李 外，趙雄虎，賈 佳，季一輝

（1 中國(guó)石油大學(xué)（北京）石油工程學(xué)院，北京102249；2 中國(guó)石油大學(xué)（北京）油氣資源與探測(cè)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京102249；3 中國(guó)海洋石油總公司能源發(fā)展股份有限公司監(jiān)督監(jiān)理技術(shù)分公司，天津300450）

生物柴油是一種以長(zhǎng)鏈脂肪酸的單烷基酯為主成分的燃料，以動(dòng)植物油脂或城市中的生活垃圾、餐廚廢油為原料，通過(guò)催化劑作用下的酯交換（transesterification）反應(yīng)制備。目前它的主要用途是作為一種燃料來(lái)部分地替代價(jià)格不斷升高的石化柴油（可直接作為燃料使用，也可通過(guò)與石化柴油混摻來(lái)實(shí)現(xiàn)）。與石化柴油相比，生物柴油具有一些很重要的技術(shù)優(yōu)勢(shì)與環(huán)保優(yōu)勢(shì)，如潤(rùn)滑性更好、閃點(diǎn)更高、生物毒性更低、原料可再生、有害氣體的排放量很低等。而且由于其物理性質(zhì)與化石類柴油相似，在使用時(shí)無(wú)需對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)、輸配方式和貯藏設(shè)施進(jìn)行任何更改[1]。因此國(guó)內(nèi)外對(duì)生物柴油工業(yè)的發(fā)展都很重視，尤其是歐洲和北美地區(qū)，近年來(lái)生物柴油的生產(chǎn)能力激增，同時(shí)關(guān)于其研究已有不少專著和文獻(xiàn)[2-9]。

生物柴油的主要組分是脂肪酸的烷基酯，此外還含有甘油、甘油單酯、甘油二酯、甘油三酯、醇類、水、反應(yīng)后殘留的催化劑、未反應(yīng)的游離脂肪酸、皂類、金屬等副產(chǎn)物和雜質(zhì)[10]。根據(jù)制備原料的不同，生物柴油中還可能含有生育酚、磷脂、醇基葡萄糖苷、葉綠素、脂溶性維生素和烴類等[9]。這些物質(zhì)中有很大一部分會(huì)導(dǎo)致生物柴油在使用時(shí)出現(xiàn)嚴(yán)重的作業(yè)問(wèn)題和環(huán)境問(wèn)題。如生物柴油中的水會(huì)引起3 個(gè)嚴(yán)重的問(wèn)題：發(fā)動(dòng)機(jī)部件的腐蝕、微生物的增生以及酯的水解[11-12]。另外，在酯交換反應(yīng)的過(guò)程中還會(huì)產(chǎn)生一些雜質(zhì)。因此，對(duì)生物柴油產(chǎn)品及其制備過(guò)程中反應(yīng)體系的化學(xué)組成進(jìn)行快速定性定量分析，對(duì)生物柴油工業(yè)具有重要意義。

氣相色譜（GC）分析技術(shù)分離和定量能力強(qiáng)、性價(jià)比高，受到了分析化學(xué)家們的普遍青睞。近年來(lái)，GC 的發(fā)展已日趨成熟，基礎(chǔ)性的創(chuàng)新成果有限，但技術(shù)性的進(jìn)步一直在進(jìn)行著，尤其是與行業(yè)相關(guān)的應(yīng)用性研究仍然十分活躍[13]。在對(duì)生物柴油的分析中，GC 一直是最常用的技術(shù)，這是因?yàn)榕c其它分析技術(shù)相比，其測(cè)定微量組分時(shí)的精確度較高。但分析過(guò)程中有時(shí)會(huì)出現(xiàn)基線漂移、信號(hào)的交疊干擾以及樣品和標(biāo)樣老化，這些會(huì)顯著干擾分析結(jié)果[14]。而且，由于生物柴油試樣中含有羥基和羧基化合物，因此在用傳統(tǒng)方法進(jìn)行GC 分析前要對(duì)試樣進(jìn)行硅烷化處理。盡管這一過(guò)程提高了色譜的分離效果，但也延長(zhǎng)了分析時(shí)間?；谝陨显颍藗?cè)谏锊裼头治鲞^(guò)程中經(jīng)常對(duì)GC 進(jìn)行改進(jìn)和革新，或者使之與其它分析方法聯(lián)用，以期相互彌補(bǔ)。目前比較成功的聯(lián)用技術(shù)包括氣相色譜-質(zhì)譜聯(lián)用（GC-MS）、液相色譜/高效液相色譜-氣相色譜聯(lián)用（LC-GC，HPLC-GC）、氣相色譜-紅外光譜聯(lián)用（GC-IR）、薄層色譜-氣相色譜聯(lián)用（TLC-GC）等。本文對(duì)氣相色譜在生物柴油產(chǎn)品分析與生產(chǎn)過(guò)程中的應(yīng)用做了回顧與展望，以期進(jìn)一步促進(jìn)該項(xiàng)技術(shù)的改進(jìn)和提高。

