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油品中元素分析技术发展综述

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广32 东化工 2010年第8期 第37卷总第208期 www.gdchem.tom 油品中元素分析技术发展综述 徐晓霞 ,毛容妹 ,张翊 ,梁炜峰 ,谭智毅 ,张海峰 (1.华南师范大学化学系,广东广州51广9009;2.广东出入境检验检疫局检验检疫技术中心, 东厂州510623) Summary of the Development of Elements Analysis in Oils XU Xiaoxial, ,Mao Rongmei ,Zhang Yi ,Liang Weifeng‘,Tan Zhiyi ,Zhang Haifeng f1.Department ofChemistry South ChinaNormal University;2.Guangdong Entry-Exit Inspection and Quarantine Bureau,Inspection and Quarantine Technology Center,Guangzhou 5 1 0623,China) Abstract:The paper introduced the differences ofpretreatment mothods and instrument testing methods ofthe elements in oils,and made comparative analysis from he ttesting speed、detection limit、influence factors,etc.The results showed that,organic direct injection method has short time-consumption,little pollution, small loss,simple operation and other advantages,and has broad prospects.Simultaneous multi—element analysis is the direction of instrument development. Currently,ICP analysis is the maturest and widely used in elements analysis Keywords:oil;elements analysis;summary 石油由于受其天然组分的局限,单靠提高加工工艺难以满 足要求。通过改进炼油的配方和工艺,加入添加剂 来改善油 品的使用性能,使得油中金属影响油品的产品质量和二次加 工。燃料油和润滑油在催化裂化过程中,重金属绝大部分沉积 在催化剂上,使催化剂中毒,严重时会打乱装置操作,威胁装 置安全;石脑油和轻柴油中的Na、Fe、Cu、K、Ni等会使催 化剂中毒,有时在高温下生成难熔混合物,使机械设备和石油 加工管线腐蚀;碱金属和碱土金属元素可加速酸性催化剂失活 等。 将油样直接进样或与有机溶剂混合后(减小样品和标液的 粘度差异引起的基体效应)进行分析测定。应选用具有良好燃 烧性、能产生稳定火焰、粘度和表面张力小、沸点高等特点的 有机溶剂与之混合稀释。.常甩甲苯、二甲苯、航煤等溶剂。 1.3样品前处理方法的比较 我们曾做过对比,干法灰化法和微波消解法处理的油品, 其灰分含量符合再现性的要求。由于前者耗时长,干扰因素多, 逐渐被微波法所取代,大大节省了时间。 湿法消解法,由于消化所用试剂量和样品量较大,取 样量,操作时间较长,为此,应用较少。 萃取法,由于油样中金属往往与有机物有缔合作用,将其 与有机母体完全分离并脱除不太容易,因此该法不如灰化法应 用广泛。 有机样品直接进样法,省去了无机前处理过程,大大节省 了时间。但采用稀释法时,溶剂的选择受到了,需通过大 量的实验来论证(有机溶剂的选取、样品的稀释倍数、干扰效 应、仪器各种参数等)。