分光光度法測(cè)定生物柴油中的磷含量

陳 斌， 楊 賽， 李 蓉*， 竇澤坤， 張夢(mèng)瑤， 馬曉迅

(西北大學(xué)化工學(xué)院，陜西西安 710069)

生物柴油中的微量磷可增加大氣污染物的排放[1]，因此我國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)(GB 20828-2015)[2]新增了磷的限量要求，并將其納入檢驗(yàn)項(xiàng)目。國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)采用電感耦合等離子體發(fā)射光譜法(ICP-OES)[3 - 4]檢測(cè)生物柴油中的磷含量。該方法高效靈敏，但存在儀器昂貴、檢測(cè)成本高，溶劑毒性較大、等離子體樣品傳遞不穩(wěn)定等問題[5]，因此,一些基于經(jīng)典磷鉬藍(lán)反應(yīng)測(cè)定生物柴油中磷含量的方法被發(fā)展起來。這些方法均是通過磷酸根與顯色劑反應(yīng)形成藍(lán)色絡(luò)合物[6 - 8]，依據(jù)其吸光度測(cè)定生物柴油中的磷含量，而其主要區(qū)別為樣品的制備過程，即如何將生物柴油中的有機(jī)磷轉(zhuǎn)化為無機(jī)磷。巫淼鑫等[6]向生物柴油中加入ZnO，再經(jīng)灰化制備樣品；Silveira等[7]與Lim等[8]也是通過灰化制備樣品，而加入的助劑是MgO。但上述方法灰化時(shí)樣品易飛濺、燃燒，存在安全隱患，且灰化產(chǎn)物均不溶于水，需要強(qiáng)酸溶解及堿液的調(diào)節(jié)以滿足磷鉬藍(lán)反應(yīng)條件，整個(gè)過程繁瑣，其結(jié)果亦遜于ICP法[9]。因此，開發(fā)一種不依賴于大型儀器，成本較低，操作簡(jiǎn)單且方法的精密度能滿足就地批次檢驗(yàn)需求的方法，則更具針對(duì)性與現(xiàn)實(shí)意義。

本文通過加入助劑KOH和K2SO4與生物柴油進(jìn)行皂化反應(yīng)，再對(duì)皂采用程序升溫的方式灰化，從而將生物柴油的灰化轉(zhuǎn)化為皂的灰化，并與ZnO法、MgO法、標(biāo)準(zhǔn)的ICP法進(jìn)行比較。同時(shí)，對(duì)不同助劑的作用作了初步探討，建立了一種能滿足日常檢測(cè)要求的生物柴油中磷含量的檢測(cè)方法。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 儀器與試劑

UV-4802型雙光束紫外-可見分光光度計(jì)(尤尼柯(上海)儀器有限公司)；SG -SJL1700型馬弗爐(中國(guó)科學(xué)院上海光學(xué)精密機(jī)械研究所)；Optima 7000DV型電感耦合等離子體發(fā)射光譜儀(美國(guó)，珀金埃爾默公司)。

鉬藍(lán)比色法所需磷酸鹽儲(chǔ)備液、磷酸鹽標(biāo)準(zhǔn)溶液、硫酸聯(lián)氨溶液、鉬酸鈉稀硫酸溶液、鹽酸溶液等均參照國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)(GB/T 5537-2008)[10]配制。所用試劑均為分析純，所用的水均為二次蒸餾水。

生物柴油的制備[11]：以不同植物油為原料，在NaOH的催化下與甲醇發(fā)生酯交換反應(yīng)，精制后得到生物柴油。

1.2 實(shí)驗(yàn)方法

1.2.1殘?zhí)康臏y(cè)定參照國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)《石油產(chǎn)品殘?zhí)繙y(cè)定法(微量法)》(GB/T 17144-1997)[12]測(cè)定生物柴油樣品不同溫度下的殘?zhí)苛俊?/p>

1.2.2標(biāo)準(zhǔn)曲線的繪制分別移取0、1、2、4、6、8 mL磷酸鹽標(biāo)準(zhǔn)溶液至50 mL的比色管中，再分別加入8 mL硫酸聯(lián)氨溶液和2 mL鉬酸鈉溶液，定容至50 mL，搖勻，沸水中反應(yīng)10 min，冷卻至室溫后定容至50 mL，650 nm波長(zhǎng)處測(cè)定溶液的吸光度，繪制濃度與吸光度的標(biāo)準(zhǔn)曲線。