1 氣相色譜技術(shù)在生物柴油產(chǎn)品分析中的應(yīng)用

1.1 生物柴油產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)概述

對(duì)于生物柴油產(chǎn)品，各個(gè)國(guó)家和地區(qū)都根據(jù)自身實(shí)際情況制定了技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，包括我國(guó)的GB/T 20828 和美國(guó)的ASTM D 6751 等。這些標(biāo)準(zhǔn)對(duì)生物柴油物性參數(shù)、燃料指標(biāo)和雜質(zhì)含量上下限進(jìn)行了規(guī)定，并提供了標(biāo)準(zhǔn)分析方法[15]。具體指標(biāo)見(jiàn)表1。市場(chǎng)上的生物柴油產(chǎn)品包括兩種：①純生物柴油；②生物柴油與其它燃料（如化石柴油或醇類）的混合物。所以后來(lái)美國(guó)又頒布了一個(gè)用于石化柴油-生物柴油混合物的ASTM D 7467[16]標(biāo)準(zhǔn)。在歐洲，純生物柴油可直接作為加熱用油，歐盟專門為它制定了一個(gè)EN 14213 標(biāo)準(zhǔn)[17]。與石化柴油混摻的生物柴油則要滿足另一個(gè)歐盟標(biāo)準(zhǔn)EN 14214[18]。總體來(lái)看，這些標(biāo)準(zhǔn)中以歐盟的最為嚴(yán)格細(xì)致，對(duì)組分的測(cè)定方法是獨(dú)立于石化柴油的。隨著這些標(biāo)準(zhǔn)的不斷完善，對(duì)生物柴油產(chǎn)品的組成分析正在變得越來(lái)越重要。

1.2 測(cè)定脂肪酸的烷基酯含量

生物柴油的主要成分是脂肪酸的烷基酯，一般是甲酯或乙酯。如果想得到最好的發(fā)動(dòng)機(jī)性能，烷基酯類物質(zhì)的含量不能低于98.8%[21]。所以在生物柴油分析中，首要的任務(wù)是測(cè)定烷基酯的含量。同時(shí)，在生物柴油的某些分析方法中，烷基酯含量的測(cè)定是和甘油酯含量的測(cè)定同時(shí)進(jìn)行的。故將這些方法也一并討論。

1994年，Mariani 等[22]首創(chuàng)了以氣相色譜-質(zhì)譜聯(lián)用（GC-MS）的方法對(duì)純生物柴油中的脂肪酸甲酯和各種甘油酯進(jìn)行定量分析。生物柴油各組分經(jīng)氣相色譜儀分離后依次進(jìn)入質(zhì)譜檢測(cè)器，質(zhì)譜檢測(cè)器可以測(cè)定不同質(zhì)荷比的離子流強(qiáng)度。被測(cè)物質(zhì)在離子化之后，失去一個(gè)電子變?yōu)榉肿与x子，同時(shí)還有大量的碎片離子產(chǎn)生，因此質(zhì)譜圖中離子流的質(zhì)荷比和相對(duì)強(qiáng)度可以作為酯類物質(zhì)的指紋。該法還可以鑒別蒸餾前和蒸餾后的生物柴油產(chǎn)品。此后，該課題組在1994年又提出可將氣相色譜-火焰離子化檢測(cè)器（GC-FID）聯(lián)用，以定量分析生物柴油/石化柴油混合物中的脂肪酸甲酯[23]。在該項(xiàng)研究中還首次提出了皂化值（SV，指皂化1 g 樣品所需氫氧化鉀的毫克數(shù)）與混合油中生物柴油含量之間的關(guān)系，這對(duì)進(jìn)行相關(guān)測(cè)定非常有用。2003年，這個(gè)

表1 各國(guó)生物柴油標(biāo)準(zhǔn)的質(zhì)量指標(biāo)和檢測(cè)方法[18-20]

課題組在另一項(xiàng)研究中指出，通過(guò)改進(jìn)GC-FID 分 析法中對(duì)樣品的預(yù)處理手段，可以大大提高這項(xiàng)分析技術(shù)的精度和準(zhǔn)確度[24]。由于人們?cè)谘芯縂C-FID 法中取得的突出成就，GC-FID 法被歐盟選為測(cè)定純凈生物柴油中脂肪酸甲酯含量的標(biāo)準(zhǔn)方法（EN 14103），這也是目前最常用的方法。

