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【科普专栏】油品分析常用的仪器检测技术

 发布时间:2020-09-29 点击量:117
  油品检测简单来讲就是使用一定的检测技术,对石油产品的一系列理化参数,例如组成成分、单位体积的重量、蒸馏温度区间、粘稠程度、硫元素的比重、腐蚀性、混杂物质等,其中相对而言较为重要的是对于组成成分、混杂物质以及硫元素比重的检测。
 
  石油产品多是有开采出来的原油通过多级的蒸馏,在不同温度下凝结出来的混合物,这也是该类产品生产的主要技术。在原油的多级蒸馏过程中,原有的长链、大分子的物质在温度的作用下分裂开解成较短链的、小分子的成分,这些原油分裂产生的物质具有各种的优良性质,比起原油来具有更好地应用前途。例如可燃性以及燃烧放热增加的成分可以用作油类燃料,流动性以及摩擦消除性得到显著改善的可以用于润滑产品的制备,在石油产品制备过程中残留下来的难以分解的原油成分,由于其化学稳定性好,且具有很好的物理性质,则可以作为建筑类的基础材料。然而,现阶段的生产技术的限制决定了很难从原油中获得组成成分单一的高纯度的石油产品,因此该类产品的质量主要是以所需物质成分的所占比重作为评价指标,因此,能否准确检测出产品中的物质结构以及各自含量便是衡量检测技术优劣的主要区分点。
 
  仪器检测技术由于多是对待测物质的分子层面信息进行收集,故检测结果的准确程度极高,对于物质组成的判定具有很好的针对性,而且可以根据回响值的大小,在一定范围内实现对物质含量的测定。这些检测优势使得该类技术在油品检测中得到了广泛的应用,大大提高了检测结果的可靠性。
 
  在油品检测中常用到的仪器检测技术
 
  中红外光谱技术
 
  (1)技术介绍
 
  该技术的原理是利用物质的微观分子在化学键的收缩或者舒张运动过程中,会对红外光线产生吸收作用,根据物质的分子结构不同,所吸收的光线的类型也不尽相同,理论上每种分子结构都会有其特有的光线吸收性。在检测中,使用特殊的发光组件,对待检测物质施加在一定范围内不断变化光波长度的红外光线,然后使用光学信号检测接收装置对照射过待检测物质后的透过光线进行接收,并记录、分析其性质的变化,以此来反应待检测物质对于光线的吸收特性,将此作为评价标准用来判断物质的分子结构,达到定性检测的目的。
 
  此外,光线吸收信号的强弱幅度与相应待检测物质的含量具有明显的正向关系,待检测物质的含量越高,对于光线的吸收量越大,反映在光线检测接收器上的信号强度也就越大。也就是说,如果待检测物质的含量在检测信号的线性反应限度以内,则可以通过规定待检测物质的含量获得一系列的光学响应信号,将光学响应信号与规定的待检测物质含量之间做线性的回归分析的得到二者之间的关系函数,就可以根据不定量待检测物质的响应信号推算出物质的含量,实现定量分析。
 
  (2)技术应用
 
  首次将该技术应用于油品检测的是战争时期的美国。在战争阶段,为了满足各类战争机械例如飞机、坦克对于燃油的巨大消耗,美国方除本国自产油料以外,对别国的石油燃料进行了广泛的采购,其中,有相当一部分来自于发展技术相对较为落后的国家,因而其生产出的产品质量难以得到很好地保证,质量较差的燃油除了动力供给水平达不到机械驱动的要求以外,在生产过程中没有除去的杂质会在机械内部进行蓄积,影响其正常运行。再加上战争的迫切需求,美国方急切地需要一种可以迅速鉴定油品质量的分析技术。在这一背景下,美国西南研究机构构建了一种迅速准确的燃料质量测评体系,其主要组成部分便是中红外光谱。由于该技术是对红外的光学吸收信号进行检测,故检测过程很快,可以在1-2min之内完成。同时,其是对于微观分子结构层次的检测,故而准确性可以得到很好的保证,满足了战争油品检测需求。
 
