原油及其相關(guān)瀝青是全球蕞復雜的混合物之一。原油是石化工業(yè)的原料,用于生產(chǎn)燃料、溶劑、潤滑劑、化肥和塑料。瀝青作為原油的一個(gè)組成部分,常用于道路建設,因此對基礎設施至關(guān)重要。對飽和烴、芳香烴、樹(shù)脂和瀝青質(zhì)(SARA)的分析結果對于理解瀝青的老化過(guò)程具有重要價(jià)值,并且與道路風(fēng)化和衰敗的機制有關(guān)。對原油進(jìn)行 SARA 分析可以提供處理原料的信息。研究發(fā)現,結合蒸發(fā)光散射檢測(ELSD)的快速色譜法是一種高效分離和定量 SARA 組分的方法。此外,運行過(guò)程中自動(dòng)切換溶劑使得 SARA 組分得以解析。
本文描述的快速色譜法可以作為一種與傳統的薄層色譜-氫火焰離子化檢測(TLC-FID)工序正交的方法,后者耗時(shí)且成本高。快速色譜法不僅能提供相似的數據,同時(shí)還允許大規模分離和收集各種 SARA 組分以供進(jìn)一步表征。類(lèi)似本文中所敘述的快速色譜法還已被用于解析原油中的 SARA 組分,那些分析方法可能采用不同的沖洗溶擠。
瀝青
在瀝青老化研究中,大約 0.2 克的瀝青粘合劑被溶解在氯仿中,并加載到一個(gè) 5 克的固體負載柱上。使用一個(gè) 12 克的 RediSep Gold® 硅膠柱進(jìn)行分離。通過(guò)溶劑更換形成一系列梯度,以洗脫不同的組分。CombiFlash® NextGen 300+ 系統(PN 685250001)配備ELSD(PN 605257001),以柱體積(CV)運行,因為以 CV 稱(chēng)重可以輕松放大到更大的柱子而不改變方法——在大小不同的柱子上,洗脫同一化學(xué)物質(zhì)所需的CV數值是相同的。
表1. 瀝青研究梯度
Gradient segment length (CV) | A solvent | B solvent | % B solvent |
Start | n-Heptane | Toluene | 0 |
5 | n-Heptane | Toluene | 0 |
0 | n-Heptane | Toluene | 20 |
7 | n-Heptane | Toluene | 20 |
0 | n-Heptane | Toluene | 100 |
5 | n-Heptane | Toluene | 100 |
0 | Toluene | Tetrahydrofuran | 0 |
0 | Toluene | Tetrahydrofuran | 100 |
6 | Toluene | Tetrahydrofuran | 100 |
0 | n-Heptane | Toluene | 0 |
2 | n-Heptane | Toluene | 0 |
該柱子以 30 毫升/分鐘的速度運行,梯度之前在正庚烷中進(jìn)行 6 分鐘的平衡。
溶劑被分配到流動(dòng)溶劑入口管線(xiàn):
表2. 溶劑分配
Solvent Inlet | Solvent |
1 | n-Heptane |
2 | Toluene |
3 | Tetrahydrofuran |
4 | [unused] |
我們根據蒸發(fā)光散射檢測器(ELSD)訊號作為分析物偵測與峰收集。其中噴霧室設為 20°C,漂移管設為 60°C。將紫外-可見(jiàn)光檢測器在 254 納米以及 200-800 納米范圍內設置為“監控"模式,因此不會(huì )由紫外-可見(jiàn)光檢測器觸發(fā)峰收集。紫外追蹤證實(shí)了溶劑更換正在進(jìn)行。我們使用了純正庚烷以及不含穩定劑的四氫呋喃。如同薄層色譜法(TLC板)使用的硅膠,因此很容易將TLC的沖洗方法轉移到柱子上。
梯度法是根據實(shí)驗結果推定的,旨在為所有樣品創(chuàng )造適當沖洗條件。該梯度旨在最小化時(shí)間、銳化峰并從彼此中解析峰。與傳統的 Iatroscan 程序相比(從樣品制備和 TLC 展開(kāi)到分析的總時(shí)間約為 3 小時(shí)),快速 SARA 在 30 分鐘內提供結果;也就是說(shuō),是原來(lái)時(shí)間的六分之一。
AR maltenes 是從原油的常壓蒸餾裝置底部獲得的油。另一組研究人員使用快速色譜法將 AR maltenes 分解成單獨的樣本以進(jìn)行進(jìn)一步分析。他們將 0.1 到 0.3 克的渣油裝在一個(gè)帶有 ELSD 的 80 克 RediSep 銀色柱子上。該柱子以 25 毫升/分鐘的流速運行,沖洗梯度如下。
表3. Maltenes 研究梯度
Gradient segment length (CV) | A solvent | B solvent | % B solvent |
Start | Hexanes | Toluene | 0 |
7 | Hexanes | Toluene | 0 |
0 | Hexanes | Toluene | 5 |
7 | Hexanes | Toluene | 5 |
0 | Hexanes | Toluene | 30 |
7 | Hexanes | Toluene | 30 |
0 | Hexanes | Toluene | 100 |
7 | Hexanes | Toluene | 100 |
7 | Hexanes | Ethyl acetate | 100 |
7 | Ethyl acetate | Methanol | 100 |
2 | Hexanes | Toluene | 0 |
此程序產(chǎn)生了在己烷中洗脫的飽和化合物,隨后是兩組芳香族化合物,極性化合物則在乙酸乙酯和甲醇中洗脫。需要注意的是,最好通過(guò)甲苯或乙酸乙酯中間體返回到己烷,因為甲醇和己烷不相溶。
快速色譜法是一種高效、簡(jiǎn)便且可靠的 SARA 分析方法。純化后的組分也可用于特定類(lèi)別化合物的進(jìn)一步分析。RediSep 柱提供了良好的分辨率和穩定的負載容量,而 NextGen 300+ 系統在運行過(guò)程中能夠更換溶劑,從而實(shí)現半自動(dòng)化操作和數據收集。蒸發(fā)光散射檢測技術(shù)能夠在不受溶劑(吸收紫外光)的影響下準確偵測瀝青組成分子。
引用
1. Masson, J-F; Price, P.; Collins, P. Dynamics of Bi-tumen Fractions by Thin-Layer Chromatography/Flame Ionization Detection. Energy & Fuels 2001,15, 955-960
2. Kim, E.; EunJi E.; Serah S.; Park,J-I; Kim, S. Char-acterization of Petroleum Heavy Oil Fractions Prepared by Preparatory Liquid Chromatography with Thin-Layer Chromatography, High-Resolution Mass Spectrometry, and Gas Chromatography with an Atomic Emission Detector. Energy Fuels 2016, 30,2932?2940
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