在2003年的一項(xiàng)研究中，巫淼鑫等[25]用毛細(xì)管色譜柱通過(guò)GC-FID 法對(duì)由6 種不同植物油制成的生物柴油進(jìn)行了脂肪酸甲酯的鑒定，并分別測(cè)出了這6 種原料的脂肪酸組分。2005年，李長(zhǎng)秀等[26]研發(fā)了一種簡(jiǎn)便快速的高溫GC-FID 法，該法無(wú)需對(duì)樣品進(jìn)行硅烷化處理就可以對(duì)生物柴油中的脂肪酸甲酯和甘油酯進(jìn)行定量分析。這種方法是通過(guò)使用非極性抗高溫的毛細(xì)管色譜柱來(lái)實(shí)現(xiàn)的。之所以采用高溫氣相色譜法分析，是因?yàn)楫?dāng)反應(yīng)轉(zhuǎn)化率較低時(shí)，高沸點(diǎn)的甘油二酯、甘油三酯會(huì)在柱內(nèi)殘留，致使柱效快速下降。同年，Wawrzyniak 等[21]又研發(fā)了一種新的GC-FID 分析法，這種方法用極性毛細(xì)管色譜柱（J&W INNOVAX）來(lái)對(duì)生物柴油中的脂肪酸甲酯進(jìn)行定性和定量分析，具有很高的精度和準(zhǔn)確度，而且無(wú)需對(duì)樣品進(jìn)行預(yù)處理。不過(guò)，這種方法需要同時(shí)使用幾種內(nèi)標(biāo)物（月桂酸酯、肉豆蔻酸酯、棕櫚油酸酯、硬脂酸酯、油酸酯、亞油酸酯和亞麻酸酯），在一定程度上增加了分析成本和復(fù)雜程度。2006年劉祥華等[27]的另一項(xiàng)研究還提出了一種更精確的GC-FID 分析法，來(lái)評(píng)價(jià)生物柴油中的脂肪酸甲酯。

Schober 等[28]用一種改進(jìn)的GC-FID 法來(lái)定量分析由椰子油和棕櫚油制得的生物柴油中的甲酯。用這種方法可以測(cè)定原料中的正十七酸甲酯。這實(shí)際上解決了一個(gè)測(cè)定難題，因?yàn)楫?dāng)時(shí)歐盟的EN 14103—2003 標(biāo)準(zhǔn)中，正十七酸甲酯是作為內(nèi)標(biāo)物的，所以當(dāng)樣品中含有這種酯時(shí)，用常規(guī)方法是檢測(cè)不出來(lái)的。作者指出，如果使用他們改進(jìn)的方法，由于能夠檢測(cè)出正十七酸甲酯，最終得到的酯總量會(huì)增加2～7 個(gè)質(zhì)量百分點(diǎn)。同時(shí)，這種方法也可以測(cè)定短鏈脂肪酸（C8～C12）的酯。這項(xiàng)工作使得歐盟在2011年出臺(tái)了新的EN 14103—2011 標(biāo)準(zhǔn)，將測(cè)定方法中使用的內(nèi)標(biāo)物由正十七酸甲酯改為正十九酸甲酯以消除系統(tǒng)誤差。

Gecol 等[29]在一項(xiàng)研究中將高效液相色譜（HPLC）與GC 聯(lián)用，對(duì)由餐廚廢油制得的生物柴油進(jìn)行分析。結(jié)果表明，該法不僅能精確地測(cè)定樣品中的脂肪酸甲酯和甘油酯，還能對(duì)乙醇和脂肪酸乙酯等頭部基團(tuán)更大的酯進(jìn)行定量分析。這在文獻(xiàn)中是比較少見(jiàn)的，因?yàn)殡m然大多數(shù)色譜分析技術(shù)都已被應(yīng)用于甲酯的分析，但還沒(méi)有被廣泛地應(yīng)用于頭部基團(tuán)更大的酯（如乙酯和異丙酯）。一般來(lái)說(shuō)，大部分方法仍需改進(jìn)（如對(duì)控溫程序進(jìn)行改進(jìn)），才能對(duì)更高級(jí)的酯進(jìn)行分析。這是當(dāng)前用GC 對(duì)生物柴油進(jìn)行分析的一個(gè)熱點(diǎn)課題。另外，在用HPLC-GC 對(duì)烷基酯進(jìn)行分析的過(guò)程中，用吡啶代替標(biāo)準(zhǔn)方法中推薦的正己烷作溶劑可能效果更好。這些問(wèn)題在各類文獻(xiàn)中已經(jīng)引起了普遍關(guān)注。

