VYSOKÁ ŠKOLA CHEMICKO-TECHNOLOGICKÁ V PRAZE Fakulta technologie ochrany prostředí
Ústav technologie ropy a alternativních paliv
SKUPINOVÁ ANALÝZA MOTOROVÝCH NAFT Laboratorní cvičení
ÚVOD Snižování emisí výfukových plynů a jejich škodlivosti je hlavní hnací silou legislativního procesu v oblasti motorových paliv. Po úspěšném snížení obsahu síry v palivech až na 10 ppm se pozornost obrací na další složky paliv, zejména pak na aromatické uhlovodíky. V případě motorové nafty je přítomnost aromátů nežádoucí nejen kvůli jejich vlivu na emise výfukových plynů, ale i kvůli jejich nízkému cetanovému číslu. Snížení cetanového čísla motorové nafty má za následek především mírně vyšší emise NOx a uhlovodíků a zvýšení spotřeby paliva. Polyaromáty se významně podílí na emisích pevných částic a polyaromatických uhlovodíků. Pro sledování obsahu aromátů v motorových naftách jsou nejvíce využívány spektrální a chromatografické metody. UV spektrální metody se vyznačují sice jednoduchostí, avšak jejich přesnost velmi závisí na správně provedené kalibraci. V případě analýzy vzorků se značně variabilním složením se vhodná kalibrace dokonce stává velice problematickou. Větší spolehlivostí se vyznačují výsledky kapalinově chromatografické analýzy motorových naft. K dispozici jsou uzanční postupy využívající preparativní adsorpční kapalinové chromatografie s jednoduchým gravimetrickým vyhodnocením jednotlivých separovaných aromatických skupin. V poslední době jsou stále více preferovány analytické postupy využívající vysokoúčinnou kapalinovou chromatografii (HPLC) s univerzálním refraktometrickým (RI) detektorem. Výhodou těchto metod v porovnání s preparativní chromatografií je ostřejší dělení jednotlivých skupin aromátů podle počtu aromatických kruhů, menší spotřeba rozpouštědel a vzorku pro analýzu a současně i značná časová úspora (doba analýzy cca 15 minut). V zemích Evropské unie je pro stanovení obsahu polyaromatických uhlovodíků v motorové naftě zavedena normovaná metoda EN 12916, která je rovněž i základem analytického postupu této laboratorní práce. Touto metodou se stanovuje obsah mono-, di- a polyaromatických uhlovodíků. Za zmínku přitom stojí, že obsah polyaromatických uhlovodíků limitovaný normou pro motorové nafty EN 590 je definován jako celkový obsah dvou- a vícejaderných aromatických uhlovodíků (součet obsahů diaromátů a triaromátů získaných metodou EN 12916).
ZADÁNÍ PRÁCE Pomocí metody RI-HPLC proveďte analytické stanovení obsahu mono-, dia polyaromátů ve dvou vzorcích různých středních frakcí (motorových naft, leteckého petroleje apod.). Pracovní protokol vypracujte na PC v textovém či tabulkovém editoru. Protokol musí obsahovat informace a data uvedená ve vzoru přiloženém na konci návodu.
1
METODA HPLC S REFRAKTOMETRICKOU DETEKCÍ HPLC neboli vysokoučinná kapalinová chromatografie představuje separační (dělící) metodu. Podstatou každé chromatografické metody je distribuce látky mezi dvěma fázemi, z nichž jedna je mobilní (pohyblivá) a druhá stacionární (nepohyblivá). Doba, kterou stráví látka v jedné nebo druhé fázi, závisí na její afinitě ke každé z nich. Rozdílné látky jsou tak rozdílně zadržovány a rozdílně zpožďovány (retardovány) (Obr. 1). Vlastní separační prostředí v kapalinové chromatografii představuje chromatografická kolona. Jedná se zpravidla o skleněnou, plastovou nebo ocelovou trubici, která je naplněná vhodnou stacionární fází. Jako mobilní fáze se využívá kapalina, která protéká mezi částicemi stacionární fáze. Schéma kapalinového chromatografu je znázorněno na Obr. 2.
