215.1.10 SKUPINOVÁ ANALÝZA MOTOROVÝCH NAFT 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 mg∙kg-1 se pozornost obrátila 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. Stále více jsou 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).
METODA HPLC S REFRAKTOMETRICKOU DETEKCÍ HPLC neboli vysokoúčinná 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), viz Chyba! Nenalezen zdroj odkazů.. 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 Chyba! Nenalezen zdroj odkazů..
1
Obr. 1: Chromatografická separace Obr. 2: Kapalinový chromatograf (eluční metoda) Refraktometrický (RI) detektor 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 jsou tří typů: diferenciální (jiný název také výchylkový nebo deflekční), Fresnelova typu a interferenční. HPLC chromatograf používaný v této úloze je vybaven diferenciálním refraktometrem (viz Chyba! Nenalezen zdroj odkazů.). U tohoto typu refraktometrického detektoru je záření ze zdroje fokusováno zrcadlem do detekční cely, která je složena z referenční a měrné části, které jsou odděleny diagonální skleněnou přepážkou. Referenční část je naplněna čistou mobilní fází, měrnou částí prochází eluát z kolony. 1 – zdroj záření 2 – polopropustné zrcadlo 3 – cela refraktometru (a – měrná, b - referentní) 4 – zrcadlo 5 – detektory záření (fotonásobiče) 6 – skleněná destička k nastavení optické nuly 7 – zrcadlový hranol 8, 8’ – přívod a odvod mobilní fáze z měrné cely 9, 9’ – přívod a odvod mobilní fáze z referentní cely 10 – přepážka z křemenného skla Obr. 3: Diferenciální refraktometrický detektor Při změně složení kapaliny v měrné cele (změně indexu lomu v důsledku přítomnosti analytu) dojde ke změně úhlu vychýlení světelného paprsku, který detekční celou prochází. Podle vychýlení 2
paprsku dopadajícího na fotonásobič je produkován odpovídající elektrický signál. Výhodou tohoto detektoru je jeho univerzálnost, tzn., umožňuje stanovení libovolné sloučeniny, je-li index lomu této sloučeniny odlišný od indexu lomu použité mobilní fáze. Nevýhodou refraktometru v porovnání s jinými detektory používanými v spojení s HPLC je nižší citlivost. Tento detektor taktéž není použitelný v aplikacích vyžadujících použití gradientového systému mobilních fází.
ZADÁNÍ PRÁCE - Zkalibrujte HPLC-RI chromatograf pro účely stanovení skupinového stanovení středních ropných destilátů. - Pomocí metody RI-HPLC proveďte analytické stanovení obsahu mono-, di- a polyaromátů ve dvou vzorcích různých středních ropných frakcí (motorových naft, leteckého petroleje apod.).
POTŘEBY PRO PRÁCI Analyzované vzorky Vzorky středních ropných frakcí dodá vedoucí práce.
Aparatura analytické váhy automatická pipeta 100 - 1000 l fix lihový odměrná baňka 10 ml střička na n-heptan p.a. střička na aceton čistý špičky na pipety 100 - 1000 l vialka 1 ml vialka 40 ml
2 ks
2 ks 4 ks
Chemikálie n-heptan (p. a.) aceton čistý
1l asi 20 ml
PRACOVNÍ POSTUP 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, • 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 mikročásticovým chemicky modifikovaným silikagelem – Supelcosil LC-NH2-NP (výrobce SUPELCO, USA), • refraktometrický (RI) detektor Shimadzu RID-10A s vnitřní temperací měřicí cely, • vyhodnocovací výpočetní systém Shimadzu Class LC-10, umožňující sběr analytických dat, jejich vyhodnocení, tisk a záznam výsledků.