有關(guān)用各種氣相色譜分析烷基酯的總結(jié)及分析條件舉例見(jiàn)表2。

1.3 測(cè)定甘油和甘油酯含量

各國(guó)的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)對(duì)生物柴油產(chǎn)品中的總甘油含量（鍵合甘油含量+游離甘油含量）和游離甘油含量都作出了限制。其中“鍵合甘油”并不是甘油，而是指生物柴油中甘油三酯、甘油二酯和甘油單酯的總量（見(jiàn)圖1）。甘油和甘油酯是生物柴油生產(chǎn)過(guò)程中產(chǎn)生的主要副產(chǎn)物，在生物柴油燃燒的過(guò)程中，它們會(huì)沉積在發(fā)動(dòng)機(jī)中[9]，這對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)的正常運(yùn)轉(zhuǎn)是有害的。業(yè)界一致認(rèn)為，甘油和甘油酯的含量是決定生物柴油品質(zhì)的一個(gè)主要因素[32]。同時(shí)，通過(guò)測(cè)定游離甘油和總甘油的含量也能看出原料的反應(yīng)程度，這對(duì)生物柴油制備過(guò)程的監(jiān)控意義重大。實(shí)際上，在生物柴油的生產(chǎn)過(guò)程中，洗滌產(chǎn)品的步驟可以很容易地洗去游離甘油，但如果想使甘油酯的含量較低，就只能通過(guò)使用合適的催化劑，設(shè)定合適的反應(yīng)條件，或者將產(chǎn)品進(jìn)行再次蒸餾等措施來(lái)實(shí)現(xiàn)[33]。而在蒸餾過(guò)程中，產(chǎn)品中可能會(huì)再次生成一些游離甘油[34]。

我國(guó)的GB/T 20828 和美國(guó)的ASTM D 6751 標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定了生物柴油中的總甘油含量和游離甘油含量的上限。而歐盟的EN 14214—2003 標(biāo)準(zhǔn)分別規(guī)定了甘油單酯、甘油二酯、甘油三酯的具體含量上限，比另外兩個(gè)標(biāo)準(zhǔn)更嚴(yán)格。

圖1 生物柴油中的甘油含量

表2 用氣相色譜分析生物柴油中的烷基酯

因?yàn)楦骷夹g(shù)標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定的甘油類物質(zhì)的含量上限較低，所以人們需要精確而可靠的方法來(lái)進(jìn)行分析測(cè)定。通常選用毛細(xì)管氣相色譜法來(lái)實(shí)現(xiàn)[35]。有學(xué)者聲稱只有GC 能夠滿足測(cè)定生物柴油中低含量甘油酯的所有要求。但是在進(jìn)行測(cè)定之前，必須先將標(biāo)樣的純度用HPLC 進(jìn)行檢測(cè)，否則如果標(biāo)樣物質(zhì)不純，會(huì)導(dǎo)致GC 的分析結(jié)果不準(zhǔn)確。

最初人們采用基于酶催化結(jié)合分光光度計(jì)的方法來(lái)分析生物柴油中的甘油類物質(zhì)。但這種方法比較復(fù)雜，可重復(fù)性也比較差[36-37]。1992年，Bondioli 等[38]提出了一種GC-FID 聯(lián)用的方法，以測(cè)定生物柴油中的游離甘油。這種方法無(wú)需對(duì)樣品進(jìn)行硅烷化，使用一根裝有Chromosorb 101 載體的玻璃柱進(jìn)行分析。此后這種方法被人們普遍接受，現(xiàn)今大部分用GC 來(lái)分析生物柴油的方法都使用了FID[14]。不過(guò)，這種方法只有在對(duì)菜籽油、葵花籽油或大豆油制得的生物柴油進(jìn)行分析時(shí)是可靠的，而且只適用于游離甘油含量大于0.02%的樣品。后來(lái)人們又研發(fā)了一種將GC-MS 聯(lián)用來(lái)對(duì)生物柴油中的甘油酯進(jìn)行定量分析的方法[39]。該法使用一根(5%苯基)-甲基聚硅氧烷柱與質(zhì)譜儀聯(lián)用，能夠得到非常準(zhǔn)確的定量分析數(shù)據(jù)。但是在進(jìn)行分析之前要用N,O-雙（三甲基硅烷基）三氟乙酰胺（BSTFA）對(duì)樣品進(jìn)行硅烷化。Mittelbach 等[40-41]提出用GC-MS 法也可以測(cè)定生物柴油中的游離甘油含量，而且精度高，速度快，還可同時(shí)測(cè)定生物柴油中的甲醇。1995年P(guān)lank 等[38]研究出了另一種GC-FID法，可以同時(shí)測(cè)定生物柴油樣品中的甘油和各種甘油酯。該法用N-甲基-N-三甲基硅基三氟乙酰胺（MSTFA）將樣品進(jìn)行硅烷化，然后以1,2,4-丁三醇和甘油三癸酸酯作內(nèi)標(biāo)物，通過(guò)毛細(xì)管氣相色譜裝置對(duì)各種組分進(jìn)行分析，每次分析約需30 min。根據(jù)Ruppel 和Hall[42]對(duì)該法的評(píng)價(jià)研究，該法簡(jiǎn)單、靈敏、可靠，所需樣品的量較少。后來(lái)，這種方法先后被歐盟的EN 14105 標(biāo)準(zhǔn)、美國(guó)的ASTM 6584 標(biāo)準(zhǔn)和我國(guó)的GB/T 20828 標(biāo)準(zhǔn)所采用。但是這個(gè)方法仍然有其缺陷。比如，不能用它來(lái)對(duì)月桂酸甲酯產(chǎn)品進(jìn)行分析。Bondioli 和Della Bella[37]在2005年提出了另一個(gè)分析方法，他們推薦在生物柴油樣品中存在某些揮發(fā)性組分時(shí)用該法替代標(biāo)準(zhǔn)的Plank 法，因?yàn)檫@些揮發(fā)性物質(zhì)可能會(huì)影響Plank 法的分析結(jié)果。此后ASTM D 6584 標(biāo)準(zhǔn)對(duì)Plank 法也做過(guò)一些改進(jìn)，比如將毛細(xì)管流動(dòng)技術(shù)[43]和高溫氣相色譜柱[44-46]應(yīng)用到該法中。舉例來(lái)說(shuō)，對(duì)于甘油三酯的分析，可采用高溫氣相色譜-質(zhì)譜法測(cè)定其結(jié)構(gòu)和組成[47]。由于其沸點(diǎn)很高，進(jìn)樣方式應(yīng)采用柱上進(jìn)樣或程序升溫氣化（PTV）進(jìn)樣方式[48]，可以獲得按照碳數(shù)分離的甘油三酯的組成和含量。