Obr. 1: Chromatografická separace
Obr. 2: Kapalinový chromatograf
(eluční metoda) Refraktometrický detektor (RID) se vyznačuje univerzálností, přičemž lze použít pro detekci látek s indexem lomu odlišným od indexu lomu použité mobilní fáze (měří rozdíl mezi indexem lomu eluátu a čisté mobilní fáze). Refraktometrické detektory (označovány také názvem diferenciální refraktometr) jsou tří typů: výchylkový (jiný název deflekční), Fresnelova typu a interferenční. HPLC chromatograf používaný v této úloze je vybaven výchylkovým diferenciálním refraktometrem (viz Obr. 3). U tohoto typu refraktometrického detektoru se odráží záření ze zdroje na polopropustném zrcadle do měřící cely z křemenného skla, která pozůstává z měrné a referentní částí, které jsou odděleny tenkou deštičkou z křemenného skla. Obě části jsou vybaveny přívodem a odvodem mobilní fáze. Po projití oběma celami se paprsek odráží na zrcadle a vrací se stejnou 2
cestou zpět, čímž se opět lomí v daném prostředí a pro průchodu polopropustným zrcadlem se odráží na hraně zrcadlového hranolu do dvou spárovaných fotonásobičů. Pomocí skleněné deštičky se nastaví optická nula tak, aby byl paprsek zrcadlovým paprskem půlen, tzn., aby při stejném složení kapaliny v měrné a srovnávací cele dopadal na oba fotonásobiče stejný zářivý tok. Přítomnost detekované látky v měrné cele se projeví výchylkou paprsku dopadajícího na zrcadlový hranol – tím dojde k nestejnému osvětlení obou fotonásobičů. Úbytek proudu jednoho a přírůstek druhého se využívá k záznamu. Tento detektor není využitelný v aplikacích vyžadujících použití gradientového systému mobilních fází, vyznačuje se nízkou citlivostí, je nutné jeho přísné termostatování (odezva závisí na teplotě) a nelze ho využít k detekci látek se stejným indexem lomu jako použita mobilní fáze. Na druhé straně výhodou RID detektoru je jeho univerzálnost.
Obr. 3: Výchylkový refraktometrický detektor
PRACOVNÍ POSTUP Příprava kapalinového chromatografu k měření Kapalinový chromatograf určený pro skupinovou analýzu motorových naft se skládá z následujících prvků: zásobník mobilní fáze, vysokotlaké čerpadlo Shimadzu LC-10AD, schopné zabezpečit konstantní průtok mobilní fáze chromatografickým systémem,
3
dávkovací člen Rheodyne 7125, umožňující přesné dávkování kapalných vzorků o objemu 0-20 l na chromatografickou kolonu, nerezová chromatografická kolona (250 mm x 4,6 mm I. D.) plněná mikropartikulárním chemicky modifikovaným silikagelem – Supelcosil LC-NH2-NP (výrobce SUPELCO, USA), refraktometrický (RI) temperací měřicí cely,
detektor
Shimadzu
RID-10A
s vnitřní
vyhodnocovací výpočetní systém Shimadzu Class LC-10, umožňující sběr analytických dat, jejich vyhodnocení, tisk a záznam výsledků. Před zapnutím přístroje je třeba doplnit mobilní fázi (n-heptan) do zásobní láhve a zkontrolovat, zda láhev na odpadní rozpouštědla není plná. Čerpadlo, detektor a počítač se zapínají pod dozorem vedoucího práce postupně samostatnými síťovými vypínači. Dále je třeba ověřit, zda je na ovládacím panelu čerpadla nastavena vhodná hodnota průtoku mobilní fáze (1 ml/min). Správnou funkci čerpadla je možné ověřit vizuálně, podle pravidelného odkapávání mobilní fáze do láhve na odpadní rozpouštědla a podle hodnoty tlaku na displeji čerpadla. Pokud tlak kolísá a z výstupní kapiláry vycházejí bublinky, je systém zavzdušněn a je třeba provést odvzdušnění (pod dozorem vedoucího práce). Doba potřebná k temperování měřicí cely detektoru se pohybuje okolo 15 - 20 minut. Vedoucí práce aktivuje v počítači program pro sběr a zpracování chromatografických dat a poté s jeho funkcí seznámí posluchače. Příprava vzorků středních frakcí pro analýzu Pro chromatografickou separaci je třeba analyzované vzorky střední frakce vhodně zředit používanou mobilní fází (n-heptanem). Roztoky se připraví tak, že se na analytických vahách do 10 ml odměrné baňky naváží s přesností na 0,1 mg 1 g ± 0,1 g analyzovaného vzorku a n-heptanem doplní po rysku. Obsah baňky se dokonale promíchá. Zapsaná hmotnost navážky s přesností na čtyři desetinná místa se použije pro pozdější výpočty. Kalibrace odezvy RI detektoru pomocí standardů Aby bylo možné provést kvalitativní a kvantitativní vyhodnocení chromatografických analýz vzorků motorových naft, je nutná znalost retenčních časů jednotlivých uhlovodíkových skupin (kvalitativní analýza) a jejich odezvy na RI detektoru (kvantitativní analýza). Pro tento účel jsou k dispozici následující 4 kalibrační roztoky standardních látek (jako rozpouštědlo je použita mobilní fáze – n-heptan):
