 9-dagars MMT BCF-platåing vid cirka 400 i växter och 200 i fisk, med båda värdena långt under tröskelvärdena för bioackumulerande/mycket bioackumulerande (B/vB) enligt US EPA, EU REACH och miljö och klimatförändringar Kanada.

En mängd besläktade komplex är kända, inklusive ferrocen, som också övervägs som en tillsats till bensin.

Ferrocen

Ferrocen är den organometalliska föreningen med formeln Fe(C 5 H 5 ) 2 . Det är den prototypiska metallocenen , en typ av organometallisk kemisk förening som består av två cyklopentadienylringar bundna på motsatta sidor av en central metallatom . Sådana organometalliska föreningar är också kända som sandwichföreningar . Den snabba tillväxten av metallorganisk kemi tillskrivs ofta den spänning som uppstår från upptäckten av ferrocen och dess många analoger.

Ferrocen och dess många derivat har inga storskaliga tillämpningar, men har många nischade användningsområden som utnyttjar deras ovanliga struktur (ligandställningar, läkemedelskandidater), robusthet (anti-knackformuleringar, prekursorer till material) och redoxreaktioner (reagens och redoxstandarder). ). Användning för global kylning har föreslagits.

Ferrocen och dess derivat är knackningsförhindrande medel som tillsätts till bensinen som används i motorfordon och är säkrare än det nu förbjudna tetraetylblyet. Bensintillsatslösningar som innehåller ferrocen kan tillsättas till blyfri bensin för att möjliggöra användningen i veteranbilar som är konstruerade för att drivas med blyhaltig bensin. De järnhaltiga avlagringarna som bildas av ferrocen kan bilda en ledande beläggning på tändstiftsytorna.

Järnpentakarbonyl

Järnpentakarbonyl , även känd som järnkarbonyl, är föreningen med formeln Fe(CO) 5 . Under standardförhållanden är Fe(CO) 5 en fririnnande, halmfärgad vätska med en stickande lukt.

Denna förening är en vanlig föregångare till olika järnföreningar, inklusive många som är användbara i organisk syntes . Fe(CO) 5 framställs genom reaktion av fina järnpartiklar med kolmonoxid . Fe(CO) 5 är billigt inköpt.

Järnpentakarbonyl är en av de homoleptiska metallkarbonylerna ; dvs metallkomplex bundna endast till CO- ligander. Andra exempel inkluderar oktaedrisk Cr(CO) 6 och tetraedrisk Ni(CO) 4 .

De flesta metallkarbonyler har 18 valenselektroner , och Fe(CO) 5 passar detta mönster med 8 valenselektroner på Fe och fem elektronpar som tillhandahålls av CO-liganderna. Fe(CO) 5 reflekterar dess symmetriska struktur och laddningsneutralitet, är flyktig ; det är ett av de vanligast förekommande flytande metallkomplexen.

Fe(CO) 5 antar en trigonal bipyramidal struktur med Fe-atomen omgiven av fem CO- ligander : tre i ekvatorialpositioner och två axiellt bundna. Fe-CO-kopplingarna är var och en linjär.

Fe(CO) 5 är den arketypiska flödesmolekylen på grund av det snabba utbytet av de axiella och ekvatoriala CO-grupperna via Berry-mekanismen på NMR-tidsskalan . Följaktligen ^^ C NMR -spektrumet endast en signal på grund av det snabba utbytet mellan icke-ekvivalenta CO-ställen.

I Europa användes järnpentakarbonyl en gång som anti-knackningsmedel i bensin istället för tetraetylbly . Ytterligare två moderna alternativa bränsletillsatser är ferrocen och metylcyklopentadienyl mangan trikarbonyl . Fe(CO) 5 används vid tillverkning av " karbonyljärn ", en finfördelad form av järn som används i magnetiska kärnor i högfrekvensspolar för elektronik, och för tillverkning av de aktiva ingredienserna i vissa radarabsorberande material (t.ex. järnkula) måla ). Det är känt som en kemisk prekursor för syntesen av olika järnbaserade nanopartiklar .

Järnpentakarbonyl har visat sig vara en stark flamhastighetshämmare i syrebaserade lågor.

Toluen

Toluen är en klar, vattenolöslig vätska med den typiska lukten av färgförtunningsmedel , som liknar den söta lukten av den relaterade föreningen bensen . Det är ett aromatiskt kolväte som används i stor utsträckning som industriellt råmaterial och som lösningsmedel . Liksom andra lösningsmedel används toluen också som inhalationsläkemedel för dess berusande egenskaper.

Toluen kan användas som en oktanförstärkare i bensinbränslen som används i förbränningsmotorer . Toluen till 86 volymprocent drev alla turbo Formel 1-team på 1980-talet, först pionjärer av Honda-teamet. De återstående 14% var ett "fyllmedel" av n-heptan, för att minska oktantalet för att uppfylla Formel 1-bränslerestriktioner. Toluen på 100 % kan användas som bränsle för både två- och fyrtaktsmotorer; Men på grund av bränslets densitet och andra faktorer förångas bränslet inte lätt om det inte förvärms till 70 grader Celsius (Honda åstadkom detta i sina Formel 1-bilar genom att leda bränsleledningarna genom avgassystemet för att värma bränslet). Toluen utgör också liknande problem som alkoholbränslen, eftersom det äter sig genom vanliga gummibränsleledningar och inte har några smörjande egenskaper som vanlig bensin gör, vilket kan bryta ner bränslepumpar och orsaka slitage på övre cylinderlopp.

Toluen har också använts som kylmedel för dess goda värmeöverföringsförmåga i natriumkylfällor som används i kärnreaktorsystemslingor.

Egenskaperna för xylener och etylbensen är nästan identiska med toluen, där det senare annonseras av ett raffinaderi som "komponent i högpresterande bränslen".

2,2,4-trimetylpentan (isooktan)

2,2,4-trimetylpentan , även känd som isooktan , är en oktanisomer som definierar 100-punkten på oktanvärdesskalan (nollpunkten är n -heptan ). Det är en viktig komponent i bensin .

Isooktan produceras i stor skala inom petroleumindustrin , vanligtvis som en blandning med relaterade kolväten. Alkyleringsprocessen alkylerar isobutan med isobutylen med användning av en stark syrakatalysator. I NExOCTANE-processen dimeriseras isobutylen till isookten och hydreras sedan till isooktan.

Xylidin

Under andra världskriget var xylidine ett viktigt antiknackmedel i mycket högpresterande flygbensiner . Dess syfte var att tillåta höga nivåer av laddtryck i flerstegs turboladdare, och därmed hög effekt på höga höjder, utan att orsaka detonation som skulle förstöra motorn. De höga trycken medförde höga temperaturer på inloppsluften, vilket gjorde motorer benägna att knacka. Denna användning och lagringsstabiliseringsmetoder var viktiga militära hemligheter.

Se även

externa länkar

Hämtad från " https://en.wikipedia.org/w/index.php?title=Antiknock_agent&oldid=1112895912 "