用ASTM D6584 和EN14105 方法分析生物柴油(B100)中的甘油和甘油酯

前言

　　生物柴油是一種從可再生植物油或動物脂肪得到的機動車燃料或熱燃料。隨著原油的高成本和資源的有限，可再生燃料如生物柴油被認為是替代、補充或擴展傳統石油燃料的一種途徑。生產生物柴油的過程稱為甲酯化過程。在催化劑作用下，植物油與甲醇反應生成脂肪酸甲脂和甘油。在脫除甘油和其它污染物后，剩下的脂肪酸甲脂混合物即是純的生物柴油。根據油源的不同，典型的生物柴油包含從碳八到碳二十四的飽和與不飽和脂肪酸甲脂混合物。表1 為從普通植物油制得的生物柴油中脂肪酸甲酯的分布和相對量。

　　純生物柴油一般不作為燃料，而是與石化柴油混合使用。生物柴油以符號BXX 標記，這里XX 表示在燃料中脂肪酸甲酯的體積百分數。使用這個命名，B100 是純的脂肪酸甲脂，B50 含體積為50% 的脂肪酸甲脂，B5 是含體積為5% 的脂肪酸甲酯，等，一般商品化的生物柴油是B2，B5B20。

　　在生物柴油作為調和原料或推向市場前，首先得符合定義的標準。ASTM D6751 和歐盟標準委員會標準EN 14214 制定了生物柴油調和原料和發動機燃料相似的規格。在每一個標準中，一個重要的指標是限制生物柴油中游離甘油和甘油酯的量。游離甘油是生物柴油生產中的副產物，單甘油酯、二甘油酯、三甘油酯是部分反應油，是生物柴油中的污染物。高含量的游離甘油由于分離會產生問題。高含量的游離甘油和甘油酯會導致發動機沉積物的增加，表2 為每一個標準制定的最低值。 

　　ASTM 和CEN 制定了幾種符合標準規格的物理和化學測試方法。一種重要的化學方法是測定B100 中游離甘油和甘油酯的量。開發了兩種氣相色譜方法，EN14105 和D6584 用于測定。兩種氣相色譜方法在樣品制備、儀器配置、操作條件和報告方面幾乎完全一樣。由于甘油和甘油酯沸點高，且有一定極性，在進入氣相色譜之前，首先必須衍生化以提高揮發性，并降低活性。采用冷柱頭進樣口和高溫毛細管柱易于分析這些化合物。使用這些方法時另一個考慮的重要因素是生物柴油的來源。兩種方法均可用于從植物油如菜籽、大豆、葵花和棕櫚生產的B100 生物柴油的分析。這些方法不適用于由月桂酸如椰子和棕櫚仁生產的B100 生物柴油的分析。

實驗部分

儀器配置

　　表3 為用于本分析的氣相色譜儀的詳細配置。在柱上進樣口和分析毛細管柱之間使用530 μm內徑的高溫保留間隙柱，以提高樣品的揮發度，同時保證采用通用的進樣針易于進樣。安捷倫微板流路控制技術Ultimate Union 用于連接保留間隙柱和分析柱。表4為分析用的氣相色譜操作條件。

標準品和樣品的制備

　　購買商品化的含甘油、單油酸甘油酯、二油酸甘油酯、三油酸甘油酯、丁三醇（內標1#）、甘油三癸酸酯（內標2#），濃度由ASTM 和CEN 方法規定的標準儲備液。表3 為用于分析的標準品和其它化學試劑的列表。

　　通過混合等分的ASTM 和CEN 規定的各種標準儲備液，制備五個氣相色譜用的校正標準品。混合后，在每一個校正標準品中加入100 μL 衍生試劑N-甲基-N-(硅三甲基)三氟乙酰胺。二十分鐘后，在每一個校正標樣中加入8 mL 試劑級正庚烷。這些最終的反應混合物直接注入氣相色譜分析。

　　樣品制備按照ASTM 和CEN 方法。本應用中用到菜籽油和大豆油制的兩種B100 生物柴油樣品，每個樣品每天制備后運行兩次共4 天，并每天用新配制的校正標樣進行校正。

結果與討論

　　在運行標準樣品之后，使用安捷倫化學工作站計算甘油、單油酸甘油酯、二油酸甘油酯、三油酸甘油酯的線性校正曲線。每種化合物有很好的線性曲線，y 軸的截距近似為0，這些曲線見圖1。每個化合物的校正系數超過ASTM 和CEN 方法要求的0.99。

