油品仪器分析的现状和发展趋势_刘勇华

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气相色谱法 [7 -14] 的理论和仪器都比较成熟 , 在石油产品 分 析中 有广 泛应 用 。特别 是毛 细管 技术 的 发展 , 使得 一根 毛 细管 同 时分 离 上百 个组 分 成为 可能 , 是 现代 分 析科 学 中 最惊人的成就之一 。徐亚贤 [7] 建立了使用非极性固定液 SE -30 填充柱的气相色谱方法 , 成功测定了含烯汽油中共轭 二烯烃的含量 , 省略了美国 UOP -326 方法中的水解 、滴定步 骤 ,将操 作时间从 4 ~ 5h 缩短为几 分钟 。廖珊 [11]用气相色谱 测定了汽油的八项指标 :辛烷值 、密度 、蒸气压 、沸点 、热值 、馏 程 、碳含量 、平均分子量 。气相色谱与质谱 联用在有机 混合物 的 分离和结构 分析中也应 用很广泛 。沈海林 [12] 用 GC -MS 结合化学计量学方法 , 从石油样品中解析出 557 个成分 。史 权 用 [13] GC -MS 分析了催化裂化柴油中胶质组成 。章炜 采 [14] 用毛细管气相色谱与等离子原子发射检测器 (GC -AED)联 用 , 定量分析汽油中的硫化物 , 测定了中东原油直馏汽油和 FCC 汽油中 49 种含硫化合物 , 具有较好的选择性和线性动态 范围 , 硫信号不被共流出烃淬灭 。
2001 年第 4 期
分析仪器
9
油品仪器分析的现状和发展趋势
刘勇华 杨官汉 胡泽祥 娄 方
(解放军后勤工程学院 , 重庆 , 400016)
摘 要 对近年来用于石油产品仪器分析方法的现状进行了评述 ,并探讨了发展趋势 。色谱法和光谱法仍是油 品分析应用最广泛的方法 , 近红外光谱正快速进入石化分析领域 , 而化学计量学是处理信息的有效工具 。
2 光谱法
光谱学方 法主要包括 分子光谱 和原子光谱 。从广义 上 讲 , 物 质的 分子 吸收 各种 辐射 能量 发生 能级 跃迁 , 产 生吸 收 、 发射 、 散射和电离等都属于分子光谱范围 。用于有机结构分 析的分子光谱 , 按能量高低可分 为紫外 -可见光 谱 (U V V is)、近红外光谱(N I R)和红外光谱(I R)。一般用于元素分 析的 原 子光 谱 包括 原子 吸 收光 谱 (A A S)、 原 子发 射 光谱 (A ES)、X 射线荧光光谱 (X RF)等 。常用于油品分析的有红 外光谱 、 紫外光 谱 、 近红外光 谱 、 原子吸 收光谱和 X 射线 荧光光谱 。
关键词 石油产品 仪器分析
石油产品种类繁多 , 组分极其复杂 。当今石油产品分析 几乎应用了现有的所有分析方法 , 既有化学分析方法 , 又有 仪 器分析方法 ;既有传统 方法和在 其基础上 更新改进 的方 法 , 又有新 发展起来的 方法 , 例如近红外 光谱分析 技术 [1 -6] 正成为石油化工分析领域的一个热点 。本文拟对油品仪器分 析方法进行简要回顾并探讨其发展趋势 。
1 色谱法
色谱法从上世纪 50 年 代出现以来 , 一直保 持着蓬勃发 展的势头 , 在医药卫生 、生物制品 、食品化工等领域得到广泛 应用 。色谱法种类众多 , 其中石油产品分析常用的主要有气 相色谱法 、 高效液相色谱法和薄层色谱法 。气相色谱 -质谱 (GC -MS)、气相色谱 -液相色谱(GC -LC)、液相色谱 -质谱 (LC -MS)等联用技术也被广泛应用 。
微库仑分析技术经过几十年的发展 , 已被公认为测量石 油产品和其它有机以及无机化合物中硫 [ 32] 、氯 [33] 、氮 [34] 、水分 [ 35]和不饱和烃 [36]的最佳分析方法 , 已成熟地用于科研和生产 控制分析过程 。它的主要优点是灵敏 、快速 、准确和具有较强 的抗干扰能力 。在实际应用中 , 微库仑分析法仅需要几微升 样品 , 即可测定样品中从百万分之几到百分之几待测物质的 含量 。它可以单独使用 , 也可与燃烧 、氢解 、选择性吸收 、气 提 、裂解以及色谱分离技术联合使用 。表 2 为微库仑法分析各 种物质的条件和反应原理 。
NH
3
+H
+
※N
H
+
4
1/2H 2 - e ※H +
Ag++Cl -※AgCl ↑ Ag -e ※Ag +