2007年Chong 等[49]提出了一種測(cè)定甘油酯類的新方法，他們先用含氟酸的酸酐將酯類氟化，然后將GC-MS 技術(shù)和FT-IR 聯(lián)用，測(cè)定生物柴油中的甘油酯。這種方法可以減少分析時(shí)間和成本。

將HPLC 和GC 聯(lián)用，充分發(fā)揮HPLC 的分離優(yōu)勢(shì)，也可以測(cè)定生物柴油中的游離甘油量和總甘油量。這兩項(xiàng)技術(shù)聯(lián)用可以使GC 的色譜圖變得比較簡(jiǎn)單，這樣可以在圖上標(biāo)出更多更可靠的峰。Lechner 等[50]提出了一種LC-GC 法，以測(cè)定生物柴油樣品中的甘油酯，每次分析時(shí)間為52min。該法在進(jìn)行分析之前，先將樣品乙?；缓笥酶咝б合嗌V-二極管陣列檢測(cè)器（HPLC-DAD）和GC-FID裝置結(jié)合起來(lái)，使用一根型號(hào)為DB-5 的色譜柱進(jìn)行分析。

2011年王鵬等[51]提出了一種薄層色譜-熱輔助水解甲基化-氣相色譜法（TLC-THM-GC），來(lái)測(cè)定生物柴油中的甘油酯含量。先用薄層色譜分離樣品中的甘油酯，將其萃取后與三甲基氫氧化硫在350℃下進(jìn)行衍生化反應(yīng)，最后用氣相色譜測(cè)定生成的脂肪酸甲酯，確定甘油酯的含量。該方法準(zhǔn)確、靈敏。不僅能測(cè)定生物柴油樣品中各甘油酯的含量，同時(shí)可以有效檢測(cè)各甘油酯中脂肪酸部分的組成。

1.4 測(cè)定甲醇含量

甲醇在酯交換反應(yīng)中大大過(guò)量，反應(yīng)得到的生物柴油雖經(jīng)水洗、蒸餾等方法處理，但最終成品中仍難免存在少量游離甲醇[15]。生物柴油中的甲醇會(huì)引起金屬腐蝕，主要是鋁的腐蝕。ASTM D6751 間接地通過(guò)設(shè)定閃點(diǎn)下限值對(duì)甲醇含量進(jìn)行了限制。但是，EN 14214 標(biāo)準(zhǔn)中除了對(duì)閃點(diǎn)作了限制之外，還專門規(guī)定甲醇的質(zhì)量分?jǐn)?shù)不得高于0.2%。除了用近紅外光譜[52-53]，體積排阻色譜（即凝膠滲透色譜GPC）[54]等方法可以對(duì)生物柴油中的甲醇進(jìn)行定量分析之外，李長(zhǎng)秀等[55]提出了一種GC-FID 聯(lián)用法，來(lái)測(cè)定生物柴油中的少量甲醇。該法以2-丙醇作內(nèi)標(biāo)，采用雙柱反吹（一根是2 m×0.32 mm 內(nèi)徑的SE-54 毛細(xì)管柱，用于預(yù)處理，另一根是25 m×0.20 mm 內(nèi)徑的OV-1 極性毛細(xì)管柱，用于分析）的方式，阻止重組分進(jìn)入分析柱。儀器具備電子流量控制（EPC）功能，通過(guò)色譜柱壓力的變化實(shí)現(xiàn)反吹，從而測(cè)定甲醇的含量。2008年，Paraschivescu 等[56]提出了一種頂空固相微萃取法（solid-phase microextraction，SPME），使用聚二甲基硅氧烷固相微萃取纖維取樣，然后通過(guò)GC-FID 聯(lián)用進(jìn)行樣品分析。據(jù)稱，該法具有很好的重復(fù)性和回收率，能夠?qū)τ脴?biāo)準(zhǔn)方法不能檢測(cè)出的含量極低的甲醇進(jìn)行分析。2012年我國(guó)也出現(xiàn)了關(guān)于頂空氣相色譜測(cè)定生物柴油中微量甲醇的報(bào)道[57]。