1.2.3樣品的制備依次稱取生物柴油樣品約6.0 g、KOH約1.5 g、K2SO4約0.1 g于坩堝中，溫度20 ℃下皂化反應(yīng)30 min后，將坩堝置于馬弗爐內(nèi)通過程序升溫進(jìn)行灰化?；一瘲l件為：80 ℃、120 ℃各灰化1 h，250 ℃灰化3 h，300 ℃灰化1 h，最終升溫到680 ℃維持2 h。樣品灰化后冷卻至室溫，用沸水溶解、過濾，稀HCl調(diào)節(jié)溶液pH至弱酸性，定容至50 mL的容量瓶中，待測(cè)。

1.2.4生物柴油中磷含量的計(jì)算從容量瓶中移取40 mL樣品溶液，分別加入8 mL硫酸聯(lián)氨溶液和2 mL 鉬酸鈉溶液，定容至50 mL，搖勻后進(jìn)行顯色反應(yīng)，反應(yīng)條件同1.2.2，測(cè)量溶液的吸光度，通過標(biāo)準(zhǔn)曲線得到溶液中的磷含量，由公式(1)計(jì)算生物柴油中的磷含量。

(1)

式中，X：生物柴油中的磷含量，mg/kg；P：樣品溶液中的磷含量，mg；V1：樣品灰化后稀釋的體積，mL；V2：比色時(shí)所取的被測(cè)液體積，mL；m：生物柴油的質(zhì)量，g。

2 結(jié)果與討論

2.1 不同灰化終溫對(duì)殘?zhí)?、磷含量檢測(cè)的影響

圖1 不同溫度下對(duì)應(yīng)的殘?zhí)考捌淞缀縁ig.1 Residual carbon and phosphorus content at different temperaturesThe temperature of the tube furnace is set to 550,600,650,680,700 ℃,and the residual carbon content is measured by weighing before and after ashing.The phosphorus content is measured by this method.

根據(jù)鉬藍(lán)比色法的測(cè)定原理，正磷酸根與顯色劑反應(yīng)生成藍(lán)色的絡(luò)合物，再依據(jù)650 nm處的吸光度測(cè)得樣品的磷含量。生物柴油中的磷以有機(jī)磷形式存在，因此只能通過樣品的制備過程將有機(jī)磷轉(zhuǎn)化為無機(jī)磷酸根，而生物柴油的灰化即為上述的轉(zhuǎn)化過程。顯然，灰化是否徹底將對(duì)鉬藍(lán)比色法測(cè)定的結(jié)果產(chǎn)生直接影響。本文以加入助劑KOH的生物柴油灰化后的殘?zhí)苛繛闃悠坊一潭鹊闹笜?biāo)，評(píng)價(jià)不同灰化終溫對(duì)灰化程度、磷含量檢測(cè)的影響，為程序升溫灰化制備樣品提供依據(jù)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果見圖1。溫度在550～680 ℃范圍內(nèi)，隨著灰化終溫提高，殘?jiān)念伾商亢谏珴u變至白色，殘?zhí)苛拷档投鶞y(cè)磷含量提高，這表明灰化終溫低于680 ℃不能將生物柴油完全灰化，仍有部分有機(jī)磷未轉(zhuǎn)化為無機(jī)磷，故磷含量的檢測(cè)結(jié)果偏低。而終溫700 ℃時(shí)，盡管殘?zhí)康暮孔畹?，但后續(xù)測(cè)定過程出現(xiàn)渾濁現(xiàn)象，對(duì)磷含量的測(cè)定有干擾，因此最終確定生物柴油的灰化終溫為680 ℃。

