有效碳數法在芳烴氣相色譜分析中的應用

張育紅，王 川，彭振磊

（中國石化 上海石油化工研究院，上海 201208）

分析測試

有效碳數法在芳烴氣相色譜分析中的應用

張育紅，王 川，彭振磊

（中國石化 上海石油化工研究院，上海 201208）

建立了利用有效碳數校正因子和歸一化法定量的氣相色譜分析芳烴的方法（有效碳數法）。通過對混合二甲苯標樣的分析，考察有效碳數法的準確性和重復性。實驗結果表明，混合二甲苯標樣中各組分的回收率為99.8%～108.7%，相對標準偏差小于5.5%，最低檢測限為7.0～10.0 mg/kg；采用有效碳數法對對二甲苯、甲苯、混合二甲苯3種芳烴實際試樣進行定量分析，其結果與由外標法得到的基本一致。有效碳數法具有快速、簡便和分析成本低的特點，可用于對二甲苯、甲苯、混合二甲苯等芳烴產品及相關物料的質量監控。

氣相色譜；有效碳數法；芳烴分析；二甲苯

芳烴為石油化學工業重要的基礎原料，其中苯、甲苯和二甲苯（BTX）為最重要的芳烴產品，其衍生物主要用于生產聚酯、化纖、橡膠和塑料等［1-2］。近年來，國內外的芳烴產量和需求量均呈現持續增長［3］。

芳烴中的雜質對芳烴產品的質量影響較大，須嚴格控制。通常采用氣相色譜法分析芳烴，主要定量方法為內標法和外標法［4-8］。歸一化法定量近年來也被引入國內芳烴產品分析的標準中［9-10］，并用于混合芳烴、C8芳烴原料和產物組成的測定［11-12］。張育紅等［13］采用歸一化法對對二甲苯、混合二甲苯和甲苯等芳烴產品的組成進行定量，對有效碳數校正因子在芳烴分析中的應用進行了初步探討。

“單環芳烴中微量雜質測定的標準試驗方法-氣相色譜和有效碳數法”是美國材料與測試協會（ASTM）近年頒布的一項芳烴分析標準（ASTM D7504）［14］，適用于苯、甲苯、對二甲苯、混和二甲苯、乙苯、鄰二甲苯、苯乙烯等7種單環芳烴的分析，根據有效碳數計算校正因子和歸一化法進行定量。與氣相色譜分析芳烴常用的外標或內標定量方法相比，基于有效碳數校正因子的歸一化法的定量方法（有效碳數法）無需實驗測定校正因子，試劑消耗少，分析更為便捷。目前有效碳數法在國外已被用于芳烴產品的分析，但在國內應用的較少［15］。

本工作建立了有效碳數法定量分析芳烴的方法，考察有效碳數法的準確性和重復性，并與外標法測定結果進行比較，對有效碳數法使用中存在的問題提出解決措施。

1 實驗部分

1.1 試劑

n-壬烷、n-庚烷、苯、甲苯、乙苯、對二甲苯、間二甲苯、異丙苯、鄰二甲苯、對二乙苯、1，4-二氧雜環己烷：色譜純，中國醫藥集團化學試劑有限公司；對二甲苯，混合二甲苯和甲苯的實際生產試樣由國內石化企業提供。

混合二甲苯標樣：由國外某公司提供，用于精密度和回收率實驗。

高純對二甲苯，純度大于99.999%（w），由對二甲苯試劑采用重結晶［16］純化方法得到。

對二甲苯混合標樣的配制［16］：以高純對二甲苯為本底，用稱量法配制含有n-壬烷、苯、甲苯、乙苯、間二甲苯、異丙苯、鄰二甲苯和對二乙苯雜質組分的混合標樣。此標樣用于校正因子的測定（芳烴實際試樣的分析-外標法）。

1.2 氣相色譜條件

采用Agilent公司 7890型氣相色譜儀（配FID和自動進樣器）。色譜條件為：DM-WAX色譜柱（60 m×0.32 mm×0.25 μm），載氣（He）線速度20 cm/ s （145 ℃），進樣口氣化溫度270 ℃；初始柱溫60℃，保持10 min，以5 ℃/min的速率升溫至150 ℃，保持10 min；檢測器溫度300 ℃；進樣量0.6 μL，分流比100∶1。

1.3 定量方法

將待測芳烴試樣注入氣相色譜儀，根據各組分的峰面積，采用歸一化法按式（1）計算各組分的含量：

式中，wi為組分i的質量分數；Ai為組分i的峰面積；fi為組分i的有效碳數校正因子。

2 結果和討論

2.1 氣相色譜條件的選擇

在芳烴產品組成分析的前期研究工作中［13］，進行了色譜柱類型和色譜條件的選擇（如柱溫、載氣類型和進樣量等）等工作，確定了優化的氣相色譜條件，見1.2 節。該氣相色譜條件可滿足苯、甲苯、對二甲苯、混和二甲苯、乙苯、鄰二甲苯、苯乙烯等7種芳烴產品的分離和檢測要求?；旌隙妆綐藰拥臍庀嗌V圖見圖1。由圖1可見，各雜質組分在DM-WAX毛細管柱上均得到較好的分離。

圖1 混合二甲苯標樣的氣相色譜圖Fig.1 Gas chromatogram of a mixed xylene standard sample. PDEB：p-diethylbenzene.

