摘　要:生物柴油可作为石化柴油的替代燃料,对其检测及质量的评定是一项非常重要的任务。目前,常用的方法包括色谱法和光谱法,对各类方法及其优缺点进行了论述。

关键词:生物柴油;分析技术;色谱法;光谱法

中图分类号:TE 626. 24 　文献标识码:A 　文章编号:1007 - 7561(2006) 04 - 64 - 03

Assessment of methods used in biodiesel

LI Hai2tao ,XIE Wen2lei ,GUO Wei ,WANG Hui

(Henan Uiversity of Technology , Zhengzhou 　450052)

Abstract :Biodiesel , an alternative diesel fuel derived from vegetable oils , animal fats or waste vegetable oils ,is obtained by transesterification with methanol in the presence of catalysts to give corresponding mono2alkyl es2 ters. It is important to monitor the progress of the transesterification reaction or give an assessment of the quali2 ty of the product . At present , there are two major categaries , which including chromatographic and spectro2 scopic methods. This article gives some comments on various methods in different categories , including advan2 tages and disadvantages.

Key words :biodiesel ;analytical technology ;chromatographic method ;spectroscopic method

　生物柴油作为气压式内燃机燃料的替代能源有很大的潜力,可以直接应用于现有的柴油发动机,并且不需要对内燃机结构作任何改进。同时,与石化柴油相比,生物柴油是一种可再生的生物质能源,具有闪点较高,十六烷值高,润滑性能良好,对环境友好等优点,但是昂贵的价格是阻碍生物柴油商业化的最大壁垒。

生物柴油的主要原料是植物油,如大豆油、菜子油及一些热带国家地区的棕榈油和椰子油。然而,近年来,使用动物油尤其是回收的油脂及用过的植物油,作为生物柴油的原料引起了研究者的极大关注〔1～3〕。无论以什么油脂为原料,酯交换法是生产生物柴油的主要方法。和纯油相比,酯交换得到的脂肪酸甲酯不会产生诸如发动机沉积、堵塞等〔4〕操作问题。

在酯交换反应过程中,会形成甘一酯、甘二酯等中间产物,并且会少量残留在最终的产品(脂肪酸甲酯) 中,另外,未反应的甘三酯、甘油、游离脂肪酸、残留的甲醇及催化剂都会污染最终的产品。因此,美国制定了ASTM 标准。澳大利亚、法国、德国、意大利等一些欧洲国家也都制定了标准,以限制生物柴油中污染物的残留量。在这些标准中,对各个污染物的量都作了限定,如以游离甘油和总甘油量来限制甘油和甘油酯的量;以闪点来限定残留的甲醇;以酸价来控制游离脂肪酸;以灰分来限定残存的催化剂。Mittelbach〔5～6〕对生物柴油标准中的各个质量参数作了详细的论述。因此,对生物柴油质量的控制是影响其燃料商业化非常重要的问题。保持高质量的燃料品质而没有操作问题是市场接受生物柴油的先决条件。对生物柴油的分析和检测也就成了目前的主题。

一般来说,对生物柴油的分析主要包括色谱法和光谱法及以其物理性能为基础的其它方法。在此对不同种类的方法作以分析和评价。

1 　色谱法

将GC 和HPLC 及它们的联用用于分析生物柴油都已经有报道。将凝胶渗透色谱(GPC) 作为分析酯交换产物的方法也已有报道。到目前为止,大部分的色谱分析法都应用于甲酯及乙酯、异丙酯等低级酯类的分析。为了能够准确分析一些高级酯类,在此所讨论的方法都要作必要的调整。1986 年,Freedman 等〔7〕人首先报道了用GC 法分析大豆油的甲酯及丁酯。很明显,在分析大豆油丁酯时未能将所有的组分都分开,但是能将各个成分的种类分开。1997 年, Foglia 和Jones〔8〕将HPLC 用于大豆油和牛油的乙酯、异丙酯、2 - 丁酯和异丁酯的分析。1984 年,Freedman 等〔9〕首先采用TLC/ FID 来分析酯交换反应。1994 年Cvengros 和Cvengrosová〔10〕将TLC/ FID 测定的甘油含量与GC 测定的酰基转化率进行对比时发现,当甲酯的转化率大于96 %时,甘油的含量小于0. 25 %(质量比) 。虽然TLC/ FID 方法易学好用,但由于它也存在着精确度较低、对湿气敏感和仪器价格昂贵等缺点而逐渐被取代。