  美国对该技术的成功运用引起了相关行业的广泛关注。由于检测结果需要专业性的分析处理,故为了进一步提高检测的效率,相关人员对相当数量的油品样本进行中红外光谱学的测试,并将测试结果进行归类、整理,构建起完整的石油产品的红外波谱数据库,并将该数据库导入到储存有测试结果的电脑终端中,再结合准确的电子演算类比算法操作,使得实现了测试、鉴别一体化的检测仪器。在使用该检测仪器时,相关检测只需完成待检测油料样品的制备与测试过程,所得的光谱测试结果可以通过专门的软件与内存的光谱数据库进行特征对比分析,在数据库中的波谱与测试波谱的特征的相似程度满足一定的要求时,便会将数据库的波谱连带相关信息一并导出,作为相关检测人员判断物质结构的参考依据。这一技术的应用大大提高了油料中主要的物质结构的检测效率,有效缓解了复杂波谱的解析工作带来的压力。在应用过程中,相关人员使用该技术对某燃油进行种类分析,发现其中包含了3-甲基己烷、4,5-二甲基辛烷、2,6-二甲基庚烷以及3-甲基戊烷,除此之外,其中的微量附加剂也可以检测出来,检测结果的准确性达92%-97%,但无法进行含量的测定。
 
  (3)技术不足
 
  中红外光谱技术在物质结构的解析方面确实具有很好的优势,但其检测结果的呈现属于一维的整体性呈现,其检测结果的是反应整个检测样品的光学吸收特征,而不是对样品中各成分进行分门别类的检测,无法实现样品的组分分离。
 
  因此,该技术不能应用于物质组成过于复杂且各类物质所占比重差异不大的样品检测中。对于油品检测来说,就是对于石油产品的基本质量具有一定的要求,待检测物质需要占据相当程度的比重才可以使用该技术进行检测。这一缺陷就导致该技术更适用于高级石油产品的质量检测,在低级石油产品中的应用较少。
 
  质谱技术
 
  (1)技术介绍
 
  质谱技术顾名思义,就是对物质的质量进行检测的技术。与常规质量检测技术不同,该技术是对分子质量的检测,可以帮助物质结构的确定。该技术的原理是将待测样品进行汽化处理,将其由固态分子或者液态分子转化为气态分子,使其从分子聚集粘合状态分解为单分子飘散状态,以满足进一步的分析要求。在物质转化为单分子状态时,分子对于能量的接收性显著提高,此时,相关组件对其发射高能量的电磁冲击,当分子承受的能量达到一定程度,与维持分子结构的分子键能量达成共振,就会引发分子键由低能量开始,向高能量的逐级断裂。断裂后的分子碎片由于电荷平衡受到破坏而会由原来的不带电变为带正电荷或者带负电荷,具体带电荷情况由仪器内部相关组件施加的电磁冲击的类型所决定。带电荷的分子碎片在力场的驱动作用下继续通过仪器管道,进入磁性分离区域。
 
  该区域利用带电荷分子碎片在磁场中的圆周运动情况与分子碎片的质量、带电荷的性质之间的关系,分子碎片的质量不同、带电荷性质不同,则其作圆周运动的运动参数例如半径也不一致,在相应位置设置分子碎片的接收组件,根据分子碎片的落点位置的不同对其质量进行逆向演算,即可准确获得物质的分子质量。
 
  (2)技术应用
 
  质谱技术可以进行物质的分子质量测定,起初多是由化学合成人员对其合成分子的结构的进行检测,在20世纪60年代开始,该技术被用于石油产品组成成分的检测。相关人员使用该技术对石蜡进行检测,指认出了其中包括C25H52、C27H56、C30H62、C32H66、C35H72在内的多种成分,检测灵敏度87%-99%,准确性可达95%以上。该技术在石油检测中较好的适用性更多是由石油产品的分子结构特性所决定。石油产品的分子组成多为由的碳元素原子、氢元素原子通过单键、二键以及少数的三键所组成的链状分子,该类分子的汽化温度不高,可以很容易地实现气态的转化,满足了质谱分析的硬性要求。
 
