生物柴油是一种可再生、安全、燃烧充分且清洁的燃料, 日益受到人们的重视^[1]。然而，生物柴油中的磷可使柴油机尾气催化剂中毒, 增加了尾气污染物的排放量^[2]。因此, 美国标准ASTM D6751^[3]、中国国标GB 25199-2017^[4]以及欧盟等国家和地区的标准中^[5], 均对生物柴油中的磷含量进行了限定。

目前, 上述标准均采用电感耦合等离子体发射光谱法(Inductively coupled plasma optical emission spectrometry, ICP-OES)^[6-7]来测定生物柴油中的磷含量。ICP-OES法高效灵敏, 但仪器昂贵、检测成本较高, 且存在所使用的溶剂毒性较大, 等离子体样品传递过程不稳定等问题^[8]。因此，一些基于经典的磷钼蓝反应测定生物柴油中磷含量的方法被建立起来, 这些方法均是通过磷酸根与钼酸钠、硫酸联氨反应形成稳定的蓝色络合物, 依据络合物的吸光度而测定生物柴油中的磷含量。这些方法主要区别是样品的制备过程, 即如何将样品中的有机磷转化为无机磷。巫淼鑫等^[9]直接借鉴油脂中磷含量的国标测定方法, 以ZnO为助剂, 采用炭化-灰化的方式对样品进行前处理。Silveira^[10]与Lima等^[11]则采用的是加入MgO直接灰化的方式。上述生物柴油样品前处理过程存在如下问题:①炭化或直接灰化过程中样品易飞溅、燃烧, 存在安全隐患, 并导致样品检测的精密度与准确度欠佳; ②所生成的灰化产物难溶于水, 须在加热条件下用盐酸溶解, 后续步骤又需反复用酸、碱溶液调节以满足钼蓝反应的要求。整个检测过程繁琐冗长, 测量结果亦逊于国标上所采纳的ICP-OES法^[12]。因此, 若采用分光光度法测定生物柴油中的磷含量, 其样品的制备过程是影响其方法安全性、检测效率、精密度及准确度的关键因素。

本文拟向生物柴油样品中加入KOH, 通过皂化反应将液态生物柴油转变为固态的皂, 从而消除了样品制备过程中的安全隐患, 同时提高了方法的精密度和准确度, 为此类物质的检测提供了参考。

1 实验部分 1.1 仪器与试剂

UV-4802型双光束紫外-可见分光光度计(尤尼柯上海仪器有限公司); SG-SJL1700型马弗炉(中国科学院上海光学精密机械研究所); 傅里叶红外光谱仪(VERTEX-70, 德国)。

光谱纯溴化钾(国药集团化学试剂有限公司)。

钼蓝比色法所需磷酸盐储备液、磷酸盐标准溶液、硫酸联氨溶液、钼酸钠稀硫酸溶液、盐酸溶液等均参照GB/T 5537-2008^[13]配制。

生物柴油的制备^[14]:以不同来源的植物油为原料, 在NaOH的催化下与甲醇发生酯交换反应, 精制后得到生物柴油。

其他所用试剂均为分析纯, 所用水均为超纯水。

1.2 实验方法 1.2.1 样品的红外表征

分别称取1 ~ 2 mg干燥后的生物柴油-KOH反应产物、硬脂酸钠, 用KBr粉末作压片处理。对于液态生物柴油样品, 直接吸取样品约50 μL滴在衰减全反射晶体(ATR晶体)表面。分别在400 ~ 4 000 cm^-1波数范围内, 采用傅里叶红外光谱仪进行测试。

1.2.2 样品的制备

依次称取6.0 g液态生物柴油样品、1.5 g KOH于坩埚中, 置于60℃烘箱中反应30 min; 然后对生成的固态物在600 W电炉上炭化15 min; 再将坩埚放入马弗炉内, 在680℃下灰化2 h。样品灰化后冷却至室温, 用沸水溶解、过滤后用稀HCl调节溶液pH至3.0左右, 定容至50 mL容量瓶中。

1.2.3 标准曲线的绘制

从磷酸盐标准溶液中分别移取0.00，1.00，2.00，4.00，6.00，8.00 mL的溶液至50 mL的比色管中, 分别加入8 mL硫酸联氨溶液和2 mL钼酸钠溶液, 用超纯水定容至50 mL, 摇匀, 于沸水中反应10 min, 冷却至室温后定容至50 mL, 于650 nm下测定溶液的吸光度, 绘制磷含量与吸光度的标准曲线。

1.2.4 生物柴油中磷含量的计算

从容量瓶中移取40 mL样品溶液进行显色反应, 反应条件同1.2.3, 测得溶液的吸光度, 通过标准曲线的回归方程得到溶液中的磷含量, 再由公式(1)即可计算得到生物柴油中的磷含量。

$ X = \frac{P}{m} \times \frac{{{V_1}}}{{{V_2}}} \times 1000 $

(1)

式中：X为生物柴油中的磷含量, mg/kg; P为样品溶液中的磷含量, mg; V₁为样品灰化后稀释的体积, mL; V₂为比色时所取的被测液体积, mL; m为生物柴油的质量, g。

2 结果与讨论 2.1 生物柴油皂化的红外分析

生物柴油的燃点、闪点分别为80℃^[15]和101℃^[5], 直接对生物柴油用明火加热炭化^[9]或者直接灰化^[10-11]都存在一定的安全隐患。此外, 由于生物柴油样品中水分的存在, 炭化或直接灰化过程中都难以避免样品受热时飞溅, 容易造成安全隐患且导致最终检测结果欠佳。

