柴油清凈劑中氮含量對硫測定結果的影響及消除方法

何 沛，時圣潔，范艷璇，王 軻

(中國石化石油化工科學研究院，北京 100083)

將柴油清凈劑添加到柴油中用于抑制或清除發動機供油系統和噴油器沉積的物質[1]，達到降低油耗和改善尾氣排放等功效。柴油清凈劑分為有灰型和無灰型，無灰型柴油清凈劑是今后主要的發展趨勢[2]。無灰型柴油清凈劑主要是由含氮化合物及其衍生物組成。GBT 32859—2016柴油清凈劑標準中要求硫質量分數不大于30 μgg，并且指定紫外熒光法[3]作為唯一的檢測方法。然而，在日常試驗過程中發現，紫外熒光法測定硫含量時，氮元素對其有較嚴重的正干擾[4-5]，導致硫含量測定結果增大，甚至會造成較大的測定偏差。針對紫外熒光法測定硫含量時氮含量對硫測定結果的干擾問題，中國石化石油化工科學研究院與北京諾德泰科儀器儀表有限公司合作研制出可消除氮元素干擾的裝置——高氮抑制器(此裝置正在申請專利)，并使用該公司生產的紫外熒光定硫儀(型號TS6210 Trace)進行了試驗驗證。本文主要介紹柴油清凈劑中氮含量對硫測定結果的影響及消除方法。此方法建立后，對柴油清凈劑中硫含量的準確測定具有指導意義，并具有廣泛的應用價值。

1 實 驗

1.1 測定原理

在高溫、富氧條件下，柴油清凈劑試樣中的硫元素氧化生成硫化物(SOx)，氮化物氧化生成氮氧化物(NOx)。待測氣體經脫水后，首先進入高氮抑制器消除干擾信號，然后再進入檢測單元。如果不安裝高氮抑制器，則試樣燃燒、干燥后直接進入檢測單元。在檢測單元，待測氣體經過紫外燈照射后，硫化物中的二氧化硫轉化為激發態的二氧化硫(見反應式1)。隨后，待測氣體中激發態的二氧化硫返回到基態時所發射出的熒光(見反應式2)，被光電倍增管檢測，由所得信號值計算試樣的硫含量。本方法與普通的紫外熒光法所用儀器相比，增加了消除氮元素干擾的抑制器解決氮元素對硫含量測定的干擾。

(1)

(2)

1.2 儀器及試劑

1.2.1試驗儀器3臺紫外熒光法硫含量測定儀：儀器1為美國熱電公司生產的TS3000型；儀器2為德國Elementar公司生產的Trace SN cube型；儀器3為北京諾德泰科儀器儀表有限公司生產(國產儀器)的TS6210 Trace型。

1.2.2試驗試劑高純氧氣和氬氣，體積分數大于99.99%，北京氦普氣體工業有限公司生產；苯胺、異辛烷、二甲苯，均為分析純，國藥集團化學試劑北京有限公司生產；硫、氮含量的測定選用的標準物質均為國家二級標準物質，中國石化石油化工科學研究院生產。

1.3 儀器工作條件

采用TS6210 Trace型紫外熒光定硫儀測定柴油清凈劑試樣中的硫含量，裂解爐溫度設定為1 050 ℃；氬氣流量和氧氣流量分別為130 mLmin、450 mLmin；二次燃燒時氧氣流量為25 mLmin；液體進樣速率設定為0.8 μLs；進樣體積為20 μL；儀器還配有高氮抑制器、全自動進樣器及干燥管。

2 結果與討論

2.1 氮含量對硫測定結果的影響

柴油清凈劑標準中對氮含量的測定值并未給出嚴格規定，僅是要求報告值即可。文獻[6]中采集了國內外多家柴油清凈劑產品，并對其氮含量進行了測定，結果見表1。

表1 常見車用柴油清凈劑產品中的氮含量

從表1可以看出，常見車用柴油清凈劑中氮質量分數普遍較高，大多在0.4%～1.0%之間，甚至還有的產品大于1.0%。為了考察氮元素對硫含量的干擾程度，配制了氮質量分數為0.3%～1.2%、硫質量分數小于0.5 μg/g的標準樣品，并用3臺不同廠家的紫外熒光儀進行測定，結果見表2。

