管式爐燃燒-離子色譜法測定燃料油中硫含量的影響因素分析

摘 ?????要：從試樣狀態、試樣稱量、助燃劑、加熱溫度和加熱速率、吸收液等方面研究了管式爐燃燒過程中影響燃料油燃燒和硫化物轉化吸收的主要因素。探討了離子色譜法測定硫酸根離子過程中試驗用水純度、環境溫度和色譜條件對結果準確性的影響。并提出了不同影響因素的解決方法，保證測量結果的準確性。

關 ?鍵 ?詞：管式爐;離子色譜法;燃料油;硫含量;影響因素

中圖分類號：TE?622.1⁺3???????文獻標識碼：?A ??????文章編號： 1671-0460（2020）03-0749-04

Influence Factors of Determination of Sulfur Content in Fuel Oil

by Tube Furnace Combustion-Ion Chromatography

WANG Shuo^{1，2，3，4}

（1. Liaoning Inspection， Examination & Certification Centre， Liaoning Shenyang 110036， China;

2. Liaoning Inspection Institute of Product Quality Supervision， Liaoning Shenyang 110144， China;

3. National Center of Petroleum Quality Supervision Inspection （Shenyang），?Liaoning Shenyang 110144， China;

4. Liaoning Province Industrial Lubricating Oil Monitoring Engineering Laboratory， Liaoning Shenyang 110144， China）

Abstract： The main factors affecting?complete combustion of fuel oil and full conversion absorption of sulfide in?the pipe furnace?were studied from the aspects of?sample weight and shape， combustion adjuvant， heating temperature，?heating rate and absorption liquid. The influence of the?purity of water， ambient temperature and chromatographic conditions on the accuracy of the determination of sulfur in fuel oil with ion chromatography was investigated. According to the different influence factors， corresponding solutions were put forward to ensure the accuracy and reliability of results.

Key words： ?tube furnace; ?ion chromatography; ?fuel oil; ?sulfur?content; ?influence factor

近些年，霧霾天氣和酸雨出現的頻率不斷增加，人們的環境保護意識也日漸增強，大氣治理壓力驟增。隨著我國環境保護指標與國際標準的接軌，油品升級也在不斷加速，硫含量是車用燃料油中最關鍵的環保指標之一。我國國家標準要求車用汽油和車用柴油產品硫含量指標從不大于50 mg/kg（國IV）下降到不大于10 mg/kg（國V和國VI）。煉油廠為了生產滿足國標要求的柴油產品，通過加氫精制等脫硫工藝生產低硫柴油，國VI升級后的汽柴油產品中硫含量大幅降低。目前車用燃料油中總硫含量的測定方法有燃燈法、管式爐法、微庫侖法（電量法）、X射線熒光光譜法、紫外熒光法^[1]和管式爐燃燒-離子色譜法^[2]等。隨著油品的升級和環保指標的日趨嚴格，燃燈法已基本不再使用。微庫侖法（電量法）、X射線熒光光譜法、紫外熒光法已有文獻做了詳細的總結分析，本文不再詳述。管式爐燃燒-離子色譜法是將經典的管式爐燃燒法和離子色譜法的有效結合^[3-5]。

本文著重介紹用本法測定燃料油中總硫含量的檢測要點和影響因素。管式爐法（GB/T 387-1990（2004））是測定石油產品硫含量的經典方法，將試樣高溫燃燒后用氫氧化鈉滴定生成的硫酸，計算出產品的硫含量^[6]。測定結果準確性受到樣品前處理過程、滴定過程和終點人為判斷等多種因素的影響。管式爐燃燒-離子色譜法是在管式爐法基礎上改良，利用離子色譜法測硫具有檢出限低，重現性好的優勢，代替原管式爐法的滴定法部分，利用離子色譜柱對陰離子的分離分析，還可有效避免其他元素的干擾^[7]，簡單快速，適用于燃料油中的硫含量檢測。具體操作過程如下：精密稱取一定量試樣均勻涂布在預先煅燒過的瓷舟底部，覆蓋煅燒過的細砂吸附試樣。加熱管式爐至適宜溫度，將載樣瓷舟放入石英管中密閉系統，調節氧氣流速，通入氧氣。控制瓷舟行進速度，使瓷舟逐漸移至管式電阻爐中間部分，保證試樣充分燃燒。燃燒后的氣體通入吸收液中吸收試樣中的硫，使轉化成硫酸根離子的形式，用離子色譜測定再換算出試樣中的硫含量。本法對硫化物的分析靈敏度高，檢出限低，重現性良好，回收率符合要求。