目前,润滑油直接进样做了报导,对 因此,对油品中的元素检测是非常必要的,不仅可以引导 企业改良工艺,扩大生产,加强市场的竞争力,同时保障了消 费者的合法权益。 目前,油品前处理有无机前处理和有机样品直接进样法。 测试方法有ICP-AES、AAS、ICP—MS、X荧光法、化学滴定 法和比色法等。 1样品前处理方法 1.1无机前处理法 使用较多,又较可靠的方法。缺点:样品处理比较费时, 易对样品造成污染和损失,受人为影响较大。可分为: 灰化法,指称取样品(加灰化助剂、消泡剂等)于坩埚中, 置于电炉上,在较低温度下缓慢加热焦化、炭化,最后经过高 温(525±25℃)灼烧,直至剩余无机物。操作见GB/T508L2J和 IP501标准[3]0 湿法消解法,在灰化过程中使用硫酸、、高氯酸、过 氧化氢等试剂。由于在相对较低的温度下,且在液相中反应, 挥发损失和吸附损失都较小。 萃取法,使用无机酸溶液作萃取剂,对油样中金属元素萃 取分离。此种方法简单、快速,是从大量油样中分离出痕量金 属元素的比较理想的方法。如祁鲁梁发表的ICP-AES法测定 轻油中微量金属元素 j,通过加入氧化剂和后,把元素分 离富集到水溶液中进行ICP测定。 高压容弹法,称取少量样品于专用的聚四氟乙烯瓶中,然 后加入适量酸,使样品在高压下溶解。如SH/T 0749润滑油及 添加剂中添加元素含量测定法 。 微波消解法,称取少量样品于坩埚中,放进微波灰化炉, 按阶梯温控程序升温,先去除水分和易挥发性组分,接着升高 温度对样品炭化,最后灰化成无机物。 汽油和燃料油的等产品尚在摸索阶段。如时文中等人发表了 ICP—AEs有机进样测定润滑油中的微量元素 j.陈迎霞等人 发表了使用过的润滑油中添加剂、磨损和污染物元素的测定一 ICP/AES有机溶剂稀释法 J。 2样品测试方法 2.1电感耦合等离子体原子发射光谱法(ICP—AES) 被测元素的原子在高温等离子体中受激而产生光辐射, 经过光谱仪衍射光栅的分光可得到样品中元素的谱线,由谱 线的波长和强度进行定性及定量。标准有GB/Tl747 和 ASTMD51851 ,SH/T0749 10】,SH/T0715【llJ,SN/T1829 , 13lIP501[ ,ASTMD5708[。 2.2原子吸收法(AAS) 根据元素所产生的原子蒸汽对同种元素所发射的特征谱 线的吸收作用进行分析,谱线的强度进行定量。标准有SH/T 0706[H】,ASTM D4628l 。如苏玉莲发表了原子吸收光谱法测 J定轻质油中的微量金属元素【l ,寻找了将元素富集到水溶液 中进行 口和离 分离测 1.2有机样品直接测定 【收稿日期]2010—06—22 【作者简介]徐晓霞(1982.),女,梅州人,学士,主要从事石油产品分析与检测工作。 2010年第8期 第37卷总第208期 广东化工 33 、^ vw.gdchem.com 定所有离子,并通过高速双通道分离后的离子进行检测。如_张 萍等人发表了电感耦合等离子体质谱法测定渣油中微量元素 71o .4微波等离子体炬原子发射光谱法(MPT—AES) 用微波等离子体(MPT)焰炬作为激发光源。由于焰炬温度 高且具有通道,由载气引入该通道的待测液体试样经脱溶 剂、熔融、蒸发、解离等过程,形成气态原子,各组成原子再 吸收能量后发生激发,跃迁到激发态,处于激发态上的原子不 稳定,以发射特征辐射(谱线)的形式重新释放能量后回到基 态。根据各元素气态原子所发射的特征辐射的波长和强度进行 定性和定量分析。如张金生等人发表了微波等离子体炬原子发 射光谱法测定原_2.5 X射线荧光光谱法 油和渣油中铁、镍、铜和钠 。 用x射线照射试样时,试样被激发出各种波长的荧光x 射线,需要把混合的x射线按波长(或能量)分开,分别测量不 同波长(或能量)的x射线的强度,以进行定性和定量分析。标 准有ASTM D4294_l 和GB/T 17040 L2…。如邬蓓蕾等人发表了 x射线荧光光谱法直接测定燃料油中铝、硅、硫、钒 。 2.6化学滴定法 其是用一种已知浓度的试剂溶液加到被测物质的溶液中, 直到化学反应完全时为止,然后根据试剂的用量和浓度求得被 测元素的含量。