超聲萃取-數(shù)字圖像比色法快速測定含油污泥含油率

吳限，陳曉曉，馮恩臨,3，馬誠，李麗華

(1.遼寧石油化工大學(xué) 石油化工學(xué)院，遼寧 撫順 113001；2.濟(jì)南同路醫(yī)藥科技發(fā)展有限公司,山東 濟(jì)南 250014;3.中石油昆侖燃?xì)庥邢薰救細(xì)饧夹g(shù)研究院，黑龍江 哈爾濱 150016)

含油污泥的無害化處理以及處理后含油率檢測是亟待解決的環(huán)境保護(hù)問題之一[1-3]。傳統(tǒng)測定含油率的方法主要有：紅外法、分光光度法、抽提重量法、熱解法、氣相色譜法等[4-8]。抽提重量法在企業(yè)現(xiàn)場應(yīng)用較多，但測量時(shí)間長且會對環(huán)境造成污染。光譜及色譜法因其儀器價(jià)格較貴，也不方便現(xiàn)場使用。

數(shù)字圖像比色法是一種新型測試方法，其具有簡單、準(zhǔn)確、快速等優(yōu)點(diǎn)[9-11]。近年來在食品、生物、環(huán)境領(lǐng)域得到快速發(fā)展[12-19]。石油類物質(zhì)也可以采用該方法進(jìn)行測量[20]。因此，本文首次以超聲法為萃取方法，DIC法為測量方法，開發(fā)了一種含油污泥的快速綠色檢測方法[21-22]。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 材料與儀器

石油醚(90～120餾分)、無水氯化鈣均為分析純；鹽酸(36%)為化學(xué)純。

測定手機(jī)：Samsung SM-A8S圖像傳感器為CMOS；KQ-500DV高頻數(shù)控超聲波清洗器；島津mini-1240紫外可見分光光度計(jì)。

1.2 樣品的制備

標(biāo)準(zhǔn)油的提取：取約40 g油泥樣品置于分液漏斗中，加入150 mL石油醚及5 mL鹽酸(1+1)萃取，提取液經(jīng)過無水氯化鈣脫水、過濾并蒸去溶劑，即得標(biāo)準(zhǔn)油樣。

樣品的制備：將一定量含油污泥加入少量無水氯化鈣攪拌均勻后風(fēng)干處理。過40目分樣篩除去大砂粒，研磨后采用高速攪拌機(jī)混合均勻，準(zhǔn)確稱取0.500 0 g(精確至0.000 1 g)50 mL具塞比色管內(nèi)，加入石油醚定容至50 mL。蓋緊充分搖勻溶解后，將比色管在(50±5) ℃恒溫超聲儀上分別加熱超聲20 min。萃取結(jié)束后過濾，并取適量溶液移至比色皿中，供分光光度計(jì)和手機(jī)拍照分析。

1.3 數(shù)字圖像的采集及數(shù)據(jù)提取

15 W白光燈作為手機(jī)數(shù)字圖像采集時(shí)的補(bǔ)光設(shè)備，樣品與光源水平距離20 cm，光源角度為10°。相機(jī)鏡頭距離樣品水平距離為30 cm，拍攝角度為30°。比色皿后以白板為背景。整套裝置置于暗室環(huán)境中，智能手機(jī)基于設(shè)定好的參數(shù)拍照。

圖片通過用Matlab自主開發(fā)的軟件處理，界面見圖1。

圖1 測量含油率軟件界面Fig.1 Interface of oil content measurement software

選擇“文件讀取”讀取手機(jī)獲得的圖片。通過“區(qū)域選取”粗調(diào)，“區(qū)域微調(diào)”細(xì)調(diào)獲取感興趣區(qū)域(region of interest，ROI)。點(diǎn)擊“分析計(jì)算”讀取感興趣區(qū)域16×16 像素區(qū)域的顏色矩陣(顏色矩陣大小可通過“取樣框大小”進(jìn)行改變)，得出對應(yīng)的R(Red紅)、G(Green 綠)、B(Blue 藍(lán))值及其標(biāo)準(zhǔn)偏差。當(dāng)標(biāo)準(zhǔn)偏差大于3時(shí)報(bào)錯，此時(shí)可能有異常點(diǎn)出現(xiàn)，重新選取感興趣區(qū)域。標(biāo)樣濃度需在“樣品信息面板”內(nèi)輸入。標(biāo)準(zhǔn)曲線建立后可在“分析”-“擬合測量”中選擇通過線性插值、樣條插值以及多項(xiàng)式插值等插值方式計(jì)算出未知樣品的含油率。計(jì)算結(jié)果可導(dǎo)出為excel表格形式。

2 結(jié)果與討論

2.1 超聲時(shí)間的考察

按1.2節(jié)描述取30 g左右含油污泥樣品制備20份。將比色管在(50±5) ℃恒溫超聲儀上分別加熱超聲5，10，15，20，25 min，每個(gè)時(shí)間點(diǎn)4份樣品。萃取結(jié)束后過濾，采用分光光度計(jì)對濾液進(jìn)行油濃度測定，結(jié)果見圖2。

