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技術(shù)文章

紅外光度法測(cè)定水中油的技術(shù)和應(yīng)用

礦物油是由烷烴、環(huán)烷烴及芳香烴組成的混合物。

早期的各種定量方法都是測(cè)量混合組分中部分化合物某一特性基團(tuán)的特殊吸收(發(fā)射),進(jìn)而推算混合組分總量;一旦具有該特性基團(tuán)的化合物的相對(duì)含量發(fā)生變化,吸收系數(shù)必然相應(yīng)變化,所以長(zhǎng)期以來(lái)一直存在“標(biāo)準(zhǔn)油”的選擇問(wèn)題無(wú)法統(tǒng)一。

新頒布的國(guó)標(biāo)HJ637-2018水質(zhì)石油類和動(dòng)植物油類測(cè)定 紅外分光光度法,選取了三波長(zhǎng)紅外光譜法作為統(tǒng)一方法。

 1、三波長(zhǎng)紅外光譜法

1.1 何為三波長(zhǎng)紅外光譜法

礦物油是多種烴的混合物,烴類又存在同系物,無(wú)法獲得各結(jié)構(gòu)單元、組成比例*一樣的標(biāo)樣,沒(méi)有常規(guī)定量方法的計(jì)量關(guān)系可以利用。

礦物油從化學(xué)結(jié)構(gòu)上看主要含2930cm-1(CH3)、 2960cm-1(CH2)、3030cm-1(芳香烴)三種基團(tuán)。其組成中的“任一化合物”均可由這三種基團(tuán)“拼裝”而成,因此可分別測(cè)定礦物油中的上述三種基團(tuán)的量,全部基團(tuán)累加后可得總量。

1.2 數(shù)學(xué)模型建立及其參數(shù)標(biāo)定

  由吸收的加和性可知,三波數(shù)處的吸光度A2930、A2960、A3030分別為三類基團(tuán)吸收的分類匯總值,所以其原始數(shù)學(xué)模型為:

  C=x* A2930+y* A2960+z* A3030 (1)

  C為溶劑中礦物油的濃度,x、y、z 分別為CH2、 CH3、芳環(huán)的C-H鍵的吸光度系數(shù)。因脂烴基對(duì)芳環(huán)的吸收有疊加,盡管很小,但芳環(huán)的吸光度系數(shù)大(2),易引起大的誤差,需引入校正系數(shù)F對(duì)A3030修正:

C=x* A2930+y* A2960+ z*( A3030- A2930/F) (2)

此即“三波長(zhǎng)紅外光譜法”的基本數(shù)學(xué)模型。

  理論上,吸收系數(shù)為特定值,但隨儀器精度、操作條件有差別,可借助模型化合物的純物質(zhì)標(biāo)定本儀器的值。分別配制富含CH2(如正十六烷)、 CH3(如姥鮫烷或異辛烷)、芳環(huán)(如甲苯或苯)基團(tuán)的單一標(biāo)準(zhǔn)溶液以標(biāo)定x,y,z:在3400-1~2400cm-1之間進(jìn)行紅外光譜掃描

 逐個(gè)量取3030 cm-1、2960 cm-1、2930 cm-1三處的吸光度,依次代入(2)式,得三聯(lián)方程組,其中F為正十六烷的A2930/ A3030值。

對(duì)一特定儀器,在特定條件下,x、y、z、F保持穩(wěn)定

1.3 系數(shù)驗(yàn)證及適應(yīng)性檢驗(yàn)

  為驗(yàn)證校正系數(shù),分別用國(guó)標(biāo)樣及自配B重油標(biāo)樣進(jìn)行了回收率試驗(yàn),結(jié)果見(jiàn)表3。

      表2 EP900紅外測(cè)油儀響應(yīng)系數(shù)

光源

溶劑

x

y

z

f

近紅外

四氯乙烯

114.19

259.44

1582.5

82.5

中紅外

四氯乙烯

143.31

199.2

964.5

85.2

表3 樣及B重油的測(cè)定結(jié)

標(biāo)樣名稱

標(biāo)準(zhǔn)值(mg/L)

測(cè)定值(mg/L)