表2 氮元素含量對硫測定結果影響

注：安裝高氮抑制器前的測定結果。

雖然配制的標準樣品中硫質量分數均不大于0.5 μg/g，但表2的測定結果卻顯示3臺儀器的測定結果都大于0.5 μg/g，甚至有些儀器在氮質量分數為1.17%時，硫質量分數的測定結果高達54 μg/g；此時，儀器3的硫含量測定結果最低，但是也達到19 μg/g，遠遠大于0.5 μg/g。柴油清凈劑產品要求硫質量分數小于30 μg/g，如果采用儀器1測定硫含量，即使樣品中不含硫，而測定結果也會嚴重超出產品控制要求，直接影響產品出廠質量。因此，采用紫外熒光法測定總硫含量時，氮含量對硫測定結果有較大的影響，而且，不同儀器對硫測定結果影響不同。

樣品氧化燃燒后硫元素生成二氧化硫，二氧化硫在紫外燈的照射下發生一系列反應，從而得到硫檢測信號。同樣，樣品氧化燃燒后，氮元素生成氮氧化物，既然樣品中的氮化物對硫含量測定結果有影響，說明燃燒后氣體中的氮氧化物在紫外燈照射下會產生反應，最終造成硫的假信號，從而導致硫含量測定結果偏高。不同型號的儀器氮元素干擾情況不完全相同，這與儀器檢測器的結構和樣品燃燒條件等因素有關。

2.2 氮干擾的消除

ASTM D5453—2012《輕質烴、火花點火發動機燃料、柴油發動機燃料和發動機油中總硫含量測定法——紫外熒光法》[7]標準的精密度計算式見式(3)和式(4)，按照硫含量理論值計算的重復性和再現性見表3。

重復性(r)：r=0.178 8X0.75

(3)

再現性(R)：R=0.579 7X0.75

(4)

式中，X為2次試驗測定結果的平均值， μg/g。

表3 精密度計算值

為了考察氮元素的消除效果，配制了一系列氮質量分數為0.3%～1.2%、硫理論質量濃度分別為0，5，25 mg/L的標準樣品(密度按照0.70 g/mL計算，標樣的硫質量分數分別為0,7.14,35.7 μg/g)，使用安裝高氮抑制器的儀器3對硫質量分數小于0.5 μg/g及硫質量濃度為5 mg/L、25 mg/L樣品的硫含量進行測定，結果見表4～表6。

從表4可以看出，安裝高氮抑制器后，硫質量分數小于0.5 μg/g、氮質量分數為0.3%～1.17%的樣品，硫質量分數的測定結果均小于0.5 μg/g。

表4 硫質量分數小于0.5 μgg樣品的測定結果

表4 硫質量分數小于0.5 μgg樣品的測定結果

w(N)，%w(S)∕(μg·g-1)030<05041<05050<05060<05081<05089<05096<05117<05

如：同臺儀器，當氮質量分數為1.17%時，表2顯示儀器3測定的硫質量分數為19 μg/g，而安裝高氮抑制器后，表4顯示測定的硫質量分數小于0.5 μg/g，說明安裝高氮抑制器能夠較好地消除樣品中氮元素對硫含量測定結果的干擾。

表5 硫質量濃度為5 mgL樣品的測定結果

表5 硫質量濃度為5 mgL樣品的測定結果

w(N)，%ρ(S)∕(mg·L-1)測定值差值回收率，%03150100110004349600499052504004101063512012102084507007101095510010102103503003101125515015103

從表5可以看出，安裝高氮抑制器后，硫質量濃度理論值為5 mg/L的樣品，回收率在99%～103%之間，測定值與理論值最大差值僅為0.15 mg/L(標樣密度按照0.70 g/mL計算，硫質量分數為0.21 μg/g)，與表3中理論值為5 mg/L樣品(標樣密度按照0.70 g/mL計算)的再現性計算值2.5 μg/g相比要低，甚至比其重復性結果0.78 μg/g還要低。因此，高氮抑制器對氮元素的干擾具有較好的抑制效果。