圖2 超聲萃取時(shí)間的考察Fig.2 Investigation of ultrasonic extraction time

由圖2可知，當(dāng)超聲時(shí)間在15 min時(shí)測量的油濃度趨于飽和，當(dāng)超聲時(shí)間在20 min時(shí)達(dá)到飽和。因此取超聲萃取條件為20 min。

2.2 顏色通道的選取

為了建立油濃度與數(shù)字圖片中提取出的測量參數(shù)R、G和B的關(guān)系，以石油醚為溶劑，使用標(biāo)準(zhǔn)油樣配制了0.1～0.7 mg/mL的不同濃度的標(biāo)準(zhǔn)溶液。采用智能手機(jī)進(jìn)行拍照，拍照條件白平衡值WB為6 500 K、感光度ISO值為200、曝光時(shí)間為1/100 s。 使用自主開發(fā)的圖片比色含油率分析軟件對其進(jìn)行RGB數(shù)據(jù)提取，結(jié)果見圖3。

圖3 油濃度與R、G、B的關(guān)系Fig.3 Relationship between oil concentration and R,G and B

由圖3可知，隨著溶液油濃度的增加，R、G、B值均呈減小的趨勢，樣品的濃度越高，顏色越深，其R、G、B的數(shù)值也就越小，但其減小的速度不同。其中B值下降得最快，在油濃度約為0.4 mg/mL時(shí)降至最低并保持平穩(wěn)，而R、G曲線的減幅則小了許多。R值減小的速度最慢，G值次之。因此應(yīng)根據(jù)測量樣品的濃度選用適當(dāng)?shù)臏y量參數(shù)。另外，由于污油泥的組分十分復(fù)雜，即使同一油田不同批次的污油泥其組分也可能不同。不同的組分會導(dǎo)致樣品的吸光系數(shù)不同。因此對于每一批次的污油泥都應(yīng)該重新制作標(biāo)準(zhǔn)油樣并建立R、G及B曲線，確定其具體的測量參數(shù)。針對本實(shí)驗(yàn)中所測量樣品，R值的變化太小，導(dǎo)致靈敏度低，相對標(biāo)準(zhǔn)偏差大。B值在低濃度時(shí)線性較好，靈敏度也較高，但高濃度時(shí)則幾乎沒有變化導(dǎo)致無法測量。因此我們最終選取定量曲線的顏色通道為G值。

2.3 快門時(shí)間的選取

快門時(shí)間影響的是曝光的時(shí)間。快門時(shí)間越長，進(jìn)入相機(jī)內(nèi)部的光就越多，因此來自樣品顏色的信息就越多，信號就越強(qiáng)。為了研究快門時(shí)間的影響，找出最優(yōu)的測量參數(shù)，分別選取1/50，1/100，1/200 s 的曝光時(shí)間對上述標(biāo)準(zhǔn)溶液進(jìn)行拍照測量，以G值作為測量值繪制標(biāo)準(zhǔn)曲線，結(jié)果見圖4。

圖4 曝光時(shí)間對G值的影響Fig.4 Effect of exposure time on G

由圖4可知，其快門時(shí)間1/50 s時(shí)，曝光時(shí)間過長。過度曝光使?jié)舛仍谛∮?.25 mg/mL時(shí)完全無法測量。在過度曝光區(qū)域外，不同曝光時(shí)間的G值曲線變化趨勢基本相同。1/100 s曲線的G值基本為1/200 s曲線的G值的2倍。在相同的濃度范圍內(nèi)(0～0.8 mg/mL)，1/100 s曲線的G值變化131約為1/200 s曲線的G值變化值68的2倍。其靈敏度更高，相對偏差更小。因此對于本實(shí)驗(yàn)中所測量樣品，1/100 s曝光時(shí)間為最優(yōu)。根據(jù)此結(jié)果，最優(yōu)曝光時(shí)間的選擇原則為在非過度曝光的前提下，曝光時(shí)間越長越好。另外當(dāng)測試時(shí)，標(biāo)準(zhǔn)油樣的吸光系數(shù)過高或過低，可以通過調(diào)節(jié)曝光時(shí)間來調(diào)節(jié)G值范圍，提高靈敏度。

2.4 插值方法的選取

插值可以平滑地估算出基準(zhǔn)數(shù)值之間其他點(diǎn)的函數(shù)數(shù)值。對于圖像比色法，由于線性范圍相對較窄，另外定量曲線的相關(guān)系數(shù)也較分光光度法低，因此對于定量曲線有一定彎曲度的部分，插值是一個(gè)很好的選擇。自主開發(fā)的軟件中提供了線性插值、樣條插值以及多項(xiàng)式插值3種插值方法。為了評估3種插值方法對測量結(jié)果的影響，我們在最優(yōu)條件下，拍攝了3個(gè)模擬樣品的照片(每個(gè)樣品測量6次)，并分別用上述3種插值方法計(jì)算其含油率。其相對誤差見表1。