因此, 若向生物柴油样品(脂肪酸甲酯)中加入如KOH等强碱性物质, 通过皂化反应而生成性质更为稳定的固态皂, 从而将生物柴油的样品前处理过程转化为皂的炭化-灰化过程, 则有可能克服样品前处理过程的飞溅、损失和燃烧等问题, 从而提高了方法的安全性、准确度和精密度。

分别向生物柴油样品中加入ZnO，MgO，KOH, 于60℃反应30 min后, 仅加入KOH的生物柴油样品由液态转变为固态果冻状, 表明加入KOH后发生了化学反应, 生成了新物质。为了进一步考察生物柴油与KOH反应前后的物质变化情况, 对生物柴油、生物柴油-KOH反应产物、硬脂酸钠(皂)三者进行红外光谱扫描, 结果如图 1所示。生物柴油的红外图谱在1 744 cm^-1处出现比较尖锐的羰基吸收峰, 此为生物柴油的特征吸收峰^[16]。硬脂酸钠在1 560 cm^-1处出现强度很大的-COO^-反对称伸缩振动峰, 在1 423 cm^-1处出现强度较弱的-COO^-对称伸缩振动峰, 两者均为皂的特征吸收峰^[17]。生物柴油-KOH反应产物分别在1 562 cm^-1和1 414 cm^-1处出现新的吸收峰, 且出峰位置和出峰强度与皂的-COO^-反对称伸缩振动吸收峰和伸缩振动吸收峰恰好吻合, 这与实验观察相一致吻合, 表明生物柴油加入KOH后发生了皂化反应, 有皂的生成。

2.2 皂的灰化

灰化是利用高温除去样品中的有机质, 剩下无机灰分的过程。不同物质的检测有其相应的灰化条件^[18]。目前, 生物柴油中磷含量测定所采用的灰化温度多为550℃^[10-11]。由于本方法中有新物质——皂的生成, 因此需要考察不同灰化温度对磷含量检测结果的影响, 为灰化温度的选择提供依据, 实验结果见表 1。

在550℃~680℃温度范围内, 随着灰化温度提高, 残渣的颜色由炭黑色渐变至白色, 这表明灰化温度低于680℃难以将皂完全灰化, 仍有部分有机磷未转化为无机磷, 故磷含量的检测结果偏低。当温度达到700 ℃时, 尽管灰化后残渣均为白色, 但测得的磷含量开始下降, 且后续测定过程出现浑浊现象, 这可能是由于高温下坩埚与KOH反应生成了新物质所致。因此，最终确定生物柴油的灰化温度为680 ℃。

与生物柴油的灰化过程不同, 由于皂的热稳定性更佳, 本方法对皂可直接采用更高的温度进行灰化, 从而大大缩短了灰化过程的时间, 整体灰化时间较Silveira^[10]和Lima^[11]等所采用的方法节约了6 h。此外, 与采用ZnO，MgO作为助剂不同, KOH可与生物柴油生成固态的皂, 且固态皂最终的灰化产物为水溶性磷酸钾, 而非难溶性的磷酸锌或磷酸镁。因此, 可直接对灰化产物用热水溶解, 而无需强酸溶解及后续的pH调节步骤, 从而进一步简化了操作, 提高了方法的效率。

2.3 标准曲线及其检测限

酸性条件下, 磷酸二氢钾与硫酸联氨、钼酸钠在沸水浴中发生反应生成磷钼蓝产物。磷钼蓝产物在650 nm波长下的吸光度与其含量成正比。故可通过已知浓度的磷酸二氢钾得到其相应的吸光度, 绘制标准曲线(图 2)。本文中测得标准曲线的回归方程为y=5.774 0 x-0.007 1, R²为0.999 9。其中：y是650 nm下的吸光度, x为比色管中50 mL溶液中的磷含量(mg)。以扣除空白值后的吸光度为0.01所对应的浓度为检测限, 以3.3倍的检出浓度为定量限^[19], 通过计算得到本方法的检测限为0.37 mg/kg, 定量限为1.22 mg/kg。

2.4 方法的准确度和精密度

为了评估方法的准确度和精密度, 将不同量的磷酸二氢钾标准溶液加入生物柴油中, 配制成高、中、低浓度的样品, 并按本方法分别进行5组平行实验, 其结果见表 2。在高、中、低3种浓度水平下, 回收率在96.3%~105.1%之间, 表明该方法准确度好。RSD均小于2.8 %, 故所建立的方法具有高的精密度。

2.5 方法的比较

对不同原料制得的生物柴油样品分别用本文所建立的方法及ICP-OES法进行测量, 表 3为其测量结果。使用配对t检验, 置信区间在95%, 临界t值为0.088, 自由度为3, 双侧检验P值为0.935。P值大于0.05, 说明两组数据不存在显著性差异, 因此本方法与ICP-OES法检测结果无显著性差异, 均可用于生物柴油中的磷含量检测。

3 结语

本文对生物柴油磷含量检测的样品制备过程进行了改进。通过红外表征, 表明KOH可与生物柴油生成皂。本方法以皂化反应为基础, 将液态生物柴油的灰化转变为固态皂的灰化, 从而克服了液态灰化过程的飞溅、燃烧等安全隐患且提高了方法的准确度、精密度和检测效率。方法的回收率在96.3 % ~ 105.1 %之间, RSD均小于2.8 %, 最低检测限为0.37 mg/kg, 定量限为1.22 mg/kg, 可满足生物柴油中磷含量的日常检测需求。