1.5 測(cè)定類固醇含量

類固醇（包括固醇）是在植物油中存在的天然非甘油酯類組分。由于它們?cè)谏锊裼椭锌扇?，所以?huì)在產(chǎn)品中出現(xiàn)。它們的存在可能會(huì)對(duì)生物柴油質(zhì)量造成影響。測(cè)定類固醇的兩種常用方法是GC-FID 聯(lián)用和LC-GC 聯(lián)用。早在20 世紀(jì)90年代，Plank 和Lorbeer[58-60]就開(kāi)始進(jìn)行生物柴油中類固醇分析的工作。最初他們提出了一種GC-FID 法，以測(cè)定由菜籽油制得的植物油甲酯中的游離固醇和酯化固醇。在進(jìn)行分析之前，先用含1%三甲基氯化硅烷的BSTFA 將樣品硅烷化，隨后將樣品在含5%苯基的甲基聚硅氧烷柱中進(jìn)行分析。在由菜籽油制得的生物柴油中檢出了菜籽油甾醇、β-谷甾醇、蕓苔甾醇、膽固醇、豆甾醇和燕麥甾醇以及它們的酯。此后該課題組又研發(fā)了LC-GC 法，以測(cè)定菜籽油甲酯中的游離固醇，后來(lái)對(duì)這種方法又進(jìn)行了一些改進(jìn)?，F(xiàn)在人們更傾向于使用LC-GC 法，因?yàn)樵摲軌蛱峁└嗟臉悠沸畔?，分析時(shí)間較短，結(jié)果的可重復(fù)性也比較好[14]。LC-GC 法無(wú)需對(duì)樣品進(jìn)行提純和皂化處理，但必須先用MSTFA 將游離固醇硅烷化。運(yùn)用這種方法，人們已經(jīng)對(duì)一些以大豆、幾種油菜籽、葵花籽和餐廚廢油為原料的生物柴油進(jìn)行了成功的分析。有關(guān)用氣相色譜對(duì)生物柴油中除烷基酯外的其它組分進(jìn)行分析的總結(jié)見(jiàn)表3。

2 氣相色譜技術(shù)在酯交換反應(yīng)監(jiān)控中的應(yīng)用

顯然，對(duì)酯交換反應(yīng)的監(jiān)控是控制生物柴油質(zhì)量的一個(gè)重要問(wèn)題，因?yàn)樵谶@一過(guò)程中會(huì)生成一些副產(chǎn)物和雜質(zhì)。監(jiān)控可以及早發(fā)現(xiàn)反應(yīng)中的問(wèn)題以便改正。氣相色譜技術(shù)能夠準(zhǔn)確而方便地對(duì)生物柴油的主要組分、副組分及雜質(zhì)進(jìn)行分析?；谏鲜鰞?yōu)勢(shì)，人們經(jīng)常使用這項(xiàng)技術(shù)來(lái)監(jiān)控生物柴油的制備過(guò)程。

最早涉及用GC 監(jiān)控制備生物柴油的酯交換反應(yīng)的研究是在1984年Freedman 等[62]提出的一個(gè)分析方法。他們將薄層色譜（TLC）和火焰離子化檢測(cè)器（FID）結(jié)合起來(lái)進(jìn)行監(jiān)控。除了能夠分析脂肪酸烷基酯之外，這種方法還能分析反應(yīng)中的甘油酯類。這種方法的分析時(shí)間很短，只需2～3 h 就能分析30 個(gè)樣品。但是，這種方法的精度較低，對(duì)濕度和實(shí)驗(yàn)材料的差異很敏感，故只能進(jìn)行定性分析。后來(lái)，這個(gè)課題組研發(fā)了世界上第一個(gè)完全用氣相色譜監(jiān)控大豆油的酯交換反應(yīng)中脂肪酸類和甘油酯類物質(zhì)的方法[63]。在進(jìn)行分析之前，他們先用BSTFA 對(duì)甘油三酯、甘油二酯和甘油單酯進(jìn)行硅烷化。這一過(guò)程將硅烷基引入到甘油酯的分子中（通常是取代活性氫），降低了甘油酯的極性，減少了氫鍵的束縛，生成容易揮發(fā)的三甲基硅烷的衍生物。同時(shí)，由于含活性氫的反應(yīng)位點(diǎn)數(shù)目減少，化合物的穩(wěn)定性也得以加強(qiáng)，從而使樣品熱穩(wěn)定性提高，被測(cè)能力增強(qiáng)。結(jié)果是提高了分離效果，減少了色譜峰的拖尾現(xiàn)象。在這項(xiàng)工作中的色譜柱是一根圓柱形的硅毛細(xì)管（管長(zhǎng)1.8 m，材料為二甲基聚硅氧烷），其中裝入硅酸二酯作為內(nèi)標(biāo)。實(shí)驗(yàn)裝置運(yùn)行12 min 后，就可實(shí)現(xiàn)甘油酯和脂肪酸烷基酯的完全分離。這項(xiàng)研究開(kāi)創(chuàng)了氣相色譜監(jiān)控酯交換反應(yīng)的先河，在此后相當(dāng)長(zhǎng)的一段時(shí)期內(nèi)，人們?cè)陬愃频墓ぷ髦卸际且赃@項(xiàng)研究的理念為指導(dǎo)的，即：①對(duì)試樣進(jìn)行硅烷化預(yù)處理；②色譜柱采用耐高溫的非極性惰性材料；③使用內(nèi)標(biāo)法。

