生物柴油废水中脂肪酸甲酯的测定方法与流程

文档序号:17918002发布日期:2019-06-14 23:54
生物柴油废水中脂肪酸甲酯的测定方法与流程

本发明涉及一种生物柴油废水中脂肪酸甲酯的测定方法,具体涉及一种微波破乳的分散液液微萃取技术结合气相色谱/质谱法分析测定生物柴油废水中脂肪酸甲酯的方法。

(二)

背景技术:

植物油经常含有游离脂肪酸、磷脂、甾醇、水、异味物质以及其它杂质。因为这些原因,油脂不能被直接用作燃料。为了克服这些问题,需要对油脂进行轻微的化学修饰,主要是转酯化、热解以及乳化。在这些方法中,转酯化是用于从植物油生产较清洁并且对环境安全的燃料的关键的最重要的步骤。生物柴油是从可再生的原料(这里说的可再生原料例如植物油或动物脂肪)衍生出的长链脂肪酸的单烷基酯,可用于压燃式发动机。

生物柴油被认为是可能性的常规柴油燃料的替代品,它通常由脂肪酸甲酯组成,而脂肪酸甲酯能够利用植物油中的甘油三酯与甲醇的转酯化反应制备得到。所得的生物柴油在主要燃料特征上与常规柴油燃料非常类似。可用于生产生物柴油的方法包括:热裂解、微乳化、直接使用植物油,以及转酯化。经过许多年的过程开发之后,生物柴油的制备方法早已不局限于常规加热和搅拌。各种过程强化技术,例如超声、微波辐射,已经在该领域的实验规模研究中大量应用,并且被证明具有高效提高生物柴油产率的能力。超声波能够有利于造成液体中的空化效应,大体上能够以气泡崩解产生较小的微滴尺寸的分散相的形式提高乳化效应。当超声强度,也就是超声功率/辐射面积的值增加时,声学振幅增加,空化气泡将会发生更剧烈的坍塌。空化气泡的坍塌越严重,喷射速度以及油脂相和甲醇相之间的相边界上的微观混合就会更高、更充分。超声辐射已经被应用于各种原料的转酯化中,例如大豆油、牛油、餐饮废油、麻风果油以及粗棕榈油,并得到了令人满意的效率。

微波的辅助同样对于油脂转酯化有利,在某种程度上,其造成的效率提升程度经常比超声波还要高出很多。Patil等人发现微波辐射方法所需的能量比常规加热方法所需的能量低了23倍,这表明在适当的功率耗散控制下,可以实现对微波能量的有效使用并且降低能量需求。当水加入到分离装置中时,一些脂肪酸甲酯会粘附在与水层接触的容器表面上。当水被放出时,粘附的脂肪酸甲酯随着水一起流出。这导致了脂肪酸甲酯在废水中的残留,并且为将脂肪酸甲酯视为环境污染物进行监测带来了必要性。脂肪酸甲酯具有毒性,并且不能够轻易地被生物降解,水中残留大量脂肪酸甲酯对环境不利。此外,脂肪酸甲酯的油性会促进其它有机污染物富集在其中。因此,有必要研究出快速、简单的方法用于分析水中的微量脂肪酸甲酯。而将脂肪酸甲酯从水中富集到有机溶剂中将是关键点。谈到富集,分散液液微萃取是水中污染物富集的最常用技术之一。

分散液液微萃取的大致过程是将少量提取剂与大量液体基质的乳化,随后进行破乳并取出提取剂用于分析。当分析物的浓度过低,以致于无法使用常规液液萃取技术分离时,分散液液微萃取尤其能够体现其不可替代的效用。分散液液微萃取在分析领域的最新应用研究包括苏丹染料、甲巯丙脯酸、食品中的铁、牛奶中的脂肪酸的测定。在分散液液微萃取的具体步骤中,破乳相对来说更受关注,因为乳化从来都是容易实现的。破乳技术大体上分为三类,即化学处理、生物处理、物理处理,而物理性破乳包括重力沉降、离心、pH调节、热处理(包括常规加热、微波辐射以及冷冻-解冻)、过滤、电破乳,以及膜分离等。在文献报导中分散液液微萃取更多的是用离心法实现破乳,该过程消耗较多时间,此外,还引起潜在的样品体积限制,因为离心机采用特定的离心管,具有固定的尺寸,这就意味着可以采用的样品体积范围较窄。尤其当测试大体积样品时,该过程很不方便,因为大体积样品需要大规模离心机,以及相应的高成本。因此,人们一直期待并尝试离心法的替代途径。

