全二維氣相色譜-飛行時間質譜分析有機氯化物形態

2020-01-15 03:58:20蔡新恒楊德鳳劉穎榮劉澤龍史軍歌

石油煉制與化工 2020年1期

蔡新恒，楊德鳳，王威，劉穎榮，劉澤龍，史軍歌

(中國石化石油化工科學研究院，北京 100083)

石油中氯化物易導致裝置腐蝕、催化劑中毒，且影響產品質量[1-5]，一直是石油石化行業重點關注的對象之一。石油中的氯化物可分為無機氯化物和有機氯化物兩類。無機氯化物如NaCl，MgCl2，CaCl2等，可通過電-熱-化學聯合脫鹽脫水過程基本脫除。有機氯化物在現有電脫鹽工藝中很難被有效脫除，因此在一些加工單元中，有機氯化物裂化和氫解生成的氯化氫(HCl)遇微量水即變成鹽酸，對蒸餾塔、冷凝系統和加氫設備等造成腐蝕問題，其次，在催化重整、柴油加氫和噴氣燃料加氫等過程，有機氯化物分解生成的HCl與含氮化合物加氫生成的NH3反應產生銨鹽，進而導致換熱器堵塞和垢下腐蝕等問題。目前國內外仍沒有針對有機氯的成熟脫除方法[6-7]，石油中有機氯化物的脫除存在困難，一定程度上是因為對石油中有機氯化物的存在形態及分布認識還不夠清楚。因此，研究石油中有機氯化物的分子形態及分布，不僅有助于石油中氯來源的排查，從源頭控制和降低原油中氯含量，而且可為開發針對性強的有機氯脫除工藝和防腐技術提供分子信息。

目前，對石油中有機氯化物形態的分析研究主要集中在石腦油餾分段，采用的方法主要是氣相色譜-電子捕獲檢測器(GC-ECD)法[8-11]。近年來，Ma Rui等結合原油蒸餾和GC-ECD法將有機氯分析對象拓展到原油，研究了兩種原油中有機氯化物的形態和分布，豐富了對原油中有機氯化物組成的認識[5，10，12]。然而，對石油中有機氯化物的分析鑒定常面臨烴類化合物的背景干擾大、氯化物的同分異構體數目多等難點，針對這些特點，適宜采用分離能力和結構分辨能力均較高的全二維氣相色譜-飛行時間質譜進行分析。全二維氣相色譜(GC×GC)采用基于沸點差異和極性差異分離的兩根不同色譜柱通過調制器串聯進行二維分離分析[13]，本課題采用全二維氣相色譜-飛行時間質譜儀建立有機氯化物形態的定性分析方法，考察石油餾分及相關含氯樣品中有機氯化物的分子結構和組成分布，以期為含有有機氯物料的加工工藝和催化劑開發以及生產裝置運行提供信息。

1 實驗

1.1 試劑和樣品

甲苯，色譜純，北京迪馬公司生產；N，N-二甲基甲酰胺，分析純，國藥集團化學試劑有限公司生產；5-氯-2-甲基-苯胺，百靈威公司生產。試驗所用石腦油、煤油、柴油餾分是不同來源高氯原油通過小型實沸點蒸餾儀進行蒸餾切割所得，降黏劑樣品和有機涂料樣品為市售。

1.2 分析儀器及方法

美國LECO公司生產的Pegasus?4D全二維氣相色譜-飛行時間質譜聯用儀(GC×GC-TOFMS)，GC×GC系統由Agilent公司7890A氣相色譜和雙噴口、液氮冷阱調制器組成。測試條件：一維柱為HP-PONA毛細管色譜柱(50 m×0.20 mm×0.50 μm)，一維柱初始溫度100 ℃，恒溫1 min后以1.5 ℃min升至280 ℃，保持10 min；二維柱為中等極性的DB-17HT色譜柱(1.8 m×0.1 mm×0.15 μm)，二維柱初始溫度105 ℃，恒溫1 min后以1.5 ℃min升至285 ℃，保持10 min。進樣口溫度為280 ℃，進樣體積為0.2 μL，分流比為100∶1；載氣為He，恒流1.5 mLmin。調制器溫度保持比二維爐溫高15 ℃，調制周期為8 s，熱吹與冷捕集時間比為2∶3。TOFMS傳輸管溫度為280 ℃，離子源溫度250 ℃；電子轟擊電離(EI)能量為70 eV，檢測器電壓1 680 V；全掃描模式采集數據，質量范圍40～500 u，采集頻率為每秒100張譜圖。

運用LECO?Chroma TOF?軟件對采集的總離子流色譜圖(TIC)進行峰識別、峰面積計算，有機氯化物的分子識別基于保留時間、沸點規律、分子極性及質譜譜圖NIST譜庫比對進行，含量分布基于對所識別的有機氯化物進行面積歸一化處理得到。