I 2 ※2I- 2I --2e ※ I 2
RCH =CH 2 +Br 2 ※RCHBrCH 2Br 2Br--2e※Br 2
方法仍在继续应用和改进中 。如分光光度法在石油产品分析 中仍有重要地位 。王晓东等 [ 37]用紫外分光光度法测定了石油 产品中的芳烃含量 。黄玮 [39] 、 赵杉林 [40]用 分光光度法测定了 润 滑油 中的 痕量 锰和 钴 、镍 。另 外 , 在 示波 极谱 方面 ,郑莉 等人 [41] 用单扫 描示波极谱 同时测定 了原油 中的镍 和铜含 量 。吴梅等 [ 42]探讨了示波极谱的实验条件 , 成功测定了石油 馏分及产品中的元素硫 。质谱法和核磁共振法在油品分析中 一般很少单独使用 , 质谱法 [12 -14 ,16]和色谱法联用较多 。
量处理 。液相色谱与毛细管气相色谱联用 , 可以承担几乎绝大 部分有机分离分析任务 。江涛 [15] 采用填充毛细管液相色谱 (PC-HPLC)与毛细管气相色谱(CLC)在线联用技术分析油品中 的芳烃 , 能将油品分成烷烃 、芳烃和胶质 , 其中胶质还能按环数 和骨架结构分离 , 样品转入 GC 再分析各族组分的含量和碳数 分布 。该方法也适用于油品中其它组分甚至全部族组分的分离 分析 。罗皓[16]探讨了用 HPLC -MS -MS 测定液压油中微量极压 抗磨添加剂磷酸三苯酯的方法 。该方法的特色之处在于采用多 级反应监测技术(MRM), 通过色谱保留时间 t R 、分子离子峰M 1 及其特征子离峰 M 2 三组来指证测定化合物 , 认定复杂体系中 含量极低的物质(1mg/L), 有效避免组分间的干扰 , 具有良好的 选择性 ,大大简化了样品的预处理 。
油品粘度变化的测定应用于工况监测 。北京石油化工科学研 究院的徐广通 、袁洪福等人 [ 1 -3]采用近红外光谱测定了柴油中 的芳烃含量 , 并将之应用于柴油生产控制过程 。马竞涛 [4]将近 红外光谱技术引入了油的调合中 。刘海旺等人 [ 5]测定了不同 种类汽油的近红外光谱 , 用于建立汽油类型鉴别模型 。近红 外光谱技术的推广应用已成为一个研究热点 , 正在快速进入 石油化工领域 。
饱和烃含量 总芳烃含量
其它 水分
饱和烃含量 总芳烃含量
水分
原子吸收光谱灵敏度高 ,定量分析准确 ,分析速度快 ,可测范 围广 , 在石化分析领域保持了很强的生命力 , 主要用来测定油品 当中的 C a 、Ba 、Zn 、B 、Pb 、M g 、M o 、Se 、Ce 、Cr 等金属元素 。刘 立行等 [20] 用乳浊液进样 -火焰原子吸收光谱成功建立了快速 测定润滑油中铅和锌的方法 。该方法的难点在于油样乳浊液的 配制 。金珊 [21]将原子吸收光谱法第一 次用 于石 油焦 重金 属 元素 的分 析 , 测 定了 镍和 钙的 含量 。陈焕斌等 [22] 用微波消 解技术对油品添加剂进行样品预处理 , 采用原子吸收光谱法 测定了其中钙和镁的含量 。另外 , 姜波[ 23 、 24] 、杨鸿慧 [25] 、宫本 玲[ 26]等人采用原子吸收光谱法测定了润滑油中铅 、锌 、钙 、铁 和镍的含量 。
高效液相色谱 [15 -17]是在柱色谱基础上发展起来的 。它以 液 体作为流动 相 , 采用高压 泵 、高活性柱填 料和高灵 敏度检 测 器 , 突出优点是 , 分 析速度快 , 柱 效高 , 检测灵 敏度高 , 使 定量分析的准确度大大提高 。特别是计算机技术的引入 , 可 实现分析条件的最佳化 , 能快速选择分析条件和作准确的定
3 微库仑法
微 库仑 分析 技术 [ 30 -33 ]是 20 世纪 60 年 代发 展起 来的 一种 以 库仑 滴 定为 原 理 的分 析 技术 。 库仑 滴 定 属于 电 化 学分 析方 法 , 和 一般 加入 滴定 溶液 的容 量法 不同 , 它是 用 电解 方 法在 一 个电 解 池 中产 生 滴定 物 质 , 根 据 法拉 第 电 解定 律 和电 解 消耗 的 电 量来 计 算被 测 物质 的 含 量 。 在 微 库仑滴定中 , 电解电流是一个随着时间而变化的 可变电流 , 电流 的 大小 由 样品 进 入 电解 池 引起 的 信号 决 定 。这 个 信 号通 过放 大后 , 输送 到电 解池 , 进行 电解 , 产 生滴 定物 质 , 对消 耗的 滴定 物质 进行 补充 。当被 测物 质逐 步减 少时 , 信 号和 电解 电流 将逐 渐减 少 。