式中，7.00為正庚烷分子中的總有效碳數；Mi為待測組分i的相對分子質量；NCi為待測組分i的分子中的總有效碳數；100為正庚烷的相對分子質量。

根據文獻［17］報道的有效碳數計算方法及式（2），得到芳烴中常見組分相對于正庚烷的有效碳數校正因子（見表1）。為了驗證表1中有效碳數相對校正因子的可靠性，根據前期研究工作［13］對已知濃度的對二甲苯混合標樣測定，得到各組分相對于正庚烷的校正因子（見表1）。由表1可見，對二甲苯中各組分的實測校正因子與計算得到的有效碳數校正因子基本一致。

本實驗室曾單獨配制1，4-二氧雜環己烷質量濃度為 8.2 mg/kg 的高純甲苯溶液，按1.2節氣相色譜條件進行分析，得到該組分相對于正庚烷的校正

2.2 有效碳數校正因子可靠性的驗證

在氣相色譜的定量分析中通常用純物質測定待測組分的校正因子。對于FID檢測器，也可以根據有效碳數近似響應規律［17］，通過理論計算的方法獲得組分在FID上的相對質量校正因子（即有效碳數校正因子）fi，其計算式可表述為：因子為3.298 6，由有效碳數計算得到的校正因子為3.080 0，相對偏差為6.4%，表明實測值與計算值吻合較好。

以上結果表明，應用有效碳數校正因子對芳烴組分進行定量是可行的。在實際應用中，如果試樣中還存在其他雜質組分，也可以按照文獻［17-19］報道的方法計算該組分的有效碳數校正因子。

2.3 精密度和回收率實驗

采用混合二甲苯標樣，連續重復測定5次，考察方法定量結果的準確性和重復性，實驗結果見表2。由表2可見，混合二甲苯標樣中各組分的回收率在99.8%～108.7%之間，標樣測定值的相對標準偏差小于5.5%，表明采用有效碳數校正因子的定量方法準確性和重復性良好，滿足氣相色譜定量分析的需要。

為考察方法檢測限，對各雜質組分質量濃度約為20 mg/kg的對二甲苯混合標樣（不含間二甲苯）進行測定，以氣相色譜峰高等于3倍基線噪聲為標準，計算各雜質最低檢測限在7.0～10.0 mg/kg的范圍內。

表1 芳烴中各組分的有效碳數校正因子與實測校正因子（相對正庚烷）Table 1 Effective carbon number（ECN） correction factors and measured correction factors of components in aromatic hydrocarbons （relative to n-heptane）

表2 混合二甲苯標樣的精密度和回收率實驗結果Table 2 Precisions and recoveries of mixed xylene standard sample

2.4 芳烴實際試樣的分析及定量方法的比較

取芳烴生產中的對二甲苯、混合二甲苯和甲苯3種實際試樣進行氣相色譜分析，采用有效碳數法進行定量，并與外標法［16］的定量結果進行比較，分析結果見表3。由表3可見，由兩種定量方法得到的分析結果基本吻合。

表3 3種芳烴實際試樣的分析結果Table 3 Analysis results of the three actual aromatic hydrocarbon samples

2.5 實際應用問題

2.5.1 關于難分離物質對的分離度指標問題

使用有效碳數法對芳烴進行定量時，試樣中各雜質組分在色譜柱上都能得到較好的分離是保證定量分析結果準確性的關鍵因素之一。而對于其他它定量方法，如內標法、外標法和實測校正因子的歸一化法，通過使用合適濃度的標樣在一定程度上則可以有效規避因組分分離問題引起的定量風險。

通常情況下，苯、甲苯、混合二甲苯、鄰二甲苯和苯乙烯等5種芳烴產品中的雜質組分在氣相色譜柱上都能實現較好地分離，進而得到較好的定量結果。但對于對二甲苯試樣，由于間二甲苯雜質在對二甲苯主峰后上流出，要實現間二甲苯與對二甲苯的完全分離是十分困難的，乙苯試樣的分析也存在同樣的問題。ASTM D7504方法規定：分析對二甲苯和乙苯試樣時，主峰和其后雜質峰之間的峰谷到基線的距離與雜質峰峰高之比（簡稱峰高分離度）應不大于50%。

