孫 牧
(江蘇省產(chǎn)品質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)研究院,江蘇南京 210007)
隨著我國(guó)汽車工業(yè)的飛速發(fā)展,汽車尾氣排放造成的大氣污染日益加重。柴油車排放的顆粒物中的硫化物主要來(lái)源于燃油中的硫化物,是PM的重要組成部分。在發(fā)動(dòng)機(jī)排氣過(guò)程中,柴油中的硫在發(fā)動(dòng)機(jī)排氣系統(tǒng)生成硫酸鹽,硫燃燒生成氣態(tài)二氧化硫,又有大約50%的二氧化硫在大氣環(huán)境中經(jīng)過(guò)一系列化學(xué)反應(yīng)生成二次硫酸鹽,導(dǎo)致更多的微粒排放。因此降低柴油中的硫含量,是降低大氣環(huán)境微粒污染的本質(zhì)要求。
不同類型石油產(chǎn)品中的硫含量不同,硫含量的測(cè)定方法也是不同的[1]。本文根據(jù)常用硫含量測(cè)定方法的特點(diǎn)、適用范圍和效果,重點(diǎn)研究了3種測(cè)定硫含量的標(biāo)準(zhǔn)方法:紫外熒光法、X射線熒光法和燃燈法[2],并提出了優(yōu)先選用的方法。
紫外熒光法的測(cè)定原理來(lái)源于分子光譜法[3]。樣品在高溫裂解爐發(fā)生裂解氧化反應(yīng),硫化物定量地轉(zhuǎn)化為二氧化硫,二氧化硫吸收紫外光的能量轉(zhuǎn)變?yōu)榧ぐl(fā)態(tài)的二氧化硫,當(dāng)激發(fā)態(tài)二氧化硫返回到穩(wěn)定態(tài)的二氧化硫時(shí)發(fā)射熒光,釋放的能量由光電倍增管接收,經(jīng)數(shù)據(jù)處理后,可通過(guò)測(cè)定發(fā)光強(qiáng)度來(lái)測(cè)定樣品中總硫的含量。
X射線熒光分析又稱X射線次級(jí)發(fā)射光譜分析[4]。不同元素具有波長(zhǎng)不同的特征X射線譜,而各譜線的熒光強(qiáng)度又與元素的濃度有一定關(guān)系,測(cè)定待測(cè)元素特征X射線譜線的波長(zhǎng)和強(qiáng)度就可以進(jìn)行定性和定量分析。
測(cè)定方法原理:先通過(guò)燃燒將柴油中含有的各種硫轉(zhuǎn)化為二氧化硫,接著在吸收器內(nèi)用過(guò)量碳酸鈉溶液吸收生成的二氧化硫,最后用鹽酸標(biāo)準(zhǔn)溶液滴定未參與反應(yīng)的碳酸鈉,根據(jù)消耗鹽酸標(biāo)準(zhǔn)溶液的體積計(jì)算油品的硫含量[5]。
本文將分別用X射線熒光法、紫外熒光法、燃燈法3種方法來(lái)測(cè)定柴油的硫含量,通過(guò)數(shù)據(jù)分析,得出最適合的柴油硫含量的測(cè)定方法。購(gòu)買的柴油標(biāo)樣具體濃度分別為:1號(hào)樣品0.002 9%,2號(hào)樣品0.036%,3號(hào)樣品0.149%,4號(hào)樣品0.551%,下文以油樣標(biāo)準(zhǔn)百分含量來(lái)區(qū)分樣品。
2.1.1 標(biāo)準(zhǔn)曲線的制備
取硫含量分別為10,20,50,100,200,500 mg/kg的標(biāo)樣,每個(gè)標(biāo)準(zhǔn)濃度測(cè)量3次,計(jì)算平均值。儀器自動(dòng)按兩次最小回歸做出工作曲線,并計(jì)算相關(guān)系數(shù)。
2.1.2 試驗(yàn)結(jié)果
將每個(gè)濃度柴油樣品測(cè)定4次,計(jì)算平均值,如表1所示。
表1 紫外熒光法測(cè)定的硫含量
2.2.1 標(biāo)準(zhǔn)曲線的制備
取硫含量分別為0.014 6%,0.03%,0.077%,0.1%,0.2%,0.5%,0.78%,1.009%,2.012%,3.007%的標(biāo)樣,每個(gè)標(biāo)準(zhǔn)濃度測(cè)量3次,按兩次最小回歸做出工作曲線,并計(jì)算相關(guān)系數(shù)。
SYP2000-1型石油產(chǎn)品硫含量測(cè)定儀(能量色散X射線熒光光譜法):上海神開石油儀器有限公司制造。
2.2.2 試驗(yàn)結(jié)果
將每個(gè)濃度的柴油樣品測(cè)定4次,計(jì)算平均值,如表2所示。
表2 X熒光法測(cè)定的硫含量
燃燈法必須在空氣流動(dòng)的室內(nèi)進(jìn)行,不能有過(guò)大通風(fēng),在安裝儀器之前,用蒸餾水洗凈吸收器、煙道及液滴收集器[5]。用石油醚浸泡、干燥燈及燈芯。因柴油在燃燒中會(huì)產(chǎn)生大量濃煙,所以按單獨(dú)在燈中燃燒而發(fā)生濃煙的石油產(chǎn)品步驟進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。