以下筆者重點介紹樣品前處理過程和離子色譜分析過程中影響測試結果的因素和提高結果準確度的方法。

1 ?樣品前處理的影響

通過管式爐法對燃料油產品前處理，將試樣中多種形式的硫化物燃燒生成二氧化硫和三氧化硫，燃燒產生的氣體通入吸收液中，三氧化硫轉化成硫酸根離子，在過氧化氫的作用下二氧化硫轉化成三氧化硫，也轉化成硫酸根離子的形式，用離子色譜法測定硫酸根離子含量即可換算出試樣中的硫含量。在前處理過程中，需要注意以下幾個方面的問題。

1.1 ?試樣的狀態和均勻程度

燃料油的性狀差異很大，有液體、黏稠性液體、半固體殘渣等。對于液體狀樣品，通過簡單的攪拌混合即可達到均勻，從而取得具有代表性的樣品來分析檢測。對于半固體和殘渣類樣品，如船用燃料油（渣油型）最好加熱至一定溫度后，通過高剪切設備將其分散均勻再取樣分析，避免出現測試結果的偏離。

1.2 ?試樣稱量

試樣經管式爐充分燃燒轉化是測準硫含量的前提，受管式爐中石英管長度限制，稱樣量過多會因燃燒不充分造成測試結果的偏差，稱樣量過少也會對結果的準確度帶來影響。采用瓷舟承載試樣在管式爐里燃燒，在瓷舟中裝載20 mg及以下的燃料油試樣可充分燃燒，稱樣量范圍在5～20?mg之間為宜。稱量試樣需準確至0.1 mg，即用十萬分之一以上的精密天平以減少稱量誤差。具體樣品的稱樣量可先按照常用稱量量取樣測試一次，再根據試樣中總硫含量的多少來調整。試樣在瓷舟上形狀也會影響到測量結果，過于集中的試樣容易在受熱后集中迅速揮發，造成短期內揮發出的試樣過多而燃燒不充分，造成測試結果偏差。采用氣相色譜的進樣針可將試樣涂布在瓷舟上呈細長條狀，用細砂覆蓋吸附。隨著瓷舟逐漸向管式爐中心區域移動，試樣逐漸加熱，慢慢揮發出來，達到充分燃燒的目的。

1.3 ?助燃劑

原管式爐法設計成試樣在干凈干燥的空氣流中燃燒，為保證試樣與氧氣充分接觸。管式爐燃燒-離子色譜法將通入管式爐的空氣改為氧氣，來輔助試樣充分燃燒。通入的氧氣流量對測定結果有影響，過低的氧氣流量會造成試樣燃燒不充分，測試結果偏低。過高的氧氣流量對試樣的測試結果無顯著影響，但會增加耗材費用。用本法檢測時可通過實驗確定最佳氧氣流量。試樣取樣為15 mg時，開始時隨著氧氣流量的增加，硫的測定值增大，當氧氣流量達到300 mL/min以上時，硫的測定值不再增加，為保證測量結果的準確性，使用氧氣流量應不低于300 mL/min。