從表6可以看出，安裝抑制器后，硫質量濃度理論值為25 mg/L的樣品，回收率在99%～105%之間，測定值與理論值最大差值僅為1.2 mg/L(標樣密度按照0.70 g/mL計算，硫質量分數為1.71 μg/g)，與表3中理論值為25 mg/L樣品(標樣密度按照0.70 g/mL計算)的再現性計算值8.5 μg/g相比要低，甚至比其重復性結果2.6 μg/g還要低。進一步證明高氮抑制器對氮元素干擾的消除效果較好，能夠滿足柴油清凈劑產品對硫含量測定的要求。

表6 硫質量濃度為25 mgL樣品的測定結果

表6 硫質量濃度為25 mgL樣品的測定結果

w(N)，%ρ(S)∕(mg·L-1)測定值差別回收率，%032247039904225303101052249011000632560610208425303101094257071031022621210512425505102

綜合以上測定結果可以看出，安裝高氮抑制器后氮含量對硫含量測定的影響明顯被抑制，硫含量測定結果更接近理論值，保證了硫含量測定數據的準確性。

2.3 方法的準確性

2.3.1工作曲線的建立采用儀器3按照1.3節的條件，分別測定硫質量濃度為0.5，1.0，3.0，5.0，10.0，30.0 mgL的硫標準物質，進樣體積為20 μL，以不同濃度的硫標樣為橫坐標，對應的峰面積為縱坐標繪制工作曲線，結果見圖1。從圖1可以看出，線性相關系數達到0.999 8，線性較好。

圖1 工作曲線及線性相關系數

2.3.2檢測下限和方法重復性建立工作曲線后，在同樣條件下連續測定硫質量濃度為0.2，0.5，1.0 mgL硫標準樣品，并計算平均值和相對標準偏差，結果見表7。從表7可以看出：①當硫質量濃度為0.5 mgL和1.0 mgL時，RSD值均不大于5%，與理論值的差別也較小，分別為0.03 mgL和0.01mgL，說明此方法測定硫質量濃度不小于0.5 mgL的樣品時，數據準確可靠；②當硫質量濃度為0.2 mgL時，硫質量濃度平均值與理論值的差僅為0.02 mgL，測定結果最大值與最小值的差為0.06 mgL，所以，雖然數據分散度有些偏大，但是準確性仍可以得到保證，可認為此方法的實用檢測下限為0.2 mg/L。因此，安裝高氮抑制器后，紫外熒光測定硫含量的方法，能夠有效抑制氮元素的干擾，確保硫含量測定結果的準確、可靠。

表7 安裝高氮抑制器后儀器的檢測下限

2.4 方法的重復性

按照1.3節條件，連續測定了2個配制的含高氮樣品(A、B為配制樣品，其氮質量分數分別為0.5%和1.0%)及3個市售柴油清凈劑樣品(D，E，F)中的總硫含量，表8給出了幾個樣品連續測定10次硫含量的結果，并計算RSD值。從表8可以看出，該方法的重復性較好，連續10次測定結果的相對標準偏差(RSD)均在5%以內。

表8 重復性測定結果

2.5 實際樣品的應用

選取4個柴油清凈劑樣品，在同一臺儀器上分別測定安裝高氮抑制器前后樣品的總硫含量，結果見表9，表9中同時列出了SH/T 0842方法測定汽油和柴油中的硫含量(單波長色散X射線熒光光譜法[8])。從表9可以看出，安裝高氮抑制器后的硫含量測定結果與SH/T 0842硫含量的測定結果相接近，說明氮元素得到了較好的抑制，硫含量測定結果更準確。

表9 安裝高氮抑制器前后硫含量測定結果

3 結 論

安裝高氮抑制器后，硫質量濃度為5 mg/L的標準樣品，回收率在99%～103%之間；硫質量濃度為25 mg/L的標準樣品，回收率在99%～105%之間。工作曲線的線性相關系數可達0.999 8，實用檢測下限可達0.2 mg/L，通過對實際樣品和配制含高氮的硫標準樣品連續測定，相對標準偏差均在5%以內。因此，加高氮抑制器解決了高氮對硫含量測定結果的影響，數據準確可靠，能夠滿足檢測和產品質量控制要求。

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