分光光度法测定生物柴油中的磷含量

陈 斌， 杨 赛， 李 蓉*， 窦泽坤， 张梦瑶， 马晓迅

(西北大学化工学院，陕西西安 710069)

生物柴油中的微量磷可增加大气污染物的排放[1]，因此我国国家标准(GB 20828-2015)[2]新增了磷的限量要求，并将其纳入检验项目。国家标准采用电感耦合等离子体发射光谱法(ICP-OES)[3 - 4]检测生物柴油中的磷含量。该方法高效灵敏，但存在仪器昂贵、检测成本高，溶剂毒性较大、等离子体样品传递不稳定等问题[5]，因此,一些基于经典磷钼蓝反应测定生物柴油中磷含量的方法被发展起来。这些方法均是通过磷酸根与显色剂反应形成蓝色络合物[6 - 8]，依据其吸光度测定生物柴油中的磷含量，而其主要区别为样品的制备过程，即如何将生物柴油中的有机磷转化为无机磷。巫淼鑫等[6]向生物柴油中加入ZnO，再经灰化制备样品；Silveira等[7]与Lim等[8]也是通过灰化制备样品，而加入的助剂是MgO。但上述方法灰化时样品易飞溅、燃烧，存在安全隐患，且灰化产物均不溶于水，需要强酸溶解及碱液的调节以满足磷钼蓝反应条件，整个过程繁琐，其结果亦逊于ICP法[9]。因此，开发一种不依赖于大型仪器，成本较低，操作简单且方法的精密度能满足就地批次检验需求的方法，则更具针对性与现实意义。

本文通过加入助剂KOH和K2SO4与生物柴油进行皂化反应，再对皂采用程序升温的方式灰化，从而将生物柴油的灰化转化为皂的灰化，并与ZnO法、MgO法、标准的ICP法进行比较。同时，对不同助剂的作用作了初步探讨，建立了一种能满足日常检测要求的生物柴油中磷含量的检测方法。

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)；Optima 7000DV型电感耦合等离子体发射光谱仪(美国，珀金埃尔默公司)。

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、盐酸溶液等均参照国家标准(GB/T 5537-2008)[10]配制。所用试剂均为分析纯，所用的水均为二次蒸馏水。

生物柴油的制备[11]：以不同植物油为原料，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。

1.2 实验方法

1.2.1残炭的测定参照国家标准《石油产品残炭测定法(微量法)》(GB/T 17144-1997)[12]测定生物柴油样品不同温度下的残炭量。

1.2.2标准曲线的绘制分别移取0、1、2、4、6、8 mL磷酸盐标准溶液至50 mL的比色管中，再分别加入8 mL硫酸联氨溶液和2 mL钼酸钠溶液，定容至50 mL，摇匀，沸水中反应10 min，冷却至室温后定容至50 mL，650 nm波长处测定溶液的吸光度，绘制浓度与吸光度的标准曲线。

1.2.3样品的制备依次称取生物柴油样品约6.0 g、KOH约1.5 g、K2SO4约0.1 g于坩埚中，温度20 ℃下皂化反应30 min后，将坩埚置于马弗炉内通过程序升温进行灰化。灰化条件为：80 ℃、120 ℃各灰化1 h，250 ℃灰化3 h，300 ℃灰化1 h，最终升温到680 ℃维持2 h。样品灰化后冷却至室温，用沸水溶解、过滤，稀HCl调节溶液pH至弱酸性，定容至50 mL的容量瓶中，待测。

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，分别加入8 mL硫酸联氨溶液和2 mL 钼酸钠溶液，定容至50 mL，摇匀后进行显色反应，反应条件同1.2.2，测量溶液的吸光度，通过标准曲线得到溶液中的磷含量，由公式(1)计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：样品溶液中的磷含量，mg；V1：样品灰化后稀释的体积，mL；V2：比色时所取的被测液体积，mL；m：生物柴油的质量，g。

2 结果与讨论

2.1 不同灰化终温对残炭、磷含量检测的影响

图1 不同温度下对应的残炭及其磷含量Fig.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.

根据钼蓝比色法的测定原理，正磷酸根与显色剂反应生成蓝色的络合物，再依据650 nm处的吸光度测得样品的磷含量。生物柴油中的磷以有机磷形式存在，因此只能通过样品的制备过程将有机磷转化为无机磷酸根，而生物柴油的灰化即为上述的转化过程。显然，灰化是否彻底将对钼蓝比色法测定的结果产生直接影响。本文以加入助剂KOH的生物柴油灰化后的残炭量为样品灰化程度的指标，评价不同灰化终温对灰化程度、磷含量检测的影响，为程序升温灰化制备样品提供依据，实验结果见图1。温度在550～680 ℃范围内，随着灰化终温提高，残渣的颜色由炭黑色渐变至白色，残炭量降低而所测磷含量提高，这表明灰化终温低于680 ℃不能将生物柴油完全灰化，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。而终温700 ℃时，尽管残炭的含量最低，但后续测定过程出现浑浊现象，对磷含量的测定有干扰，因此最终确定生物柴油的灰化终温为680 ℃。

2.2 不同助剂对样品灰化及检测的影响

文献报道的方法[6 - 8]是在生物柴油的灰化过程中加入ZnO或MgO作为助剂，但未对助剂作用进行讨论。本文向生物柴油样品中分别加入KOH、KOH与K2SO4、ZnO、MgO，考察助剂对生物柴油灰化过程以及磷含量检测的影响。以未加助剂的生物柴油样品为空白，两组空白试验参照Silveir等[7]的方法，灰化终温分别设定为550 ℃、680 ℃，加入MgO的样品采用Silveir等[7]的方法，加入ZnO的样品采用巫淼鑫等[6]的方法，同时与ICP法[4]进行比较。每组试验做5个平行样，结果如表1所示。