1.4 ?加熱溫度和瓷舟行進速度

管式爐的加熱溫度和瓷舟行進速度對硫含量測試結果影響非常顯著，在管式爐中瓷舟在一定速率下移動到管式爐的中心地帶，瓷舟上的試樣溫度逐漸升高，試樣逐漸揮發燃燒，試樣中的硫化物轉化成二氧化硫和三氧化硫被吸收液吸收。在這個加熱過程中樣品中硫化物的轉化程度與加熱溫度和瓷舟行進速度有關。加熱溫度過低，樣品可能會燃燒不完全，硫含量測試結果偏低。瓷舟行進速度過快，試樣過快的移動到管式爐的中心高熱區域，容易引起爆燃而造成試樣瞬時揮發過多，造成測定結果偏低。因此，為了保證測試結果的準確性，管式爐需要有足夠的加熱溫度，瓷舟行進速度也要控制在一定范圍。經過單因素試驗考察^[8]，管式爐的加熱溫度不低于900 ℃，瓷舟行進速度不高于為0.2 cm/min可保證試樣充分燃燒。

1.5 ?吸收液

強酸弱堿鹽呈堿性，吸收液中加入一定濃度的強酸弱堿鹽有利于硫的富集^[3]，常見的強酸弱堿鹽（磷酸鹽、乙酸鹽、醋酸鹽和硅酸鹽）均可提高吸收液對硫的富集吸收。考慮到不能影響硫酸根離子在離子色譜上的分離，選擇磷酸鹽加入吸收液中。1.0 mg/L以上的磷酸鹽可實現硫的良好富集。吸收液中加入過氧化氫作為氧化劑可將燃燒產生的二氧化硫氧化成三氧化硫，在吸收液中轉化為硫酸根離子。吸收液中的過氧化氫應足夠氧化試樣燃燒產生的二氧化硫，過多的過氧化氫會損壞離子色譜柱，依據過氧化氫與二氧化硫的計算公式，綜合考慮以上兩個因素，使用0.15%（v/v）以上的過氧化氫即可將二氧化硫完全氧化成三氧化硫，為保護離子色譜柱，應在此濃度范圍內使用盡可能低的過氧化氫，離子色譜圖上亞硫酸根離子（二氧化硫在水中的存在形式）的色譜峰位置也可體現出氧化反應是否完全。

1.6 ?吸收液體積

試樣在管式爐中燃燒產生的氣體，用吸收液吸收后以離子色譜測定其中的硫酸根離子含量，換算出試樣中的總硫含量。吸收液的體積應足以充分吸收燃燒氣體中的二氧化硫和三氧化硫。隨著環保要求的日益嚴格，燃料油中的硫含量逐漸降低，為了提高試樣測試結果的檢出限，應在可滿足完全吸收試樣中二氧化硫和三氧化硫氣體的前提下，盡可能地減少吸收液的體積。另外，由于試樣燃燒產生的氣體不斷吹入吸收液中，在此過程中吸收液體積會因揮發而改變，為提高測試結果的準確性，在燃燒結束應對吸收液定容。綜合考慮上述因素，結合單因素試驗考察結果，用管式爐燃燒-離子色譜法分析燃料油中的總硫含量，吸收液體積應不低于2 mL，具體體積可根據燃料油中硫含量的高低而確定。在試樣充分燃燒后，可用超純水定容至刻度來提高結果的準確性。

2 ?離子色譜分析的影響

離子色譜（Ion?Chromatography）是高效液相色譜的一種，分離原理是通過流動相和固定相之間的相互作用，使被測試組分在流動相和固定相中重新分配，使各組分通過分離柱到達檢測器時的保留時間有所區別，從而達到分離的目的。離子色譜主要用于常見陰離子和陽離子的分析測試。對陰離子的檢出限低，靈敏度高，可用于微量陰離子成分的定量分析。管式爐燃燒-離子色譜法就是在管式爐法的基礎上，以離子色譜代替原來的滴定法。利用離子色譜的超靈敏識別能力，來實現低硫燃料油中總硫含量的檢測。離子色譜是非常成熟的分析方法，一次進樣可同時分析多種成分，具有分析快速、結果準確的特點。在硫酸根離子的分離和分析過程中，需要注意以下3個方面的問題。