1. 1 　气相色谱法

由于气相色谱法在对微量成分进行定量时有较高的精确度,现已广泛用于生物柴油的分析。但是,值得注意的是,检测时基线的漂移、信号的重叠等因素也会影响GC 分析的精确性。Freedman 等〔8〕首先报道了用毛细管气相色谱对甲酯、甘一酯、甘二酯及甘三酯进行定量分析。先将样品用双(三甲基硅烷基) 三氟乙酰胺(BSTFA) 处理,以获得与羟基基团相应的四甲基硅烷(TMS) 衍生物。现在该衍生法已经被用于GC 法分析生物柴油。将物质衍生为TMS 衍生物非常重要,因为它可以提高羟基化物质的色谱特性,并且在与质谱联用时,便于对其质谱图进行解析。Freedman 用的是短的(1. 8m) 熔融石英(100 %的聚二甲基硅氧烷) 毛细管柱,其它研究者采用的是涂有0. 15μm 厚的(5 %苯代聚二甲基硅氧烷) 膜的毛细管柱(10～15m) 。Cvengrosová〔11〕将菜子油甲酯在以FID 为检测器的GC(1. 8m ×4mm i . d) 上分析。

另外,仅有Mittelbach〔12～13〕对其进行了论述,虽然质谱检测器能够排除一切含糊的成分,但是由于MS 检测器价格昂贵阻碍了其在商业中的应用。目前,对生物柴油采用GC 法的报道大都以FID 为检测器。非甘油物质在生物柴油的存在也已经用GC 来分析。因此, Plank 和Lorbeer〔14〕对生物柴油中固醇和醇酯进行了检测,和其它与GC 相关的研究一样,采用的是FID 检测器,尽管在这种情况下用MS 检测器更好。这篇对固醇检测的报道和另外一篇〔15〕实际上是同一个作者。两者的不同仅在于固醇标准和对GC 升温程序作以稍稍的调整,使得固醇的峰在浓缩的情况下或与其它种类的相互重叠的峰得以展开。将样品用加有1 % 三甲基氯硅烷BSTFA 进行衍生化反应,在涂有0. 1um 厚度的5 %苯代聚二甲基硅氧烷膜的毛细管柱上分析,得到菜籽油甲酯中固醇的浓度范围为0. 339 %～0. 500 % ,固醇酯的为0. 588 %～0. 722 %。另外一篇〔14〕对菜籽油甲酯中固醇的含量报道是0. 70 %～0. 81 %。还有一些作者〔15〕也指出在生物柴油中存在固醇和固醇酯,但是并没有给出具体的数据。

1. 2 　高效液相色谱法

HPLC 与GC 相比其优点是节省时间和衍生化试剂,减少分析时间。然而,将HPLC 用于分析生物柴油的报道却比GC 少的多。首先对HPLC 进行报道的是Trathnigg 和Mittelbach〔16〕,他们采用恒溶剂成分体系,在氰基改性的石英柱上(配有两个带密度检测的凝胶渗透色谱柱) 分析生物柴油。该系统可以检测甘一酯,甘二酯,甘三酯及甲酯组分的种类。该系统对酯交换反应转化程度进行定量非常有用。1996 年,Lozano〔17〕等采用带有脉冲电流检测器的HPLC 对植物油甲酯中游离甘油进行了检测。该检测方法最大的优点是灵敏度高,并可以同时检测