表3 用氣相色譜分析生物柴油中其它組分的含量

20 世紀(jì)90年代，Cvengros 和Cvengrosova[64-66]提出了一系列GC-FID 聯(lián)用法來(lái)監(jiān)控菜籽油轉(zhuǎn)化成脂肪酸甲酯或乙酯的反應(yīng)。該方法使用填料色譜柱，通過(guò)計(jì)算樣品中酯的峰面積來(lái)評(píng)價(jià)反應(yīng)過(guò)程中原料的轉(zhuǎn)化程度。這種方法的好處是實(shí)驗(yàn)材料易得，色譜柱也比較便宜。

郭登峰等[67]和吳蘇喜等[68]在生物柴油制備研究中選用十三烷酸甲酯、水楊酸甲酯等作為內(nèi)標(biāo)物，用氣相色譜對(duì)脂肪酸甲酯進(jìn)行定量分析，以監(jiān)測(cè)生物柴油制備反應(yīng)的進(jìn)度。劉曉華等[69]建立了一種通過(guò)檢測(cè)氧化鈣催化制備生物柴油過(guò)程中產(chǎn)生的甘油來(lái)監(jiān)測(cè)反應(yīng)進(jìn)度的方法。在反應(yīng)樣品中加入硫酸以調(diào)節(jié)溶液的pH 值，加入草酸來(lái)沉淀反應(yīng)中引入的鈣離子，釋放與鈣絡(luò)合的甘油，再經(jīng)過(guò)洗滌將甘油轉(zhuǎn)移到分析樣品中，最后利用氣相色譜對(duì)甘油定量分析，從而監(jiān)測(cè)生物柴油的反應(yīng)進(jìn)度。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，這種甘油定量法準(zhǔn)確、快速（5 min 完成樣品分析，20 min 完成整個(gè)實(shí)驗(yàn)過(guò)程），可用于氧化鈣催化制備生物柴油過(guò)程中反應(yīng)進(jìn)度的監(jiān)測(cè)。孫樹禎等[70]提出了一種高溫氣相色譜在線分析油脂酯交換反應(yīng)過(guò)程中的脂肪酸甲酯的方法。使用DB-5HT高溫毛細(xì)管柱，使高沸點(diǎn)的甘油二酯、甘油三酯得到有效分離，解決了它們?cè)诔Ｓ玫木垡叶碱悾≒EG）極性毛細(xì)管柱內(nèi)殘留而導(dǎo)致柱效迅速下降的問(wèn)題，其精度和準(zhǔn)確性較高，重復(fù)性好，且無(wú)需對(duì)產(chǎn)品進(jìn)行復(fù)雜的衍生化操作，可用于對(duì)生物柴油制備過(guò)程的監(jiān)控。王一冰等[71]以十三酸甲酯為內(nèi)標(biāo)，采用FID 檢測(cè)器，程序升溫140～240 ℃，通過(guò)氣相色譜測(cè)定大豆油生物柴油制備體系中的脂肪酸甲酯含量，以監(jiān)測(cè)反應(yīng)進(jìn)行情況。實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)表明，各種甲酯分離明顯，峰形良好，采用的升溫程序在27 min 內(nèi)可將各成分分離。通過(guò)測(cè)定樣品中各脂肪酸甲酯的含量，與完全酯化生物柴油樣品中脂肪酸甲酯的含量進(jìn)行比較，即可得出生物柴油的產(chǎn)率。該法可用于生物柴油的定性與定量分析，為優(yōu)化工藝、提高生物柴油產(chǎn)率及品質(zhì)提供準(zhǔn)確、實(shí)時(shí)的參考數(shù)據(jù)。

顯然，監(jiān)控技術(shù)的核心是同步分析。取樣方便，快速準(zhǔn)確是同步分析方法所必要的。因此，測(cè)試用時(shí)短，偏差小，無(wú)需對(duì)樣品額外提純、皂化或硅烷化的分析方法將受到化學(xué)家和工程師們的更多關(guān)注。

3 結(jié) 語(yǔ)