2.3.1 石油產(chǎn)品硫含量測(cè)定儀
石油產(chǎn)品硫含量測(cè)定儀規(guī)格型號(hào)DYH—119;吸濾瓶(500~1 000 mL);真空泵;洗瓶;棉紗燈芯;玻璃珠;25 mL 0.1 mL分度滴定管;10 mL吸量管。
2.3.2 試劑
無(wú)水乙醇(分析純);標(biāo)準(zhǔn)正庚烷;石油醚(60~90℃,分析純);0.3%Na2CO3水溶液;0.05 moL/L HCl標(biāo)準(zhǔn)溶液;0.2%溴甲酚綠乙醇溶液5體積與0.2%甲基紅乙醇溶液1體積的混合指示劑。
2.3.3 測(cè)定結(jié)果與計(jì)算
計(jì)算試樣的硫含量w(%):
其中:V——滴定空白試液所消耗鹽酸溶液的體積,mL;
V1——滴定吸收試樣燃燒生成物的溶液所消耗鹽酸溶液的體積,mL;
k——換算為0.05 N鹽酸溶液的修正系數(shù);
0.000 8——單位體積0.05 moL/L鹽酸溶液所相當(dāng)?shù)牧蚝?,g/mL;
ΔM——試樣的燃燒量,g。
按實(shí)驗(yàn)方法對(duì)柴油產(chǎn)品中硫含量進(jìn)行測(cè)定,測(cè)定結(jié)果如表3所示。試驗(yàn)中V0=9.92 mL;k=2.1。
由3種檢測(cè)方法得到的數(shù)據(jù),可計(jì)算出硫含量的重復(fù)性,如表4—6所示。
把3種方法相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)偏差(重復(fù)性)數(shù)據(jù)匯總,如表7所示。由表7可看出,紫外熒光法和X射線熒光法的相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)偏差,和燃燈法的相比,數(shù)值比較低,說(shuō)明這兩種方法比燃燈法的重復(fù)性要好。
由3種測(cè)定方法所得到的數(shù)據(jù)結(jié)果,與柴油樣品的約定真值分別計(jì)算絕對(duì)誤差,分析0.002 9%,0.036%,0.146%,0.551%硫含量柴油的各項(xiàng)4個(gè)平行測(cè)定值的絕對(duì)誤差,形成柱狀圖進(jìn)行直觀的比較。
由圖1可看出,X射線熒光法和燃燈法在測(cè)定低硫柴油時(shí),存在很大誤差,其中包括儀器誤差、方法誤差和人員誤差。
由圖2和圖3可看出,紫外熒光法和X射線熒光法對(duì)于0.03%~0.15%濃度的柴油樣品絕對(duì)誤差很小,有很高的準(zhǔn)確度,燃燈法相對(duì)來(lái)說(shuō),則絕對(duì)誤差很大。
表3 燃燈法測(cè)定的硫含量
表4 紫外熒光法硫含量
表5 X射線熒光法硫含量
表6 燃燈法硫含量
表7 3種方法測(cè)定結(jié)果的相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)偏差
圖1 0.002 9%硫含量柴油的各項(xiàng)測(cè)定值的絕對(duì)誤差
圖2 0.036%硫含量柴油的各項(xiàng)測(cè)定值的絕對(duì)誤差
圖3 0.146%硫含量柴油的各項(xiàng)測(cè)定值的絕對(duì)誤差
由圖4可看出,紫外熒光法和X射線熒光法對(duì)于較高濃度的柴油樣品測(cè)定,比測(cè)定低濃度的柴油樣品的絕對(duì)誤差大,但與燃燈法的高值絕對(duì)誤差相比,仍有很大測(cè)定優(yōu)勢(shì)。
圖4 0.551%硫含量柴油的各項(xiàng)測(cè)定值的絕對(duì)誤差
3.3.1 紫外熒光法影響因素分析
由上文表7可看出紫外熒光法測(cè)定硫含量<0.2%的柴油時(shí),具有很高的準(zhǔn)確性和精確性。但測(cè)定0.5%的柴油含量時(shí)有一定的偏差。在本文測(cè)定的實(shí)驗(yàn)室具有成熟的環(huán)境條件和檢測(cè)方法,所以直接影響測(cè)定結(jié)果的是標(biāo)曲范圍及進(jìn)樣量。
3.3.2 X射線熒光法檢測(cè)結(jié)果分析
X射線熒光法是一種真正意義上的無(wú)損檢測(cè)方法。被測(cè)樣品在測(cè)量前后,無(wú)論其化學(xué)成分、重量、形態(tài)等都保持不變,且操作簡(jiǎn)單,速度快。由表5可看出,與紫外熒光相比,X熒光測(cè)定0.551%含量的柴油時(shí),結(jié)果更加準(zhǔn)確,更適合測(cè)定高硫含量的柴油。
3.3.3 燃燈法影響因素分析