表1 不同方法测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，助剂及助剂的种类对样品的灰化程度与磷的检测有重要的影响。首先，助剂对磷含量的检测必不可少，550 ℃、680 ℃两个灰化终温下的空白试验所测磷含量低至可以忽略，而加入助剂所测得的磷含量为空白的10～20倍，对磷都具有“捕获”的作用，分别生成了难溶性的磷酸锌、磷酸镁和可溶性的磷酸钾。其次，ZnO法的磷含量检测结果仅为3.37 mg/kg，而精密度(RSD)高达9.13%，MgO法的结果略好但仍与国标的ICP法偏差较大，这两种方法都难以满足生物柴油中磷含量检测的要求，只有助剂为KOH时其检测结果与国标法有可比性。最后，由灰化过程所观察到的现象及残炭量可以看出不同助剂的作用机理不同。终温为550 ℃的空白组采用与MgO法相同的灰化程序，灰化产物为灰色而MgO法为白色，且残炭量为4.41%，明显多于MgO法的0.30%，可见MgO促进了灰化的进行，这应与ZnO、MgO可催化有机物的快速热解有关[13 - 15]，因此添加MgO或ZnO后，生物柴油样品在550 ℃即可充分灰化，但因液态的生物柴油加入催化剂后热解剧烈，易产生样品的飞溅、燃烧，存在较大安全隐患。而加入KOH后生物柴油在常温下即可转变为粘稠的半固体状，灰化终温需680 ℃才可充分灰化，推测是生成了热分解温度更高的皂[16 - 17]。因此与加入ZnO或MgO催化生物柴油的灰化不同，加入KOH后将生物柴油的灰化过程转化为皂的灰化过程。固态皂的形成一方面克服了液态生物柴油样品的飞溅、燃烧等安全隐患，提高了方法的精准度。另一方面，皂的热稳定性更佳，可采用更快的升温速率和更高的灰化温度，整体灰化时间较文献方法[7 - 8]反而缩短了2 h。此外，KOH法的灰化产物为易溶性磷酸钾盐，无需ZnO和MgO法的强酸溶解及后续的pH调节步骤，进一步简化了操作，提高了方法的效率。

为了促进皂化反应的进行，利用K2SO4的正盐效应可加速皂化反应的机理[18]，向样品中加入适量的K2SO4加速生物柴油向皂的转化过程。该方案测得磷含量与KOH法相当，但精密度优于KOH法与国标的ICP法，因此选择KOH加K2SO4作为生物柴油样品制备的助剂。

2.3 标准曲线及线性范围

酸性条件下，KH2PO4与钼酸钠、硫酸联氨在100 ℃下发生反应生成磷钼蓝产物。磷钼蓝产物的量与650 nm波长下的吸光度成正比。通过已知浓度的无机磷得到其相应的吸光度，绘制标准曲线。本文中标准曲线的公式为:y=5.7740x-0.0071(R2为0.9999)。y是650 nm下的吸光度，x为溶液中磷含量(mg)。分光光度法中，以吸光度为0.01相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，线性范围为1.22～16.67 mg/kg。

2.4 方法的精密度

为评估本方法的精密度，准备5份相同的生物柴油样品，测定生物柴油样品中的磷含量，结果见表2。生物柴油中的磷含量为8.37 mg/kg，RSD为3.01%，故所建立方法的精密度较高。

表2 精密度实验结果(n=5)Table 2 Results of precision test(n=5)

2.5 方法的回收率

为评估方法的准确度，向生物柴油中加入不同量的磷酸盐标准溶液，配制成高、中、低浓度的加标样品，按所建立的方法进行5次平行测定，其结果见表3。高、中、低三种加标浓度下本方法的回收率在96.04%～105.61%之间，相对应的RSD分别为1.42%、3.34%、4.70%。Avila[9]采用ICP法测得的回收率在95%～106%之间，两种方法的回收率相当，表明该方法的准确性可满足生物柴油中磷含量检测的要求。

表3 回收率实验结果(n=5)Table 3 Results of recovery test(n=5)

2.6 实际样品的检测

对不同原料制得的生物柴油样品，分别利用本文所建立的方法及ICP法[4]进行测定，表4为其测定结果。使用配对t检验，在置信区间为95%时，自由度为3，临界t值为0.088，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。表明本方法与ICP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。

表4 不同原料的生物柴油磷含量测量结果(n=5)Table 4 Phosphorus contents in biodiesel from different feedstocks(n=5)

3 结论

本文对生物柴油磷含量检测的样品制备过程进行了改进。通过灰化终温与残炭、磷含量的关系确定了最优灰化条件，建立了一种生物柴油中磷含量的检测方法，方法的精密度为3.01%，回收率在96.04%～105.61%之间，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。并对不同助剂在灰化中的机理进行了探讨，助剂MgO、ZnO及KOH均对磷都具有“捕获”的作用，但MgO、ZnO在生物柴油的灰化中起催化作用，KOH与生物柴油发生皂化反应，K2SO4加速皂化反应的进行，皂的生成克服了样品前处理中液态生物柴油的飞溅、燃烧等安全隐患，提高了方法的效率和精准度。

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