3
Příprava kapalinového chromatografu k měření: 1. Před zapnutím přístroje. Doplňte mobilní fázi (n-heptan) do zásobní láhve a zkontrolujte, zda láhev na odpadní rozpouštědla není plná. Počítejte s tím, že spotřeba mobilní fáze je obvykle asi 0,5 – 0,6 l. 2. Zapnutí přístroje. Pod dozorem vedoucího práce zapněte postupně čerpadlo, detektor a počítač samostatnými síťovými vypínači. Dále aktivujte program pro sběr a zpracování chromatografických dat CLASS LC10. Po naběhnutí programu aktivujte okno REAL TIME ANALYSIS (viz obr. 4). Následně zvolte řídicí systém 1 kliknutím na odkaz SELECT SYSTEM (horní lišta, viz obr. 5) a následně SYSTÉM 1. Řídicí systém aktivujte kliknutím na odkaz ACTIVATE (na spodní liště). Dále pomocí odkazu SELECT SYSTEM zvolte řídicí systém 2 a postup zopakujte. Podle pravidelného odkapávání mobilní fáze do láhve na odpadní rozpouštědla a podle hodnoty tlaku na displeji čerpadla (34 1 barr) ověřte správnou funkci čerpadla. Pokud tlak kolísá a z výstupní kapiláry vycházejí bublinky, je systém zavzdušněn a je třeba provést odvzdušnění (pod dozorem vedoucího práce).
Obr. 4: Úvodní panel programu CLASS LC10
Obr. 5: Karta Real Time Analysis 3. Temperování měřící cely. Temperaci měrné cely proveďte stlačením odkazu R.FLOW (nebo F9) na pravé straně spodní lišty v okně REAL TIME ANALYSIS. Doba potřebná k temperování měřicí cely detektoru se pohybuje okolo 10 - 15 minut. Temperaci ukončete stlačením odkazu R.CLOSE (nebo F9), který se objeví po zahájení temperace. 4
4. Stabilizace základní linie detektoru. Tuto operaci proveďte kliknutím na položku TEST/ZERO v menu (horní lišta) a následně BALANCE Ch2. Po ustálení linie zvolte ZERO Ch2. 5. Analýza. Na horní liště okna REAL TIME ANALYSIS zvolte odkaz SAMPLE LOGIN a uveďte název vzorku. Následně do dávkovací smyčky nastříkněte 10 l vzorku a otočte dávkovacím ventilem po směru hodinových ručiček, čím se spustí analýza. 6. Ukončení analýzy. Analýzu ukončete stlačením odkazu STOP na dolní liště a vrácením dávkovacího ventilu do původní polohy. 7. Vyhodnocení analýzy. Na úvodním panelu aktivujte okno POST RUN ANALYSIS, následně postupně stlačte SINGLE FILE LOAD DATA a otevřete analyzovaný chromatogram (měl by být v nabídce úplně nahoře) kliknutím na jeho odkaz a poté LOAD. Pomocí levého tlačítka myši označte analyzovanou oblast a postupně stlačte PROCESS a MANIPULATE. Proveďte integraci chromatogramu podle pokynů vedoucího práce. Po integraci stlačte OK a následně postupně DISPLAY a PEAK REPORT, čím otevřete soubor po integraci, který si uložte do svého adresáře. Příprava vzorků středních frakcí pro analýzu: Pro chromatografickou separaci je třeba analyzované vzorky střední frakce vhodně zředit používanou mobilní fází (n-heptanem). Roztoky připravte tak, že na analytických vahách do 10 ml odměrné baňky navažte 1 g ± 0,1 g analyzovaného vzorku (s přesností na 0,1 mg) a n-heptanem doplňte po rysku. Obsah baňky dokonale promíchejte. Zapsaná hmotnost navážky s přesností na čtyři desetinná místa použijte 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) uvedené v tab. 1: Tab. 1: Koncentrace standardů látka
koncentrace [g/100 ml] standard A
standard B
standard C
standard 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, postupně proveďte analýzu kalibračních směsí A, B, C a D vždy s nástřikem 10 l (každá kalibrační směs 3 stanovení, tj. spolu 12 analýz). Po ukončení každé chromatografické separace (doba trvání cca 7 minut) proveďte vyhodnocení chromatogramu, tj. přiřazení retenčního času každému chromatografickému píku a integraci příslušné plochy. Látky jsou z kolony eluovány v pořadí: o-xylen fluoren fenantren. Pro každou standardní látku se ze tří stanovení vypočtěte průměrnou hodnotu plochy píku pro každý kalibrační roztok. Vypočtené průměrné hodnoty ploch pak použijte pro konstrukci závislosti koncentrace standardu KS v mg∙ml-1 na ploše chromatografického píku PS (v Excelu). Regresní analýzou (ze získané rovnice lineární regrese) pro každou standardní látku odečtěte konstanty přímkové závislosti a a b. Geometrický význam lineární regrese je znázorněn na obr. 6.