  此外,该类分子中的原子连接的化学键能量普遍低于其他混有吸电子性较高的元素,例如氮元素、氧元素的分子键,故而可以有效地实现物质分子的多级裂解,可以获得丰富的分子断裂碎片,对于分子结构的确定具有积极意义。有相关人员结合传统经典的检测方法对于质谱分析数据的准确性进行考察,在低分子量的油品考察过程中,对于石油产品种类判断的准确性显著高于传统技术。
 
  石油的物质组成差异主要是在分子质量方面。主要物质的分子质量集中在100-150区间内的馏分其分子键容易断裂释放出能量,故适用于作为高级燃料如航空燃油来使用。主要物质分子质量集中在200-350之间的适用于作为低级燃料如发电厂燃料来使用。主要物质分子质量在350以上的,化学键难以断裂,化学性质较稳定,故多用于建筑材料如沥青,亦或者可作为分解原料进行二次裂解制备低分子的石油产品。故而,产品的分子质量可以在一定程度上评价该产品是否符合使用要求。
 
  (3)技术缺陷
 
  与中红外技术类似,该技术在检测过程中同样难以实现检测样品的物理分离,因此对于检测样品的基本质量也有一定的要求,无法广泛用于低级石油产品的检测。
 
  此外,在检测石油产品特别是其中混有燃料类石油产品时,由于涉及到对样品的汽化处理,不可以使用普通的加热处理以避免引起爆炸事故,而要采用减压汽化技术。而该技术有对于检测样品的物理性质要求较高,对于分子质量较高的成分可能无法在该条件下进行气态转变,导致检测结果中缺失该类物质的结构信息,造成结构判断不完整。而且使用减压汽化技术的质谱分析仪器价格相对而言更为昂贵,不利于普遍推广。
 
  联合色谱技术
 
  (1)技术介绍
 
  与传统的单一色谱技术不同,联合色谱技术在保留其物质分离功能的基础上添加了物质的结构解析功能,可以实现全面的物质检测。分子结构的差异会带来分子极性上的差异,而分子极性的差异就会导致其与特定极性材料之间的吸附性方面的差异,体现在宏观上就是不同的物质分子在同一界面上的运动速度产生梯度差异,由此实现了不同分子结构物质的分析效果,可以获得较高纯度的单一物质。
 
  同时,在物质洗脱部位连接可以对物质性质进行测定的其他装置,例如连接紫外检测装置,便可以根据洗脱物质的紫外信号的强度进行含量确定;连接质谱仪则可以对洗脱物质的分子质量进行测定,洗脱出来的物质纯度大多可以满足其检测要求,从而实现分离、检测的一体化以及结构、含量确定的一体化。
 
  (2)技术应用
 
  联合色谱技术属于多种分析技术的融合产物,由于其具有多种分析仪器的优点,并且很大程度上克服了检测仪器对于检测样品的纯度的限制,故而在诸多行业均得到了很好的使用。在石油产品检测中,该技术首先会根据石油产品物质分子之间的极性差异将其进行高效率的分离。在洗脱出口处,外接的检测装置会进行各类指标的检测,例如各洗脱成分的含量以及洗脱成分的结构,从而实现了对石油产品的全面分析。
 
  在实际应用过程中,有相关人员使用该技术对市场某汽油进行品质分析,对其种类以及含量均进行了检测。由检测结果判断出该类汽油中2-甲基庚烷占16.5%,3-甲基庚烷占18.1%,1,3-二甲基环己烷占19.1%,1-甲基-3-乙基环戊烷占3.8%,1-甲基-2-乙基环戊烷占5.6%,辛烷占27.5%,乙基环己烷占9.4%,检测准确性在98%以上。
 
  (3)技术缺陷
 
  与前两种技术不同,联合色谱技术的分析效果很大程度上取决于色谱柱的选择,而由于石油产品的特性,多会造成对色谱柱内填充材料的腐蚀性消耗,因此色谱很难实现长期反复利用,在更换样品时需要同时进行色谱柱的更换,而色谱柱的价格一般有比较昂贵,造成检测成本的提高,不利于该技术的普遍推广。由于涉及到石油产品的分离,故相比于前两种检测方法,在时间消耗方面表现出劣势,不利于样品的快速检测。
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