實驗結果表明，間二甲苯與對二甲苯的峰高分離度大小對雜質測定結果影響明顯。在相同色譜條件下分析同一個對二甲苯試樣，當峰高分離度約為45%時（見圖2），間二甲苯測定結果為0.068%（w），而當峰高分離度小于15%時，間二甲苯測定結果為0.092%（w），兩者明顯存在偏差。顯然，ASTM D7504方法中關于對二甲苯與間二甲苯這種難分離物質對的分離度指標是不夠嚴格的，不適于對二甲苯中間二甲苯雜質的準確定量。

因此使用有效碳數法對對二甲苯試樣進行定量時，如果間二甲苯與對二甲苯間的峰高分離度超過30%，應采取適當的方法改善峰的分離，如提高分流比、減少進樣量等，否則可能會引起分析結果產生較大的偏差。

圖2 低分離度情況下對二甲苯試樣的氣相色譜圖Fig.2 Gas chromatogram of a p-xylene sample with inadequate separation of m-xylene from the p-xylene sample.

實驗結果還表明，與ASTM D7504方法推薦的聚乙二醇氣相色譜柱（60 m×0.32 mm×0.25 μm）相比，厚液膜、細內徑的聚乙二醇柱（如 60 m×0.25 mm×0.5 μm ）更有利于對二甲苯試樣中間二甲苯與對二甲苯組分的有效分離，因此分析對二甲苯試樣時也可以使用該聚乙二醇色譜柱。

2.5.2 關于質控標樣的使用

采用有效碳數法進行定量，對氣相色譜儀的線性響應、雜質組分的分離有較高的要求，如果氣相色譜儀系統出現問題，或因毛細管柱柱效降低而導致對二甲苯試樣中對二甲苯與間二甲苯組分的分離不佳，都可能影響定量結果的可靠性。因此，有必要定期分析校準質控試樣，以核查氣相色譜儀的性能和方法的可靠性。

2.5.3 討論

在氣相色譜分析中采用有效碳數計算校正因子的方法已提出多年，該方法的可行性已得到證實［17-20］，但其實際應用不是很普遍，一般僅被用于缺乏標準物質、無法直接測定組分校正因子的情況。相比芳烴分析其他氣相色譜定量方法，有效碳數法更為簡便、人為誤差更少、分析成本也更低。近年來，ASTM芳烴委員會已將有效碳數法陸續引入到近十種芳烴產品標準中［21-25］，這將對有效碳數法在芳烴分析中的推廣起到積極的作用。

3 結論

1）建立了基于有效碳數校正因子的氣相色譜分析芳烴的定量方法，可用于對二甲苯、甲苯、混合二甲苯等芳烴的純度和雜質含量的測定。

2）采用有效碳數法對混合二甲苯標樣進行定量分析，各組分的回收率在99.8%～108.7%之間，相對標準偏差小于5.5%。 通過與外標法測定結果的比較，驗證了方法的可靠性。

3）采用有效碳數法對芳烴組分進行定量，具有快速、準確、分析成本低等優點，可用于芳烴及相關物料的質量監控。

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（編輯 李治泉）

Application of Effective Carbon Number Approach in Aromatic Hydrocarbon Analysis by Gas Chromatography

Zhang Yuhong，Wang Chuan，Peng Zhenlei
（SINOPEC Shanghai Research Institute of Petrochemical Technology，Shanghai 201208，China）

A method for the analysis of monocyclic aromatic hydrocarbons by gas chromatography with the normalization and the effective carbon number（ECN） correction factors was established. The accuracy and repeatability of the method were investigated through the analysis of a standard sample of mixed xylene. The results showed that，the recoveries of the components in the mixed xylene reached 99.8%-108.7%，the relative standard deviations were less than 5.5% and the limits of detection were in the range of 7.0-10.0 mg/kg. p-Xylene，toluene and mixed xylene samples were analyzed quantitatively by the ECN method and the results were in agreement with those obtained by using the external standard method. The gas chromatography with ECN correction factors is fast，convenient and cost-saving.

gas chromatography；effective carbon number；aromatic hydrocarbon analysis； xylene

1000 - 8144（2015）06 - 0753 - 05

TQ 041.7

A

2015 - 02 - 27；［修改稿日期］ 2015 - 03 - 17。

張育紅（1969—），女，江蘇省靖江市人，碩士，高級工程師，電話 021 - 68462197 - 6253，電郵 zhangyh.sshy@sinopec.com。