表 1 近红外光谱可测定的烃类燃料油指标
油品类型 汽油
物性 密度
喷气燃料 (煤 油)
柴油
密度 密度
燃料性能 辛烷值
十六烷值
蒸发性能
馏程 闪点 蒸汽压
馏程 闪点
馏程 闪点
低温性能
雾点
冰点 结晶点 凝点 冷凝点 浊点
流动性能 运动粘度 运动粘度 运动粘度
组成
不饱和烃含量 总芳烃含量 甲基叔丁基醚 甲醇 、 乙醇
4 其它方法
除了上述方法 , 基于石油产品物理 、化学 性质的传统
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分析仪器
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被分析物质 总硫
百度文库
表 2 微库仑法分析条件及原理分 析条件
反应 原理
1L 蒸馏水 +0 .5 g KI+0.4 mL 冰醋酸
l -3 +SO 2 +H 2 O※SO 3 +2H+ +3l - 3I-- 2e※I 3
X 射线荧光光谱法是利用 X 射线照射样品 , 引起原子内 层电子的复杂迁移 ,发射出特征性荧光射线 ,根据荧火射线的 特征信息来定性定量测定元素含量 。X 射线荧光光谱法在石 油产品添加剂剖析中也应用较广 ,文献[ 27] 便是一例 。另外 , 有不少人对 用 X 射线 荧光光谱 法测定石 油产品中 的硫含 量 进行了实践和探索 。顾若晶等 [ 28]参照 ASTM D4292 — 92 标准 试验方法建立了汽油中硫含量的测定方法 。该方法的优点在 于摒弃了 GB/T1140 —89 方法中使用的价格昂贵的仪器 ,以牛 津公司生产的小型 Lab -X 3000 能量色散 X 射线 光谱仪取而 代之 。该方法适用于测定石脑油 、中间馏分油 、燃料油 、渣油 、润 滑油和无铅汽油中的硫含量 ,测量范围 0.01w %~ 5w %。应晓 浒 [29] 利用波长色散 X 射线荧光光谱测定了灯用煤油中的硫 含量 , 检出限为 0.6 ×16 -6g/g 。
总氮 总氯 水分 不饱和烃 (溴价)
4.3 g 硫酸钠 +3 mL 0 .05 mol/L+10 L 蒸馏水 700 mL 冰醋酸 +300 mL 蒸馏水 甲液 :卡氏试剂 ;乙液 :500 mL 甲醇 +32 g I2 600 mL 冰醋酸 +260 mL 甲醇 +140 mL 3 mol/L 溴化钾
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分 析仪 器
2001 年第 4 期
物的 C -H 、N -H 、O -H 等基团信息的测定 为基础 。这 些信 息可用于轻 质燃料油(适 用范围为柴 油 、喷气燃料和汽油)的质 量指标测定和生产过程控制 。表1[19]是理论上预测的用近红外光 谱可测定的烃类燃料油指标 。文献[ 19] 收录 12 篇文章 , 介绍 了近红外光谱测定轻质燃料油质量指标的理论和应用 。冯新 庐 、 史永刚等人 [19 ] 在国内率先测定了喷气燃料的密度 、 冰 点 、闪点 、馏程 , 汽油的馏程 、 辛烷值 , 柴油的凝点 , 并将
红外光谱[ 18]技术成熟 ,提供的结构信息非常丰富 , 因而应 用最广最多 ;紫外 -可见光光谱应用范围窄 , 给出的信息贫 乏 , 分析结果可靠性有限 , 因而在石油化工分析中的地位日趋 下降 。上述两法这里不作详细论述 ,重点介绍正在快速进入石 化 分 析 领 域 的 近 红 外 光 谱 。 由 于 近 红 外 光 谱 区 (780 ~ 2500nm)出现的分子振动光谱的倍频和组频极弱 , 重叠较严 重 , 所以在 分析检测工 作中长期未 得到应用 。近 30 年来 ,由 于高度强度光源 、低散射光栅和固态高灵敏度探测器的出现 , 以及计算机技术的发展 , 为近红外光谱仪的开发和实用化提 供了必需的基础 ;化学计量学的发展为复杂光谱信息的提取 、 分离 、多成分多参数同时分析提供了可能 , 从而使近红外光谱 技术达到实用阶段 。近红外光谱在石化分析中的应用以对化
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