綜上所述，因?yàn)橹苽渖锊裼偷脑戏N類繁多，而酯交換反應(yīng)又受諸多因素的影響，造成其組成情況有很大差異。生物柴油的組成決定了其性能的好壞。如：閃點(diǎn)與甲醇含量關(guān)系極大；黏度與未反應(yīng)的甘油三酯含量密切相關(guān)；金屬雜質(zhì)（來(lái)自酯交換反應(yīng)的催化劑殘余）會(huì)使生物柴油在燃燒過(guò)程中產(chǎn)生的灰分增多等。所以對(duì)生物柴油的制備反應(yīng)體系進(jìn)行監(jiān)測(cè)并對(duì)最終產(chǎn)品的組成進(jìn)行鑒定和分析，具有重要意義。通過(guò)將傳統(tǒng)氣相色譜法進(jìn)行合理改進(jìn)、調(diào)整，以及與其它各種分析手段（包括質(zhì)譜、液相色譜、高效液相色譜、紅外光譜、薄層色譜等）聯(lián)用，可解決研究過(guò)程中大部分的分析問(wèn)題。

總體而言，氣相色譜技術(shù)是一項(xiàng)比較成熟的分析技術(shù)，在石油石化行業(yè)的應(yīng)用已相當(dāng)普及，但用該項(xiàng)技術(shù)對(duì)生物柴油進(jìn)行分析，在我國(guó)尚屬起步階段。當(dāng)前需進(jìn)一步研究的熱點(diǎn)問(wèn)題主要有以下幾點(diǎn)。首先，在測(cè)定烷基酯時(shí)，大部分氣相色譜分析方法都是針對(duì)甲酯的，當(dāng)分析更高級(jí)的酯如乙酯、異丙酯、正丁酯時(shí)，應(yīng)對(duì)這些方法作出改進(jìn)。如果能探索出一次性分析各種烷基酯的通用方法，在生物柴油分析領(lǐng)域?qū)⑹峭黄菩缘某删?。其次，研發(fā)一些快速鑒定各種組分的簡(jiǎn)便方法，對(duì)于生物柴油制備反應(yīng)的監(jiān)控非常有用。與其它方法相比，氣相色譜分析速度快，操作簡(jiǎn)單，選擇性和靈敏度都較高，非常適合用于快速分析。但現(xiàn)在快速分析技術(shù)中的檢測(cè)器絕大多數(shù)只限于使用FID，因此有必要開(kāi)發(fā)氣相色譜與其它檢測(cè)器及分析方法聯(lián)用的快速檢測(cè)技術(shù)，以充分發(fā)揮各種儀器和手段的優(yōu)勢(shì)，彌補(bǔ)各自的不足。另外，快速氣相色譜分析技術(shù)的發(fā)展還需解決一系列儀器、色譜條件以及數(shù)據(jù)處理方面的問(wèn)題，如設(shè)備的微型化、快速分析配套軟件的研發(fā)、信號(hào)采集速度的提高等。第三，生物柴油相關(guān)分析的行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)仍有繼續(xù)研究和探討的空間，應(yīng)與時(shí)俱進(jìn)，及時(shí)對(duì)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行合理的修訂和更新。第四，應(yīng)結(jié)合化學(xué)其它分支及其它學(xué)科的新理論、新技術(shù)、新成果（如主客體分子復(fù)合作用可應(yīng)用于新型色譜柱填料研發(fā)，全二維/三維氣相色譜技術(shù)在生物柴油分析領(lǐng)域尚存大量空白等），將其與氣相色譜分析技術(shù)結(jié)合起來(lái)，為生物柴油相關(guān)分析不斷注入新的思路和活力。

生物柴油因其在生物降解、尾氣排放、燃燒性能、潤(rùn)滑性能等方面的優(yōu)良表現(xiàn)，作為石化柴油替代品倍受關(guān)注。近年來(lái)，全世界的生物柴油生產(chǎn)能力快速增長(zhǎng)，各國(guó)政府的法令政策也促使民眾開(kāi)始積極使用這種產(chǎn)品。據(jù)美國(guó)國(guó)家生物柴油委員會(huì)估算，2003年美國(guó)的生物柴油生產(chǎn)能力僅有2300 萬(wàn)加侖/年，到2008年增至22.4 億加侖/年。據(jù)歐洲生物柴油委員會(huì)估計(jì)，組成歐盟的27 個(gè)國(guó)家的生物柴油生產(chǎn)能力在2006年僅有14 億加侖/年，到2008年猛增至480 億加侖/年[4]。我國(guó)也對(duì)這種清潔能源進(jìn)行了大力提倡、支持和推廣。生物柴油工業(yè)的快速發(fā)展，對(duì)分析化學(xué)界來(lái)說(shuō)既是挑戰(zhàn)，更是機(jī)遇?？梢灶A(yù)見(jiàn)，有關(guān)生物柴油的氣相色譜分析技術(shù)將朝著準(zhǔn)確度、精度更高，速度更快，分析過(guò)程更簡(jiǎn)便，單次分析的物質(zhì)種類數(shù)目更多的方向快速發(fā)展。同時(shí)，將氣相色譜與其它分析技術(shù)聯(lián)用的新穎設(shè)計(jì)也將越來(lái)越多，從而使各種技術(shù)之間取長(zhǎng)補(bǔ)短，協(xié)同增效，為生物柴油行業(yè)的進(jìn)一步蓬勃發(fā)展提供可靠而有力的保障。

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