2.2 不同助劑對(duì)樣品灰化及檢測(cè)的影響

文獻(xiàn)報(bào)道的方法[6 - 8]是在生物柴油的灰化過程中加入ZnO或MgO作為助劑，但未對(duì)助劑作用進(jìn)行討論。本文向生物柴油樣品中分別加入KOH、KOH與K2SO4、ZnO、MgO，考察助劑對(duì)生物柴油灰化過程以及磷含量檢測(cè)的影響。以未加助劑的生物柴油樣品為空白，兩組空白試驗(yàn)參照Silveir等[7]的方法，灰化終溫分別設(shè)定為550 ℃、680 ℃，加入MgO的樣品采用Silveir等[7]的方法，加入ZnO的樣品采用巫淼鑫等[6]的方法，同時(shí)與ICP法[4]進(jìn)行比較。每組試驗(yàn)做5個(gè)平行樣，結(jié)果如表1所示。

表1 不同方法測(cè)得生物柴油中的磷含量(n=5)Table 1 Phosphorus content in biodiesel measured by different methods(n=5)

由表1可知，助劑及助劑的種類對(duì)樣品的灰化程度與磷的檢測(cè)有重要的影響。首先，助劑對(duì)磷含量的檢測(cè)必不可少，550 ℃、680 ℃兩個(gè)灰化終溫下的空白試驗(yàn)所測(cè)磷含量低至可以忽略，而加入助劑所測(cè)得的磷含量為空白的10～20倍，對(duì)磷都具有“捕獲”的作用，分別生成了難溶性的磷酸鋅、磷酸鎂和可溶性的磷酸鉀。其次，ZnO法的磷含量檢測(cè)結(jié)果僅為3.37 mg/kg，而精密度(RSD)高達(dá)9.13%，MgO法的結(jié)果略好但仍與國(guó)標(biāo)的ICP法偏差較大，這兩種方法都難以滿足生物柴油中磷含量檢測(cè)的要求，只有助劑為KOH時(shí)其檢測(cè)結(jié)果與國(guó)標(biāo)法有可比性。最后，由灰化過程所觀察到的現(xiàn)象及殘?zhí)苛靠梢钥闯霾煌鷦┑淖饔脵C(jī)理不同。終溫為550 ℃的空白組采用與MgO法相同的灰化程序，灰化產(chǎn)物為灰色而MgO法為白色，且殘?zhí)苛繛?.41%，明顯多于MgO法的0.30%，可見MgO促進(jìn)了灰化的進(jìn)行，這應(yīng)與ZnO、MgO可催化有機(jī)物的快速熱解有關(guān)[13 - 15]，因此添加MgO或ZnO后，生物柴油樣品在550 ℃即可充分灰化，但因液態(tài)的生物柴油加入催化劑后熱解劇烈，易產(chǎn)生樣品的飛濺、燃燒，存在較大安全隱患。而加入KOH后生物柴油在常溫下即可轉(zhuǎn)變?yōu)檎吵淼陌牍腆w狀，灰化終溫需680 ℃才可充分灰化，推測(cè)是生成了熱分解溫度更高的皂[16 - 17]。因此與加入ZnO或MgO催化生物柴油的灰化不同，加入KOH后將生物柴油的灰化過程轉(zhuǎn)化為皂的灰化過程。固態(tài)皂的形成一方面克服了液態(tài)生物柴油樣品的飛濺、燃燒等安全隱患，提高了方法的精準(zhǔn)度。另一方面，皂的熱穩(wěn)定性更佳，可采用更快的升溫速率和更高的灰化溫度，整體灰化時(shí)間較文獻(xiàn)方法[7 - 8]反而縮短了2 h。此外，KOH法的灰化產(chǎn)物為易溶性磷酸鉀鹽，無需ZnO和MgO法的強(qiáng)酸溶解及后續(xù)的pH調(diào)節(jié)步驟，進(jìn)一步簡(jiǎn)化了操作，提高了方法的效率。

為了促進(jìn)皂化反應(yīng)的進(jìn)行，利用K2SO4的正鹽效應(yīng)可加速皂化反應(yīng)的機(jī)理[18]，向樣品中加入適量的K2SO4加速生物柴油向皂的轉(zhuǎn)化過程。該方案測(cè)得磷含量與KOH法相當(dāng)，但精密度優(yōu)于KOH法與國(guó)標(biāo)的ICP法，因此選擇KOH加K2SO4作為生物柴油樣品制備的助劑。

