折光率测定尿素水溶液中尿素含量的方法研究

白亚昊，夏攀登，邹惠玲，赵伟梦，连 露

(山东省产品质量检验研究院，山东 济南 250100)

尿素水溶液(又称车用尿素、柴油发动机尾气处理液)是用不含其他任何添加物的高纯尿素和纯水一起配制的高纯度透明溶液，有淡淡的氨水气味，该溶液中尿素含量目标值为32.5%(质量分数)。用于还原柴油发动机车辆燃烧后尾气中的氮氧化合物，使其转换成无害的水蒸汽和氮气。能减少柴油车尾气中90%的氮氧化物和80%的颗粒物，并且优化发动机性能和燃料消耗，减少柴油消耗可高达6%，显著降低成本。

目前，GB 29518-2013《柴油发动机氮氧化物还原剂 尿素水溶液(AUS 32)》[1]规定的尿素含量的测定方法为燃烧定氮法，该方法操作繁琐，检测时间较长，对仪器要求过高。通常测定尿素含量的方法还有蒸馏后滴定法[2]、对二甲氨基苯甲醛(PDAB)比色法[3]和H2SO4消化比色法[4]等，这3种方法是间接测定溶液中尿素含量的方法，无法直接测定且样品前处理耗时费事。

折光率仪是基于光的全反射原理而制成的，由于光在两种不同介质中的传播速度不同，所以当光线从光密介质进入光疏介质时，入射角小于折射角，当改变入射角是其为90°时，称之为全反射，通过测量入射角即可求出被测物质的折光率。据文献报道[5-14]，温度恒定时，折光率与溶液中有机物质的含量呈线性正相关。而尿素在常温常压下是稳定的有机分子，所以尿素水溶液中的尿素含量与折光率呈正相关。本实验建立了利用折光率测定尿素水溶液中尿素含量的方法，旨在为尿素水溶液的生产、应用过程中质量控制提供更简便、准确、快速的测定方法。

1 仪器与试药

A670全自动折光仪(济南海能仪器股份有限公司)；D100杜马斯定氮仪(济南海能仪器股份有限公司)；BSA224S电子天平(赛多利斯科学仪器有限公司)；尿素(天津市科密欧化学试剂有限公司)。

2 方法与结果

2.1 溶液的配制

在50 mL量瓶中按表1中比例加入尿素和GB/T 6682-2008[15]中规定的三级水，摇匀使尿素完全溶解。当尿素含量超过50%时，尿素晶体开始从溶液中析出。

表1 溶液配制比例

2.2 尿素水溶液中尿素含量与折光率的相关性分析

对配制的尿素水溶液进行折光率的测定，将折光率仪调节至20℃，用蒸馏水校正后开始测定样品。每测定一次样品溶液后使用清洗液(无水乙醇、乙醚或其混合液)清洗，并擦拭干净，以免影响下次测定。每个溶液测定3次，取平均值，测定结果见表2。

表2 尿素水溶液折光率的测定结果

对测定结果采用Origin8.0软件进行拟合：

由图1可以看出，20℃条件下，尿素水溶液的折光率随尿素含量的增加而增大，且两者间呈强相关性，相关性线性关系式为y=648.72x-864.55，相关系数r=0.99978。可见在20℃条件下，通过测定折光率即可准确的判断尿素水溶液中尿素含量。

图1 尿素含量与折光率的关系曲线

2.3 折光率测尿素含量的回收试验

准确称量不同质量的尿素(精确至0.0001 g)若干份，溶解后加水至100 g，在20℃下测定其折光率，根据上述线性关系式可计算出尿素含量，按照下式可计算该方法的回收率：

回收率=c/m×100%

式中：c为折光率测定的尿素含量(质量分数)/%，m为称量尿素的质量(g)。

从表3可以看出，在曲线范围内测定配制的各种浓度的尿素水溶液的折光率计算尿素含量的回收率在99%～101%之间，相对误差在0.3%以内。当尿素水溶液中尿素含量较高时，回收率更高，相对误差更小。车用尿素水溶液的尿素含量在32.5%左右，因此利用折光率测定尿素水溶液中的尿素含量可以获得满意的回收率，有极高的可信度。

表3 折光率测定尿素含量与理论值的比较

2.4 折光率法与燃烧定氮法测定结果的比较

对尿素水溶液分别采用GB 29518-2013中规定的燃烧定氮法和折光率法测定其尿素含量，测定结果见表4。

表4 燃烧定氮法与折光率法测定尿素含量结果的比较

对两种方法的测定结果进行分析，折光率法与燃烧定氮法测定结果呈强线性正相关，相关系数r=0.99024，标准方差为0.04342，配对t检验(t=31.62>t0.01(9)=3.205)发现，P值大于0.01，说明折光率法与燃烧定氮法没有统计学上的差异。由此可见，折光率法测尿素水溶液中尿素含量有极高的准确度，可以代替燃烧定氮法用于尿素含量的测定。

3 结论

(1)在恒定20℃条件下，尿素水溶液中尿素的含量与其折光率呈强线性正相关，线性关系式为y=648.72x-864.55。

(2)尿素含量在0～50%时，利用折光率测定尿素含量与传统的燃烧定氮法无统计学差异。

(3)折光率法所测尿素含量的结果准确度高、回收率高、误差小、操作简便、不需要大型仪器设备和任何其他化学试剂，可用于尿素水溶液生产企业中尿素含量的质量控制检验，也可作为检测机构测定尿素含量的快速检测方法。