如SH/T 0309含添加剂润滑油的钙、钡、锌含 量测定法(2.7比色法 络合滴定法) 。 基于比较有色物质颜色深浅以确定含量的方法。如SH/T 0296添加剂和含添加剂润滑油的磷含量测定法 ,方法概要: 在高温下,用氧化锌作捕获剂,使试样中的磷生成五氧化二磷, 留在氧化锌中。然后用将氧化锌溶解,使五氧化二磷转变 成磷酸根。在一定酸度范围内磷酸根与钒酸铵-钼酸铵形成稳 定的黄色络合物,在波长460 nm处比色。 2.8电弧发射光谱仪(多元素油液分析仪法) 基于电弧的高温使样品中各元素直接气化并激发,而发射 出各元素的特征波长,用光栅分光后,成为按波长排列的“光 谱”,通过光电倍增管、检测器,得出元素的含量。主要测润 滑油、传动液及燃料油中磨损金属、污染物及添加剂的含量。 操作见ASTM D6728_24_。 2.9 N、S、Cl元素分析仪 采用高温氧化法将样品完全分解,通过化学发光法检测 氮,紫外荧光法检测硫。操作见SH/T 0689[251和GB/T 17674L2 。 如李莉发表了用Multi EA2000型元素分析仪测量含铅样品中 的碳硫含量[2 。 2.10样品测试方法的比较 2.10.1检测能力 化学滴定法、比色法虽然简单易行,但灵敏度低,干扰因 素多,同时,还存在着试剂用量大,污染严重等问题,因此, 已逐渐被准确、快速的ICP—AES、ICP—MS、AAS、MPT—AES 等仪器分析所代替。优点是:提供了更低的检出限、更宽的动 态线性范围、干扰较少、分析精密度高、分析速度快等。 ICP—AES测量的是光学光谱(120~800 nm),具有l0。以上 的LDR(线性动态范围),且抗盐份能力强(高达30%TDS),可 进行痕量及主量元素的测定,部分样品无需稀释可直接检测。 ICP-MS测量的是离子质谱,提供在3~250 amu范围内 每一个原子质量单位的信息,还可进行同位素测定,具有超过 1 0 的LDR,若采用特殊方法(预富集)可使其LDR扩展至1 0 级。如苏玉莲发表了原子吸收光谱法测定轻质油中的微量金属 元素 。由于ICP—MS的耐盐量较差(通常不大于0.2%TDS), 其检出限实际上会变差多达50倍,一些轻元素(如S、Ca、Fe、 K、s)在ICP—MS中有严重的干扰,其实际检出限也很差。主 要进行痕量/超痕量元素分析。 AAS测量的是原子光谱。石墨炉AAS的检出限为1~10 ppb, 一些元素也可得到亚ppb级的检出限。 当原始样品是固体时,与ICP—AES,AAS相比,ICP—MS 需要更高的稀释倍数。 2.1 0.2进样方式比较 x荧光测硫仪、N/S元素分析仪和电弧发射光谱仪可以直 接进样检测。 ICP—AES与AAS相比在样品处理上无明显的区别,可以 无机测定,也可以有机测定。 2.10.3元素分析 ICP—AES、ICP-MS、MPT—AES和电弧发射光谱仪可以同 时进行多元素分析。AAS由于受光源的,每次仅能测定 一种元素,无法完成多元素同时测定。 根据分析溶液中待测元素的浓度来看,若每个样品测定 1~3个元素,元素浓度为亚或低于ppb级,AAS是最合适的; 若每个样品测定5~20个元素,含量为亚ppm至%,则选用 ICP.AES是最合适的;若每个样品需测4个以上的元素,含量 为亚ppb及ppb,而且样品的数量也相当大,选用ICP—MS是 较合适的。 2.10.4干扰因素 AAS测定时,共存元素相互干扰大,在空气一乙炔火焰中, 钒对钙和镍的测定有干扰,镍对铁的测定有干扰,钙对钠的测 定也有干扰。常加入干扰抑制剂来消除影响。 ICP—AES测定时,样品通过雾化、送样、原子化、激发、 电离等几个主要过程转化为光信号。在这一过程中的化学干 扰,如PO4一Ca、A1.Ca,在原子吸收中比较典型,而在高温特点 的ICP/AES中几乎可以忽略不计。另外,由于电子密度较大 的氢等离子体本身对电子数的增减具有缓冲作用,所以电离干 扰可以忽略。 2.10.5应用程度 在日常工作中,ICP—AES分析技术是最成熟的,可由技术 不熟练的人员应用ICP—AES技术人员制定的分析方法来进行 工作。 ICP—MS的操作直到现在仍较为复杂,尽管近年来在计 算机控制和智能化软件方面有很大的进步,但在常规分析前 仍需由技术人员进行精密调整,其方法研究也是很复杂及耗 时的工作。 