　　圖2 為從大豆油和菜籽油制得的B100 生物柴油樣品的典型色譜圖。在色譜圖中最大的峰是樣品中的脂肪酸甲酯。圖3 為菜籽油為原料的生物柴油中甘油、單甘油酯、二甘油酯、三甘油酯流出物的色譜圖，每種化合物的定性是基于ASTM 方法中給出的相對保留時間（表5），用第一個內標1,2,4-丁三醇的保留時間定性甘油，用第二個內標甘油三癸酸酯的保留時間定性單甘油酯、二甘油酯、三甘油酯。

　　用ASTM 和CEN 方法中詳細描述的方法，每個樣品中甘油的量根據甘油的線性校正曲線中的線性方程計算，單甘油酯、二甘油酯、三甘油酯分別基于單油酸甘油酯、二油酸甘油酯、三油酸甘油酯的線性校正曲線計算。表6 為每個樣品中甘油和甘油酯的量。

　　測定重復性，可得到分析的精密度。重復性即是同一臺儀器，由同一操作者在同一天對同一樣品兩次分析結果的差值。這個重復性結果是在連續四天內得到的測定結果。表7 為每天的重復性測定結果，并與ASTM D6584 方法比較。這個結果顯示了很好的精
密度。

　　ASTM 和CEN 方法不易采用，有很多原因：樣品制備時間長且困難；樣品進樣到0.32mm 內徑的柱子上，不易自動化；校正困難。不過，可以遵循許多操作方法及指南，以得到好的精密度結果。

樣品和標準品的制備

　　1. 每天制備新的校正標準溶液。對已制備好的標準溶液，保存不易超過幾個小時。

　　2. 使用商品化的儲備液或用安培玻璃瓶密封的最終校正標準樣品。如果標準溶液在一天內不使用，不能保存備以后使用。在溶液內的積水將抑制衍生化。

　　3. 只能使用衍生化級的N-甲基-N-(硅三甲基)三氟乙酰胺。低級別的試劑可能會含有降低試劑效率的溶劑。最好購買小包裝的封在安培玻璃瓶內的N-甲基-N-(硅三甲基)三氟乙酰胺。

　　4. 使用干凈、干燥的玻璃器皿和吸液管。

　　5. 只能分析最終產品B100。過程樣品中由于高含量的甲醇和水，將抑制衍生化，本方法不能用于過程樣品分析。

　　6. 在制備好樣品后，立即進行分析。儲存制備好的樣品不能超過幾個小時，尤其在潮濕的環境中。

氣相色譜分析

　　推薦在氣相色譜進樣口和色譜柱之間使用保留間隙柱。保留間隙柱將提高峰形、樣品的揮發性以及柱效。圖4 為使用530 μm 內徑的高溫保留間隙柱時，甘油和1,2,3-丁三醇峰形改善的示意圖。保留間隙柱由于可捕集樣品中的非揮發性化合物，將延長柱子的使用壽命。0.53 mm 內徑的高溫保留間隙柱由于易于和標準錐形進樣針匹配而易于進樣。

　　使用保留間隙柱的一個問題是對三甘油酯的洗脫需要高的柱溫（380 °C）。多數石英毛細管的使用溫度不超過350°C。此外，傳統的柱連接方式在這樣的高溫下會漏氣。安捷倫微板流路控制技術Ultimate Union與特殊的耐高溫石英柱相連接，可解決這一問題。Ultimate Union 是由在400°C 仍不失活的脫活不銹鋼管制得。高溫聚酰亞胺涂層的保留間隙柱可用至380°C。

　　要成功地使用這種Union 首先需要保留間隙柱和毛細管柱能為Union 設計的金屬墊圈正確地安裝。接下來，Union 必須被支撐以保證柱連接處不受重力。用Ultimate Union 包中的固定架將Union 固定在GC的柱箱壁上。如果安裝不好，可能在350 °C 運行幾次后，就導致系統漏氣，引起色譜柱的損壞。圖5 為可安裝在柱箱壁上的固定架的正確安裝方式。從照片上看，在色譜柱和保留間隙柱之間沒有壓力。此外，為了延長這種連接方式的使用壽命，在不運行樣品時，色譜柱的溫度應保持在50 °C。推薦在使用前對系統進行檢漏。如果檢出有泄漏，應用新的墊圈，重新連接，并在運行樣品前對色譜和柱性能進行評價。

結論

　　采用ASTM 6584 和EN14105 分析生物柴油(B100)中的游離和總的甘油量。兩種氣相色譜方法的樣品制備和分析方法幾乎完全一樣。本應用說明了這些方法所用的Agilent 7890A 氣相色譜儀的配置。通過采用細致周密的樣品制備方法，以及高溫保留間隙柱和微板流路控制技術，該系統能符合或可超過方法的線性和精確度要求。