表1 3種不同插值方法的對比Table 1 Comparison of three different interpolation methods

由表1可知，3種插值方法計(jì)算出的濃度均和配制濃度相符較好，其中樣條插值的誤差相對較大。線性插值和多項(xiàng)式插值的計(jì)算結(jié)果沒有太大區(qū)別，這可能是因?yàn)闃?biāo)準(zhǔn)曲線的線性相對較好，彎曲程度較小。因?yàn)槎囗?xiàng)式插值需要3個(gè)基準(zhǔn)點(diǎn)，可能使臨近測量范圍兩端的樣品產(chǎn)生測量數(shù)據(jù)異常的情況。因此針對本實(shí)驗(yàn)中所測量樣品，我們選用線性插值法進(jìn)行濃度的計(jì)算。對于G值曲線彎曲的樣品，應(yīng)選用多項(xiàng)式插值進(jìn)行測量。

2.5 標(biāo)準(zhǔn)曲線、檢出限及回收率

取0.10，0.20，0.30，0.40，0.50，0.60，0.70，0.80 mg/mL 7個(gè)質(zhì)量濃度的含標(biāo)準(zhǔn)油的溶液以及參比溶液石油醚于50 mL比色管中超聲20 min后過濾，在最優(yōu)條件下(G值，快門時(shí)間1/100 s)進(jìn)行拍照，所得的G值為縱坐標(biāo)，橫坐標(biāo)對應(yīng)含油率為1%～8%，繪制標(biāo)準(zhǔn)曲線。測得標(biāo)準(zhǔn)曲線為G=255.18-23.17 油，式中油為含油率，單位%，相關(guān)系數(shù)R2=0.994。以石油醚作為空白樣本，進(jìn)行21次空白試驗(yàn)，測得檢出限LOD(3SD空白/斜率)為0.07%，定量限LOQ(10SD空白/斜率)為0.23%。

取一實(shí)際樣品經(jīng)高速攪拌使其均勻，準(zhǔn)確稱取每份0.500 0 g共8份。在最優(yōu)條件下(超聲5 min，測量G值，快門時(shí)間1/100 s，線性插值)測出其含油率及相對標(biāo)準(zhǔn)偏差。再往比色管中加入1 mL 10 mg/mL， 等待其揮發(fā)至50 mL時(shí)蓋上塞子再次測量其含油率，進(jìn)而算出回收率。測量相對標(biāo)準(zhǔn)偏差為3.5%，回收率在92%～106%之間。結(jié)果說明該方法的準(zhǔn)確度及精密度均較高。

2.6 溶劑回收試驗(yàn)

含油污泥測量時(shí)會使用大量的萃取溶劑，無論是石油醚，四氯化碳，還是甲苯作溶劑，排放到環(huán)境中均會造成污染。因此，溶劑的回收可以提高溶劑的利用率，減少環(huán)境的污染，另外也降低了溶劑的使用成本。為解決這個(gè)問題，本文對測定結(jié)束后的含油石油醚廢液進(jìn)行了回收，并通過常壓蒸餾裝置收集90～120 ℃的餾分。分別對回收石油醚與分析純的石油醚，以及以他們?yōu)槿軇┡渲?.5 mg/mL的溶液進(jìn)行G值測量，結(jié)果見圖5。

圖5 回收石油醚檢測實(shí)驗(yàn)Fig.5 Detection experiment of recovered petroleum ether1號為分析純石油醚；2號為回收石油醚;3號為分析純石油醚為溶劑的0.5 mg/mL溶液;4號為回收石油醚為溶劑的0.5 mg/mL溶液

由圖5可知，回收石油醚測量出的G值與分析純的石油醚沒有差別，以其為溶劑配制的含油溶液也與分析純配制的幾乎沒有差別。對于半定量或精度要求不是特別高的時(shí)候完全可以用回收石油醚進(jìn)行含油率測量。另外本實(shí)驗(yàn)過程中除了加標(biāo)回收實(shí)驗(yàn)需要蒸發(fā)一定量的溶劑，正常測量時(shí)溶劑損失很小。因此使用本方法測量含油率后可以對溶劑進(jìn)行回收，更加綠色、經(jīng)濟(jì)、環(huán)保。

3 結(jié)論

(1)本文以手機(jī)為測量裝置，G值為測量通道，線性插值為插值方法將超聲萃取與數(shù)字圖像比色法相結(jié)合應(yīng)用于測量含油污泥的含油率。

(2)該方法實(shí)現(xiàn)了1 h內(nèi)含油率的快速測量，且所用的溶劑可以回收，對環(huán)境幾乎沒有危害。

(3)該方法在確定參數(shù)的條件下，有較好的測量準(zhǔn)確度和精密度，操作簡單、性價(jià)比高。

(4)該方法在現(xiàn)場測量及油泥清洗劑開發(fā)方面有廣闊的應(yīng)用前景。