4
látka
koncentrace [g/100ml] std A
std B
std C
std D
o-xylen
4,0
1,0
0,25
0,05
fluoren
2,0
1,0
0,25
0,02
fenantren
0,4
0,2
0,05
0,01
* tabulka uvádí přibližné hodnoty koncentrací, přesné hodnoty budou sděleny na cvičení
Po stabilizaci chromatografického systému, tj. základní linie signálu detektoru, se postupně provede opakovaně (tj. 3x) analýza kalibračních směsí A, B, C a D vždy s nástřikem 10 l. Po ukončení každé chromatografické separace (doba trvání cca 10 minut) se provede vyhodnocení chromatogramu, tj. přiřazení retenčního času každému chromatografickému píku a integrace plochy pro každý chromatografický pík. Látky jsou z kolony eluovány v pořadí: cyklohexan o-xylen fluoren fenantren. Pro každou standardní látku s výjimkou cyklohexanu se vypočte průměrná hodnota plochy píku pro každý kalibrační roztok. Vypočtené průměrné hodnoty ploch se pak použijí pro konstrukci závislosti koncentrace standardu KS v mg/ml na ploše chromatografického píku PS. Pomocí regresní analýzy se pak vypočtou pro každou standardní látku konstanty přímkové závislosti (a, b): KS = a.PS + b
(1)
Konstanty a, b z rovnice (1), která charakterizuje odezvu RI detektoru, se následně použijí pro výpočet obsahu jednotlivých skupin aromátů v analyzovaných vzorcích středních frakcí: kalibrační závislost pro xylen
výpočet koncentrace monoaromátů
kalibrační závislost pro fluoren
výpočet koncentrace diaromátů
kalibrační závislost pro fenantren
výpočet koncentrace polyaromátů
Cyklohexan slouží pouze pro zjištění retenčního času nasycených uhlovodíků. Analýza vzorků a výpočet obsahu jednotlivých skupin aromátů Při chromatografické analýze středních frakcí se do nástřikového členu dávkuje vždy 10 µl připravených roztoků vzorků rozpuštěných v n-heptanu. Každý vzorek se analyzuje minimálně třikrát. Při vyhodnocování chromatogramů se nejprve provede identifikace jednotlivých skupin aromátů na základě porovnání retenčních časů s retenčními časy standardů. Plochy příslušných aromatických skupin potřebné pro kvantitativní výpočty se vypočítají jako průměr ze tří opakovaných stanovení. Zastoupení jednotlivých skupin aromátů ve vzorku se vypočte pomocí následujících vztahů: nejprve se z ploch píků PA vypočte koncentrace KA v mg/ml příslušné aromatické skupiny (pomocí konstant a, b získaných z kalibrační rovnice (1): 5
KA = a.PA + b
(2)
zastoupení příslušné aromatické skupiny ZS v % (m/m) ve vzorku se pak vypočítá z koncentrace příslušné aromatické skupiny v roztoku vzorku KA a z celkové koncentrace vzorku v roztoku KV: ZS = (KA/KV).100
(3)
obsah nasycených uhlovodíků se vypočítá dopočtem do 100 %. V případě, že analyzovaný vzorek představuje motorovou naftu obsahující metylestery mastných kyselin (FAME), konzultujte s vedoucím práce správnou integraci píků polyaromátů. V tomto případě je také třeba obsahy všech uhlovodíkových skupin vynásobit faktorem f, který se vypočítá ze známého obsahu FAME OF (zadá vedoucí práce): f = 1 - OF/100
(4)
Ukončení práce s kapalinovým chromatografem Po ukončení chromatografických analýz se ukončí běh programu v PC a postupně se vypne čerpadlo, RI detektor a počítač. Dávkovací stříkačka se několikrát propláchne acetonem. Obsah odměrných baněk s roztoky vzorků se vylije do nádoby na odpadní rozpouštědla, baňky se pečlivě vypláchnou acetonem a vysuší v sušárně.
6
NEZBYTNÉ SOUČÁSTI PROTOKOLU Název práce: Skupinová analýza motorových naft
Kruh:
Posluchač:
Datum:
Kalibrace odezvy RI detektoru:
Látka
průměrný retenční čas [min]
standard A
standard B
koncentrace průměrná koncentrace průměrná [mg/ml] plocha píků [mg/ml] plocha píků
o-xylen fluoren fenantren standard C Látka
-
o-xylen
-
fluoren
-
fenantren
-
standard D
koncentrace průměrná koncentrace průměrná [mg/ml] plocha píků [mg/ml] plocha píků
Vypočtené konstanty kalibrační rovnice (1):
Látka
Konstanty a (směrn.)
b (úsek)
o-xylen fluoren fenantren
Příprava vzorků pro analýzu:
Vzorek
navážka vz. [g]
objem odm. [ml]
celk. konc. KV [mg/ml]
1 2
7
Výsledky analýzy vzorků motorových naft – výpočty z rovnic (3, 4): Vzorek 1 Skupina
průměrný retenční čas [min]
průměrná plocha píků
konc. KA [mg/ml]
-
-
zastoupení skupiny ZS [% (m/m)]
monoarom. diaromáty polyaromáty nasycené
Vzorek 2 Skupina
průměrný retenční čas [min]
průměrná plocha píků
konc. KA [mg/ml]
-
-
zastoupení skupiny ZS [% (m/m)]
monoarom. diaromáty polyaromáty nasycené
8