P%

RE%

礦物油7330103

15.5±1.4

14.7

94.8

-5

礦物油7330401

20.4±2.4

19.5

95.6

-4

礦物油7330104

24.9±2.1

24.1

96.8

-3

B重油

10.0

9.95

99.5

-0.5%

試驗(yàn)結(jié)果表明,本校正系數(shù)的平均回收率為96.7%,相對(duì)誤差在-0.5%~-5%之間,能滿足實(shí)用測(cè)定要求。

三波長(zhǎng)紅外光譜法充分兼顧了鏈烷、環(huán)烷及芳香烷的共同影響,能適應(yīng)各種組成比例混合烴的測(cè)定,避開(kāi)了“標(biāo)準(zhǔn)油”問(wèn)題,具有很大的*性。其對(duì)烴組成比例變化的適應(yīng)性驗(yàn)證見(jiàn)表4。

  表4表明,三波長(zhǎng)紅外光譜法對(duì)各種烴類組成比例,甚至比例的樣品均具有很好的響應(yīng),不需在每次測(cè)定樣品前提取或配制“標(biāo)準(zhǔn)油”,充分顯示出該法對(duì)樣品中烴類組成變化所*的適應(yīng)性。

      表4 烴組成變化對(duì)三波長(zhǎng)法的影響(配制值105mg/L)

烴組成

9:2:1

4:2:1

1:2:4

1:8:4

9:10:1

10:0:0

0:10:0

0:0:10

實(shí)測(cè)值mg/L

113.4

111.6

104.9

113.2

115.2

110.7

109.4

99.3

回收率%

108

106.3

99.9

107.8

109.7

105.4

104.2

94.6

芳烴%(V)

8.3

14.3

57.1

30.8

5

0

0

100

 

  注:烴組成為正十六烷:姥鮫烷:甲苯(V/V).

2 、問(wèn)題討論及技術(shù)應(yīng)用

2.1 問(wèn)題討論

近紅外光源和中紅外區(qū)雖無(wú)嚴(yán)格界限,但非分散儀使用近紅外光源,測(cè)量中紅外區(qū)的信息(近紅外光區(qū)邊緣),能量弱、靈敏度低,尤其是對(duì)芳環(huán)的響應(yīng)(大型儀器亦如此,見(jiàn)表2)。建議國(guó)產(chǎn)三波長(zhǎng)油測(cè)定儀使用中紅外光源,以進(jìn)一步提高儀器靈敏度。

  三波長(zhǎng)紅外法非嚴(yán)格按化學(xué)計(jì)量關(guān)系進(jìn)行測(cè)定,理論上,測(cè)量非準(zhǔn)確,實(shí)際應(yīng)用中,復(fù)雜樣品的吸收往往發(fā)生一定的紅移或藍(lán)移,所選波長(zhǎng)不可能保證在組分的峰值吸收處,如芳環(huán)的吸收波數(shù)常在3030~3070cm-1間。所以,吸光度的量取不應(yīng)機(jī)械定為某一波數(shù)點(diǎn),而應(yīng)認(rèn)為該波數(shù)處相應(yīng)的吸收峰,不然吸光度取于峰腰,甚至于峰腳,都會(huì)引起測(cè)定結(jié)果的普遍偏低。

有條件可考慮用積分吸光度法代替吸收峰高法定量,既可提高測(cè)定精度,也可有效防止吸光度取值不到位。

光度分析在A=0.3≈0.6范圍內(nèi)誤差較小,吸光度為0.43。芳環(huán)中C-H鍵的感度遠(yuǎn)小于CH3、CH2,其吸收系數(shù)Z的準(zhǔn)確與否對(duì)測(cè)定結(jié)果影響顯著;F=A2930(正十六烷)/A3030(正十六烷),正十六烷不含芳環(huán),A3030很微弱,太小的A3030易給F計(jì)算帶來(lái)很大的誤差。因此,在標(biāo)定X、Y、Z、F系數(shù)時(shí)不必拘泥于國(guó)標(biāo)中所規(guī)定的濃度;應(yīng)視儀器響應(yīng)情況適當(dāng)調(diào)整模型化合物的濃度,保持A在合適吸收范圍,以獲取準(zhǔn)確的儀器系數(shù);模型化合物的濃度只供解聯(lián)立方程組用,其值也不必湊整,應(yīng)以配制準(zhǔn)確為重。

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