2.3 標(biāo)準(zhǔn)曲線及線性范圍

酸性條件下，KH2PO4與鉬酸鈉、硫酸聯(lián)氨在100 ℃下發(fā)生反應(yīng)生成磷鉬藍(lán)產(chǎn)物。磷鉬藍(lán)產(chǎn)物的量與650 nm波長(zhǎng)下的吸光度成正比。通過已知濃度的無機(jī)磷得到其相應(yīng)的吸光度，繪制標(biāo)準(zhǔn)曲線。本文中標(biāo)準(zhǔn)曲線的公式為:y=5.7740x-0.0071(R2為0.9999)。y是650 nm下的吸光度，x為溶液中磷含量(mg)。分光光度法中，以吸光度為0.01相對(duì)應(yīng)的濃度為檢測(cè)限，以3.3倍的檢出濃度為定量限[19]，通過計(jì)算得到本方法的檢測(cè)限為0.37 mg/kg，定量限為1.22 mg/kg，線性范圍為1.22～16.67 mg/kg。

2.4 方法的精密度

為評(píng)估本方法的精密度，準(zhǔn)備5份相同的生物柴油樣品，測(cè)定生物柴油樣品中的磷含量，結(jié)果見表2。生物柴油中的磷含量為8.37 mg/kg，RSD為3.01%，故所建立方法的精密度較高。

表2 精密度實(shí)驗(yàn)結(jié)果(n=5)Table 2 Results of precision test(n=5)

2.5 方法的回收率

為評(píng)估方法的準(zhǔn)確度，向生物柴油中加入不同量的磷酸鹽標(biāo)準(zhǔn)溶液，配制成高、中、低濃度的加標(biāo)樣品，按所建立的方法進(jìn)行5次平行測(cè)定，其結(jié)果見表3。高、中、低三種加標(biāo)濃度下本方法的回收率在96.04%～105.61%之間，相對(duì)應(yīng)的RSD分別為1.42%、3.34%、4.70%。Avila[9]采用ICP法測(cè)得的回收率在95%～106%之間，兩種方法的回收率相當(dāng)，表明該方法的準(zhǔn)確性可滿足生物柴油中磷含量檢測(cè)的要求。

表3 回收率實(shí)驗(yàn)結(jié)果(n=5)Table 3 Results of recovery test(n=5)

2.6 實(shí)際樣品的檢測(cè)

對(duì)不同原料制得的生物柴油樣品，分別利用本文所建立的方法及ICP法[4]進(jìn)行測(cè)定，表4為其測(cè)定結(jié)果。使用配對(duì)t檢驗(yàn)，在置信區(qū)間為95%時(shí)，自由度為3，臨界t值為0.088，雙側(cè)檢驗(yàn)P值為0.935。P值大于0.05，說明兩組數(shù)據(jù)不存在顯著性差異。表明本方法與ICP法檢測(cè)結(jié)果無顯著性差異，均可用于生物柴油中的磷含量檢測(cè)。

表4 不同原料的生物柴油磷含量測(cè)量結(jié)果(n=5)Table 4 Phosphorus contents in biodiesel from different feedstocks(n=5)

3 結(jié)論

本文對(duì)生物柴油磷含量檢測(cè)的樣品制備過程進(jìn)行了改進(jìn)。通過灰化終溫與殘?zhí)?、磷含量的關(guān)系確定了最優(yōu)灰化條件，建立了一種生物柴油中磷含量的檢測(cè)方法，方法的精密度為3.01%，回收率在96.04%～105.61%之間，檢測(cè)限為0.37 mg/kg，定量限為1.22 mg/kg，可滿足生物柴油中磷含量的日常檢測(cè)需求。并對(duì)不同助劑在灰化中的機(jī)理進(jìn)行了探討，助劑MgO、ZnO及KOH均對(duì)磷都具有“捕獲”的作用，但MgO、ZnO在生物柴油的灰化中起催化作用，KOH與生物柴油發(fā)生皂化反應(yīng)，K2SO4加速皂化反應(yīng)的進(jìn)行，皂的生成克服了樣品前處理中液態(tài)生物柴油的飛濺、燃燒等安全隱患，提高了方法的效率和精準(zhǔn)度。

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