残留的醇量。Foglia 和Jones〔8〕对酶催化酯交换反应的混合物,在采用蒸发光闪射检测器( ELSD) 的HPLC 上进行分析,该方法能够对甲酯、游离脂肪酸及各种类的甘油酯进行定量。它采用含有正己烷和甲基叔丁基醚(各含有0. 4 %的乙酸) 的梯度洗脱溶剂体系。可以用于比甲酯更高级的酯的检测。Holcapek 等〔18〕采用不同的检测方法使用反相HPLC进一步研究:205nm 紫外检测、蒸发光散射检测和大气压化学电离- 质谱(APCI - MS) 。采用两种梯度洗脱系统: ①甲醇(A) 2 - 丙醇:正己烷(B) =5 :4 ,从100 %的A 到A :B = 50 :50 的非水溶液反相洗脱溶剂系统. ②水(A) 乙腈(B) 2 - 丙醇:正己烷(B) = 5 :4 (C) ,进行线性梯度洗脱(0min 时A :B =30 :70 ,10min 时B = 100 % ,20min 时B :C = 50 :50 ,最后B :C = 50 :50 持续5min) 。第一种溶剂体系,发展成为通过比较甲酯和甘三酯的峰面积,对菜籽油与甲醇酯交换的产物进行快速定量。每种测定方法对各个甘三酯的灵敏度和线性度不同。随着脂肪酸甲酯双键数量的增加,APCI - MS 和ELSD 的灵敏度下降,并且UV 不能对饱和的进行定量。APCI - MS 或许是分析菜籽油和生物柴油的最适合的测定方法。

1. 3 　凝胶渗透色谱法

2000 年,Darnoko 等〔19〕采用GPC 对酯交换产品的分析进行了报道。以四氢呋喃为流动相,采用折光率检测器对甲酯、甘一酯、甘二酯、甘三酯及甘油进行了分析。对该方法进行适当的调整,采用相应的内标,可以用于分析棕榈油。重现性比较好,不同转化率的标准偏差为0. 27 %～3. 87 %。

1. 4 　气液色谱联用法

采用LC - GC 的联用技术分析生物柴油已经有报道。两种分离方法的联用的目的是为了减少气相色谱的复杂性以获得更可靠的峰面积。在对生物柴油与石化柴油混合物的分析研究中, 采用硅胶萃取(Sep - Pak) 色谱柱以正己烷/ 乙醚为溶剂,从石化柴油中分离生物柴油。1997 年,Lechner〔20〕采用一套完全自动化的LC- GC 设备,对植物油甲酯中的酰基甘油进行了测定。先将羟基乙酰化,然后将甲酯和酰基甘油用LC预处理。LC 采用的溶剂体系是正己烷/ 二氯甲烷/乙腈= 79. 97 :20 :0. 05 ,GC 采用FID 检测器, 在10m长的涂有5 %苯代聚二甲基硅氧烷膜检测需要52min。LC - GC 也可以用于分析菜籽油甲酯中固醇的含量〔21～22〕。Plank 和Lorbeer〔22〕用LC - GC 对五种不同的甲酯(菜籽油甲酯、大豆油甲酯、葵花籽油甲酯、高油葵花籽油和使用过的煎炸油) 中固醇含量进行了分析。在分析以前要用MSTFA 对固醇进行硅烷化。以正己烷/ 二氯甲烷/ 乙腈= 9. 9 :20 :0. 1 为溶剂体系采用LC 将甲酯与固醇分开。以FID 为检测器,在12m 长的(5 %苯代聚二甲基硅氧烷) 柱子上分析五个样品的游离固醇的浓度范围是0. 20 %～0. 35 % ( 质量比) , 而固醇酯的含量的范围是0. 15 %～0. 73 %(质量比) 。大豆油甲酯的在最后,分别是0. 20 %(质量比) 和0. 15 %(质量比) ,菜籽油甲酯的最高,分别为0. 33 %和0. 73 %。将先皂化分离固醇部分,再用GC 分析的方法与用LC - GC 联用的方法分析菜籽油甲酯作以比较,虽然LC - GC 需要复杂的分析仪器,但由于它分析时间较短有很好的再现性并且可以获得较多的信息,我们还是建议用LC - GC 来分析。菜籽油甲酯中固醇的总含量为0. 70 %～0. 81 %(质量比) 。

2 　光谱法

将光谱法用于分析生物柴油或检测酯交换反应

已有报道。这些方法是1H - NMR 和13C - NMR 光谱及近红外光谱法。

2. 1 　核磁共振光谱法

1995 年, Gelbard 等〔23〕首先报道了将1H - NMR用于测定酯交换反应的产率。1999 年,Dimmig 等〔24〕以d6 - 苯用13C - NMR 对菜籽油与甲醇的酯交换反应的转化率及反应动力学进行了研究。用未受到酯交换反应影响的14. 5ppm附近末端甲基的信号作为标准进行定量。产品甲酯的信号出现在51ppm 附近,甘一酯、甘二酯及甘三酯的碳原子信号出现在62 - 71ppm附近。对后面峰的范围分析,可以确定酯交换反应的动力学,表明有甘三酯形成部分酰基甘油比较慢,是反应的决定步骤。