5
a - směrnice přímky, tj. tangens úhlu, který svírá daná přímka (nerovnoběžná s osou y) s kladným směrem osy x pravoúhlých souřadnic b - úsek, který vytíná přímka na ose y 𝐾𝑆 − 𝑏 𝑡𝑔𝛼 = 𝑎 = 𝑃𝑆
Obr. 6: Geometrický význam lineární regrese. 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 Analýza vzorků a výpočet obsahu jednotlivých skupin aromátů: Při chromatografické analýze středních frakcí do nástřikového členu dávkujte vždy 10 µl připravených roztoků vzorků rozpuštěných v n-heptanu. Každý vzorek analyzujte minimálně třikrát. Při vyhodnocování chromatogramů nejprve proveďte identifikaci jednotlivých skupin aromátů na základě porovnání retenčních časů s retenčními časy standardů. Plochy příslušných aromatických skupin potřebné pro kvantitativní výpočty vypočtěte jako průměr ze tří opakovaných stanovení. Zastoupení jednotlivých skupin aromátů ve vzorku vypočtěte pomocí následujících vztahů: • nejprve z ploch píků PA vypočtěte koncentraci KA v mg∙ml-1 příslušné aromatické skupiny (pomocí konstant a, b získaných z kalibrační rovnice (1): KA = a ·PA + b (2) • zastoupení příslušné aromatické skupiny ZS v hm. % ve vzorku pak vypočtěte 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 vypočtěte 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 ukončete běh programu v PC a postupně vypněte čerpadlo, RI detektor a počítač. Dávkovací stříkačku několikrát propláchněte acetonem. Obsah odměrných baněk s roztoky vzorků vylijte do nádoby na odpadní rozpouštědla, baňky pečlivě vypláchněte acetonem a vysušte v sušárně. 6
POŽADAVKY NA PROTOKOL
protokol musí splňovat zásady pro vypracování protokolu z laboratorní práce
do protokolu uveďte vyplněné níže uvedené tabulky podle vzoru tab. 2 až tab. 5
spolu s protokolem odevzdejte také pomocný excelovský sešit (obdržíte na cvičení), který bude obsahovat graf kalibrační závislosti
Tab. 2: Kalibrace odezvy RI detektoru Látka
Průměrný retenční čas [min]
Standard A Koncentrace [mg·ml-1]
Standard B
Průměrná plocha píků
Koncentrace [mg·ml-1]
Průměrná plocha píků
o-xylen fluoren fenantren Standard C Látka
-
o-xylen fluoren fenantren
-
Koncentrace [mg·ml-1]
Standard D
Průměrná plocha píků
Koncentrace [mg·ml-1]
Průměrná plocha píků
Tab. 3: Vypočtené konstanty kalibrační rovnice (1) Látka
Konstanty a (směrnice)
b (úsek)
o-xylen fluoren fenantren Tab. 4: Příprava vzorků pro analýzu Vzorek
Navážka vzorku [g] Objem odměrky [ml] Celková konc. KV [mg·ml-1]
1 2
7
Tab. 5: Výsledky analýzy vzorků motorových naft – výpočty z rovnic (3, 4) Vzorek 1 Skupina
Průměrný Průměrná retenční čas [min] plocha píků
Koncentrace KA [mg·ml-1]
Zastoupení skupiny ZS [% hm.]
monoaromáty diaromáty polyaromáty nasycené uhlov.
-
Vzorek 2
Skupina
Průměrný Průměrná retenční čas [min] plocha píků
Koncentrace KA [mg·ml-1]
monoaromáty diaromáty polyaromáty nasycené uhlov.
-
-
8
Zastoupení skupiny ZS [% hm.]