由表6可看出,測(cè)定0.036%和0.551%硫含量柴油時(shí),各有一個(gè)數(shù)值超過(guò)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的與最小值之間差距,說(shuō)明試驗(yàn)操作中有步驟沒有達(dá)到規(guī)定要求,導(dǎo)致數(shù)值偏差過(guò)大。與X射線熒光法和紫外熒光法相比,本次燃燈法測(cè)定的結(jié)果普遍精確度不高,且誤差大。
(1)燈芯的選擇。
標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定,試驗(yàn)過(guò)程中火焰燃燒不能產(chǎn)生黑煙,不能半途熄火。根據(jù)大量試驗(yàn)可知用脫脂棉燃燒,可以很好地達(dá)到實(shí)驗(yàn)要求。燈芯采用根數(shù)為30左右的棉線,火焰高度6~8 mm,試驗(yàn)結(jié)果比較理想。
(2)標(biāo)準(zhǔn)正庚烷與實(shí)驗(yàn)用油比例。
由于95%乙醇與石油產(chǎn)品的互溶性不好,實(shí)驗(yàn)效果不理想。所以在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中,采用標(biāo)準(zhǔn)正庚烷作為柴油稀釋劑,效果比較好。
(3)取樣量的影響。
保證其他條件不變的前提下,分析結(jié)果會(huì)根據(jù)不同的取樣量而不同:取樣量過(guò)大,會(huì)延長(zhǎng)分析時(shí)間,使硫在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中有較大損失;但若過(guò)分減小取樣量,容易擴(kuò)大試驗(yàn)結(jié)果誤差,使樣品的硫含量結(jié)果偏小或重復(fù)性不高。
(4)試劑溶液的影響。
要得到準(zhǔn)確的數(shù)據(jù),必須保證化學(xué)反應(yīng)充分完全,試劑和操作必須滿足標(biāo)準(zhǔn)方法的要求,這樣才能得到準(zhǔn)確可靠的數(shù)據(jù)。首先鹽酸標(biāo)準(zhǔn)溶液的濃度必須精準(zhǔn),因?yàn)槠渚唧w濃度會(huì)直接參與最終結(jié)果的計(jì)算。其次要正確配制指示劑,保證其靈敏度。本方法還有一操作要點(diǎn)是回滴加入的Na2CO3溶液,所以Na2CO3溶液加入的量要保證平行試驗(yàn)里的一致和準(zhǔn)確,采用移液管移取Na2CO3溶液。
(5)滴定操作的影響。
由上述數(shù)據(jù)可看出,燃燈法測(cè)0.002 9%低硫含量的柴油時(shí),得到的數(shù)據(jù)嚴(yán)重偏離真值。這是由于硫含量過(guò)低,樣品鹽酸標(biāo)準(zhǔn)溶液消耗體積與空白消耗體積僅相差一滴或兩滴,很容易導(dǎo)致判斷結(jié)果不準(zhǔn)確。
根據(jù)柴油試驗(yàn)步驟及結(jié)果,可以對(duì)比出3種方法的優(yōu)缺點(diǎn),如表8所示。
燃燈法很多不足之處,可以概括為3點(diǎn):(1)分析過(guò)程實(shí)驗(yàn)過(guò)程繁雜,步驟多,同時(shí)實(shí)驗(yàn)條件也不易控制,產(chǎn)生人員誤差,重復(fù)性和再現(xiàn)性較差;(2)試驗(yàn)周期長(zhǎng),完成一次分析大約需要3小時(shí);(3)測(cè)試結(jié)果不能滿足高效高精度的儀器分析發(fā)展趨勢(shì)。2006年以后,燃燈法就不再作為汽柴油的硫含量檢測(cè)仲裁方法。
表8 三種方法優(yōu)缺點(diǎn)對(duì)比
對(duì)于硫含量>0.2%的柴油,X射線熒光法比紫外熒光法和燃燈法更具優(yōu)勢(shì),測(cè)量準(zhǔn)確、高效。當(dāng)柴油硫含量>0.1%,可用X射線熒光法來(lái)測(cè)量,可保證數(shù)據(jù)準(zhǔn)確高效性。
柴油硫含量<0.2%,紫外熒光法測(cè)定具有很高的精確性和準(zhǔn)確性,尤其在超低硫含量的測(cè)定具有很大優(yōu)勢(shì)。目前國(guó)標(biāo)GB19147規(guī)定車用柴油硫含量不得超過(guò)10 mg/kg,紫外熒光法現(xiàn)已廣泛應(yīng)用于油品中的硫含量檢測(cè)。
隨著環(huán)境保護(hù)意識(shí)的逐漸增強(qiáng),硫含量的分析監(jiān)測(cè)十分重要。老方法不斷改進(jìn),新方法也不斷形成并得到驗(yàn)證,今后還可以進(jìn)一步改進(jìn)紫外熒光法的內(nèi)部燃燒系統(tǒng),增大曲線檢測(cè)范圍,提高檢測(cè)高硫含量的精確度;提高X射線熒光法的檢測(cè)靈敏度,提高對(duì)超低硫含量的檢測(cè)精確度和準(zhǔn)確度。