2. 2 　近红外NIR 光谱法

最近〔25〕,近红外光谱法被用于检测酯交换反应中。对原料转化为甲酯产品的定量的基础是这些组分的近红外光谱的不同。甲酯峰出现在6005cm- 1和4425 - 4430cm- 1 ,而甘三酯仅仅显示肩峰。采用同样的方法也可以区别乙酯。使用定量软件,可以对甘三酯转化为甲酯进行定量。6005cm- 1的吸收比4425cm- 1给出的结果好。在中范围甘三酯和脂肪酸甲酯的红外光谱几乎一样,很难区分。很明显,乙酯或更高级的酯采用同样的方法也可以与甘三酯区别,但是还没有文献报道。采用NIR 不能够对生物柴油中含量很低的杂质进行定量。NIR 方法在区别甘三酯和甲酯时,其精确度的范围是1 %～1. 5 %。第一篇〔25〕采用模拟体系使用NIR 对酯交换反应的监测进行了描述,为了发展成一种定量的方法,第二篇〔26〕报道采用该方法在6L 的规模上研究酯交换反应。这里,光谱的获得不但采用NIR ,也采用了1H - NMR 和NIR。两种方法所得谱图的结果,可以通过简单的等式进行较好的关联。并采用两种不同的NMR 定量方法,其一是使用甲酯的质子(峰在3. 6ppm) 和临近甘油基的亚甲基的质子(a - CH2 ,2. 3 ppm) 。第二种方法使用的是甲酯的质子和甘三酯的甘油基的质子(4. 1 ～4. 3ppm的峰) 。

3 　其它方法

3. 1 　粘度法

植物油中甘三酯和采用酯交换得到相应的甲酯的组成的粘度有明显的不同〔27～28〕。例如,大豆油的粘度是32. 6mm2/ s (38 ℃) ,大豆油甲酯的粘度是4. 41mm2/ s (40 ℃) 。植物油的高粘度是导致诸如发动机沉积等操作问题的主要原因。也是大量使用单酯而不使用纯植物油作为石油替代品的原因。粘度的不同是形成该方法的基础,粘性被用来测定植物油转化为甲酯的转化率〔29〕。在20 ℃和37. 8 ℃时测定的粘度与GC 法测定的很一致。由于粘度法测定速度较快,尤其是在20 ℃,比较适合快速测定反应进程。密度的测定也得到了类似的结果。

3. 2 　滴定法

1997 年,Komers〔30〕描述了滴定法测定生物柴油的中和数。在同一度量下测定强酸和游离脂肪酸发展成了两种方法。一种是使用电位分析法,另一种是使用两种酸碱指示剂(中性红,酚酞) 。电位分析法比双指示剂法可靠。

3. 3 　酶法

1991 年,Bailer 和de Hueber〔31〕采用酶法分析生物柴油中甘油的量,来描述酯交换反应的完成程度。采用固相萃取分离反应混合物,然后进行酶法分析。起初认为该法是分析测定甘油一个简单的方法,但其涉及到重现性和复杂性等问题。

4 　总结和展望

目前,对燃料质量评价和生物柴油产品检测已经有许多方法。其中,研究最透彻的是GC。由于GC 能够检测生物柴油中低含量的杂质,所以也是用来证实生物柴油是否达到其规定标准的方法。基于物理性质的方法研究的很少,是以后进一步研究的领域。然而,没有任何一种方法能够同时满足在最短的时间同时测定所有的微量杂质。因此,为了检测产品可能采用一个能够用于常规分析的快速易操作的方法(如NIR 法或粘度法) 。例如,如果NIR(或粘度) 的测定显示酯交换反应正在进行和生物柴油的NIR 光谱(或粘度) 与达到已知的标准一致,那么就没必要进行复杂的分析。只有NIR (或粘度法)分析显示产品中存在问题,才需对其进行较复杂的分析(如GC) , 进一步确定问题存在的原因。另外,对生物柴油与传统的石化柴油混合的定量也是今后研究的方向。