AAS的常规工作虽然是比较容易的,但制定方法仍需要 相当熟练的技术。 运用MPT-AES法的研究很少。虽然对各种元素具有很好 的检测能力,但不能分辨元素的形态。 3结论 经过分析,有机样品直接进样的方式因制备样品时间短、 污染小、损失小,操作简单等优势,被越来越多的实验室和科 研机构采用。但是,燃料油、易挥发油品的有机处理过程0Jn入 合适的稀释剂),还处于摸索阶段,需要通过比对试验,解决有 机溶剂的选取,仪器参数设置等问题,得出最佳的试验方案。 ICP—AES仪是目前最为准确、快捷的仪器,广泛应用于元 素分析。 参考文献 …1程丽华,吴金林.石油产品基础知识[M].北京:中国石化出版社,2008, 245—246. 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[22]SH/T 0309—1992,含添加剂润滑油的钙、钡、锌含量测定法(络合滴定 (本文文献格式:徐晓霞,毛容妹,张翊。等.油品中元素分 析技术发展综述[J】_广东化工,201 0,37(8):32—34) (上接第25页) 2.1过氯乙烯外用磁漆主要配方(质量分数/%) 如表3。 由于涂料中含有发泡剂、成炭剂、阻燃剂,在涂层受高温作用 时,发生膨胀和炭化,形成一种导热性很小的海绵状炭化层, 阻挡了外部火源的作用,从而达到抑制燃烧蔓延的目的。其防 火理论如下: (1)阻止有焰燃烧的连锁反应。 2.2使用方法 (1)施工前,必须把被处理基材表面的灰尘、油污等清洗 干净。 (2)喷涂、刷涂均可。必须待前涂层表面干燥后,方可进 行下一道施工。 (3)施工过程和涂料干燥前,环境湿度在1O℃以上,相对 湿度在9O%以下为宜。 (4)该涂料固体成分较大,较易沉积,必须搅拌均匀。若 太稠,需加溶剂(如:二甲苯)。 表3过氯乙烯外用磁漆主要配方 Tabl3 Ingredients ofperchloroethylene enamelfor externaluse % 有机物在燃烧过程中能分解出很多基团。其中,羟基自由 基的能量很大,而且在燃烧中放出大量的热,并能引起连锁反 应,促进燃烧的进程。其反应如下: CO+OH‘--*CO2+H。 (放热) H。+02_+OH+0’ (连锁) 而过氯乙烯树脂在燃烧中分解出卤化氢,可以捕捉羟基自 由基,使连锁反应终止,从而阻止燃烧的发生。 OH +HX—+H20+H X。+RH— HX+R一 原料 过氯乙烯树脂 苯=甲酸=丁酯 Z一301阻燃复配剂 颜料 紫外线吸收剂 其它 质量分数 32 7 53 5 4 1 6 l O (2)改变分解反应历程,阻止放热量大的反应发生。 由于涂料中加入了Z一301阻燃剂,当在高温作用下能使含 羟基的有机聚合物发生脱水成炭反应,或生成热稳定高粘稠状 酯覆盖在基层表面,从而达到阻燃效果。 (3)分解出的惰性气体可稀释可燃性气体。 由于本涂料中含有氮化合物、卤素有机化合物、碳酸盐等, 当它们燃烧时可以释放NH3、H2O、CO2、HCI、HBr等不燃 气体,它们可将热分解成的可燃气体和空气中氧浓度冲淡,从 而达到抑制燃烧的发生。 4结束语 以过氯乙烯树脂为基料,外加Z一301复配阻燃剂,能够起 到较好的防火效果。该工艺路线原料易得,价格便宜,具有广 阔的应用前景。 3过氯乙烯树脂待防火机理 3.1防火涂料的一般防火应用 防火涂料的防火机理,可归纳为: (1)涂料遇火分解出不燃惰性气体,冲淡被保护物体受热 分解出的可燃性气体,使之不易燃烧或减慢燃烧速度; (2)涂料本身具有难燃性或不燃性,使被保护的可燃性物 体不直接与空气接触,而延迟物体着火和减小燃烧的速度; (3)含氮防火涂料受热分解出的NOx、NH3等基团,易于 有机物的自由基化合,中断有机物燃烧时的连锁反应; (4)膨胀性防火涂料受热膨胀发泡,形成炭质泡沫隔热层, 封闭被保护的物体,阻止物体着火燃烧。由于受火燃烧的情况 参考文献 [1]李春渠,涂装工艺学[M].北京:北京理工大学出版社,1987. 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