2.1 ?試驗用水

在離子色譜分析中，水是使用量最大的試劑，離子色譜用水的純度是影響離子色譜的一個關鍵因素，使用的水中應盡量去除其中的離子成分，最好使用超純水配制和稀釋試液，避免因水純度不夠帶來干擾。用于配制淋洗液和標準溶液的水，其電阻率應不低于18.2 MQ·cm。制備好的超純水也不宜放置時間過長。空氣中的二氧化碳會逐漸溶入制備好的超純水中，使得超純水的電阻率隨著放置逐漸下降。為了保證超純水的質量，可以定期對超純水的電阻率進行測量，通過監控電阻率來控制離子色譜用水的質量，避免對測量結果造成影響。在進行離子色譜測試時，也可以通過超純水配制的空白吸收液來判別，空白吸收液中應不能檢出硫酸根離子方可使用。

2.2 ?環境溫度

環境溫度可顯著影響離子色譜分析結果^[4]，這是因為在抑制性離子色譜中，溫度發生變化會使得離子色譜柱的固定相質量傳遞特性發生改變，進而影響目標成分的保留。溫度變化會造成離子色譜柱的柱壓變化，輸液泵會由于壓力變化而自動調整流速，這就會造成目標化合物保留時間變化。一般的，溫度升高，目標化合物的保留時間會變小。另外，環境溫度變化也會造成電導響應值的變化。溫度每升高1 ℃，電導響應值會增加約2%左右，進而會造成測定結果的偏離。所以最好對離子色譜的環境溫度進行控制。離子色譜儀應在穩定的室溫下工作，通過控制試驗室環境溫度和使用柱溫箱來保持離子色譜系統的穩定。

2.3 ?離子色譜條件

離子色譜依據目標化合物的峰面積或峰高定量分析，色譜條件的變化會直接影響到目標化合物的峰面積或峰高。在定量分析過程中，色譜條件的變化也會造成樣品測定結果的偏離。如柱溫變化或流速改變都會造成目標化合物峰面積或峰高的變化，進而影響到測試結果。管式爐燃燒-離子色譜法是用管式爐將燃料油燃燒，將其中的化合物轉化成陰離子的形式，再用離子色譜儀檢測。試樣燃燒后在吸收液中以陰離子的形式存在，如碳酸根離子、硫酸根離子、硝酸根離子、氯離子等。通過調整淋洗液的濃度、流速和色譜柱的柱溫使得色譜條件滿足基本要求，即滿足在離子色譜圖中其他陰離子成分對硫酸根離子的測定無干擾^[5]。滿足理論塔板數按硫酸根離子計大于2 000，硫酸根離子色譜峰與相鄰離子的色譜峰間分離度大于1.5。同時應定期標定標準曲線，來提高檢測結果的準確性。

3 ?結 語

管式爐燃燒-離子色譜法是在經典管式爐的基礎上發展起來的。經典的管式爐法是將試樣高溫燃燒后用氫氧化鈉滴定生成的硫酸，計算出產品的硫含量。該法是測定石油產品中硫含量的經典方法^[9，10]，應用廣泛，設備普及程度高。測試范圍可用于檢測總硫含量高于0.1%（m/m）的石油產品。隨著我國環境保護指標與國際標準的接軌，油品升級也在不斷加速，目前國家成品油國VI標準要求硫含量不高于10 mg/kg。管式爐法無法滿足現今石油產品中硫含量的檢測需要。管式爐燃燒-離子色譜法是采用管式爐將燃料油燃燒轉化成無機化合物，以吸收液吸收燃燒產生的氣體，再用對硫酸根離子響應程度高的離子色譜分離分析吸收液中的硫酸根離子含量^[11]，即可換算出燃料油中的測定燃料油中的硫含量。本法的優點是可將燃料油中多種形式的硫化物經燃燒氧化轉化成單一的硫酸根離子的形式，用離子色譜分析定量。方法操作簡單、準確快速、檢出限低，可避免試樣中其他元素會對硫含量的測定結果的干擾。

本法是管式爐法和離子色譜法的結合，離子色譜法成熟可靠，影響測量結果準確性的因素主要集中在樣品前處理過程中，針對管式爐燃燒過程中的各個環節，采取準確、可靠的前處理方法是保證測量結果準確可靠的前提。

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