2 結果與討論

2.1 常壓石油餾分中有機氯化物

采用全二維氣相色譜-飛行時間質譜儀分析常壓石油餾分，得到如圖1所示的全二維色譜圖。由圖1可看出，與通常的一維氣相色譜(圖1上部所示黑色線條)相比，全二維氣相色譜具有更高的分離能力和峰容量空間，適合分析與石油烴分子沸點相近但極性更強的化合物。圖2是含有有機氯化物的常壓餾分油的全二維總離子流色譜。由圖2(a)可見，含氯餾分油的分子組成在一維和二維方向上分別依靠沸點和極性得到充分分離。通過對色譜分離后各組分的飛行時間質譜譜圖解析得知，所鑒別的有機氯化物主要分布在圖中紅框所示區域，該區域的一維保留時間與常規烴分子的保留時間一致，但二維保留時間明顯大于常規烴分子的保留時間，表明該餾分油中有機氯化物的沸點與烴分子相近，但極性較強。對圖2(a)中紅框所示區域放大如圖2(b)所示，從該區域共識別出14種有機氯化物分子。以其中峰強最大的7號峰為例，7號峰所代表組分的質譜如圖3所示，將其進行標準譜庫檢索比對可以發現，其與5-氯-2-甲基-苯胺標準質譜圖質荷比(mz)為106，141，140，77等特征碎片離子以及這些碎片離子的相對豐度比例完全匹配。類似地，對圖2(b)中其他組分的分子識別結果列于表1。由表1結果可知，該餾分油中有機氯化物不是常見的小分子氯代烷烴烯烴，而是非常規的氯代芳烴和氯代含氮芳烴，具體形態主要是以5-氯-2-甲基-苯胺為代表的氯甲基苯胺系列、以2，6-二氯-3-甲基-苯胺為代表的二氯甲基苯胺系列，此外還有少量二氯甲基苯、三氯甲基苯以及氯甲基硝基苯系列。

圖1 常壓石油餾分的一維和全二維氣相色譜

圖2 含氯常壓餾分油的全二維總離子流色譜

圖3 圖2(b)中7號峰對應組分的質譜

表1 常壓餾分油中有機氯化物形態的分析結果

進一步采用全二維氣相色譜-飛行時間質譜儀對不同來源高氯原油的石腦油和煤油餾分進行有機氯形態分析，發現其有機氯化物的組成各具特點，結果如表2和表3所示。由表2可知，石腦油餾分中有機氯化物主要以氯代烷烴、氯代烯烴為主，其中1，2-二氯丙烷和3，3-二氯丙烯分別占所識別有機氯化物總質量分數的59.49%和19.59%。由表3可知，煤油餾分中有機氯化物主要以氯代芳烴為主，與常壓餾分油主要含氯甲基苯胺不同，該煤油餾分的特點是含有較多的氯苯酚和二氯苯酚，其次是含有較多的2-氯乙基-苯、2-氯乙烯基-苯(氯取代位在乙基或乙烯基上)及1-氯-4-乙基-苯(氯取代位在苯上)，此外，該煤油餾分也含有較多的氯代烯烴，如1，4-二氯-2-丁烯和3-氯-2-氯甲基-1-丙烯。綜合以上分析應用可知，采用全二維氣相色譜-飛行時間質譜儀可以對石腦油、煤油、柴油等石油餾分中的有機氯化物的形態進行較好的分析。

表2 石腦油餾分中有機氯化物形態的分析結果

表3 煤油餾分中有機氯化物形態的分析結果

通過以上對常壓餾分油、石腦油和煤油中有機氯化物的分析結果可知，不同石油餾分樣品中氯化物的類型和分布不同，表明氯化物的來源不盡相同。一般，石油中有機氯化物的來源主要有[14-21]：①以復雜絡合物形式天然存在于石油尤其是石油膠質、瀝青質中的有機氯化物；②石油開采過程中所使用的各類含氯化學助劑(如降黏劑、破乳劑、解堵劑和清蠟劑等)，尤其是油溶性(油基和乳液類)的含氯化學助劑是石油中有機氯的主要來源；③石油煉制過程中使用的一些化學助劑(如破乳劑、脫鹽劑等)所引入的有機氯化物；④石油儲存運輸過程中使用的化學劑及儲存運輸設備的涂料等引入的有機氯化物；⑤聚氯乙烯塑料和氯化芳烴油增塑劑等塑料制品的裂解再利用等引入的有機氯化物；⑥二氯丙醇、環氧氯丙烷、烷基氯苯胺等化工品或化工中間體生產過程中含氯廢水廢渣的滲入等。

2.2 常見含氯物料中有機氯化物

石油開采過程中使用的各類含氯化合物助劑以及石油儲存運輸過程中接觸的含氯介質是石油中有機氯的重要來源，因此選取了市售的某降黏劑和有機涂料進行有機氯形態分析，其結果如表4和表5所示。由表4可知，從降黏劑樣品中檢測出43種有機氯化物分子，其主要形式為短鏈的氯代烷烴、氯代烯烴和氯代醇、酮、醚等(如甲基-氯甲基醚、氯丙醇、氯丙烯醇、氯丙酮、氯甲基-環氧乙烷)。從形態分布上看，二氯丙烯含量最高，占有機氯化物總質量分數的30.30%，其次是二氯丙烷、三氯丙烷及三氯丙烯，占比分別為20.85%，14.95%，9.58%，該降黏劑還含有一定量的氯代二烯、氯代環烷及氯代環烯，但基本不含氯代芳烴。由表5可知，有機涂料中有機氯化物的主要形式為氯代烷烴、氯代芳烴及氯代醇、醚等。從形態分布上看，1，2，3-三氯丙烷含量最高，質量分數為56.88%，其次是含有一種特殊的多氯取代醚，如2，2’-氧雙-[1，3-二氯丙烷]及其同分異構體的質量分數達到30.73%，這類含氯有機物在降黏劑樣品中也被檢測到，如2，2’-氧雙-[2-氯丙烷]和2，2’-氧雙-[1-氯丙烷]。此外，有機涂料樣品中還含有較多的二氯丙醇和二氯甲基苯，分別占有機氯化物總質量分數的6.02%和5.33%。