最有希望替代离心法的方法之一就是冒泡辅助破乳,在该方法中,提取容器中用物理或化学手段创造的气泡能够实现破乳。冒泡辅助分散液液微萃取途径在水、葡萄汁中的除草剂和抗真菌剂以及各种果汁中的抗真菌剂的测定中具有成功应用。在我们团队中,冒泡破乳主要是借助于原位化学法产生的CO2的使用而实现的,该技术被证明有利于分散液液微萃取在水中的15种三唑类抗真菌剂和16种拟除虫菊酯的测定中的应用。微波破乳是较为新颖的破乳方法,其先驱性研究工作最初是由Wolf在1986年完成的。该类方法在最近几年备受关注,相关文献报导主要涉及打破油包水型乳液的用途。在这些报导中,和Skala考察了油包水型乳液的微波破乳,并将它与冷冻-解冻方法作比较。Freitas等人分析了微波破乳得到的水相组分。Lemos等人考察了离子液体辅助下的微波破乳,发现离子液体浓度的增加能够改善破乳效果。此外,微波破乳在任何情况下都比常规加热快很多、高效很多。等人考察了由水和生物柴油形成的乳液的稳定性。此外,还将微波辐射与重力沉降的破乳分离效率做了比较。Santos等人为了比较单模式和多模式微波辐射器的破乳性能差别,分别用两种模式的装置进行微波破乳研究。而在与水包油型乳液相关的研究中,Kuo和Lee将海水辅助的微波破乳用于研究三种不同的乳液。Martínez-Palou等人将微波破乳与常规加热破乳做了比较,并考察了盐含量对于乳液稳定性的影响。根据以上提到的文献报导,微波辐射对于破坏油包水型乳液来说是高效的,并且常用于粗油的破乳,以促进少量水从中分离。水包油型乳液的微波破乳较少得到研究,用于纯粹分析目的的研究工作相当少。

本发明致力于设计一种超声-微波同时辅助制备生物柴油和微波破乳的分散液液微萃取技术结合气相色谱/质谱法分析测定其废水中的脂肪酸甲酯。该方法可对生物柴油废水中的脂肪酸甲酯进行富集,并在此基础上进行分析测定。

(三)

技术实现要素:

针对现有技术中存在的不足,本发明提供了一种微波破乳的分散液液微萃取技术结合气相色谱/质谱法分析测定生物柴油废水中的脂肪酸甲酯的方法。本发明方法具有操作简单、富集倍数高、快速的特点,是一种能够快速高效萃取生物柴油废水中的脂肪酸甲酯的新方法。

本发明的基本构思充分利用了分散液液微萃取分散,微波破乳技术,使得乳浊液迅速变澄清。本发明的方法,操作简便且操作时间短,不需要借助其他离心等设备,可以适用于不同体积样品的前处理操作。同时该方法适用于可对其他废水中的物质进行富集,并在此基础上进行分析测定。

本发明的技术方案如下:

一种生物柴油废水中脂肪酸甲酯的测定方法,所述方法包括如下步骤:

(1)样品前处理

在生物柴油废水待测样品中加入萃取溶剂,超声(功率为250W)乳化30~120s(优选60s),再置于功率100~300W(优选200W)微波下处理2min破乳,吸取上层萃取溶剂相,即为样品溶液;

所述待测样品与萃取溶剂的体积比为1000:3~5,优选1000:3.5;

所述萃取溶剂为甲苯、乙酸乙酯或正己烷,优选甲苯;

(2)样品检测

将步骤(1)所得样品溶液注入气相色谱-质谱联用仪进行分析,得到样品气相色谱质谱总离子流图;

气相色谱条件:色谱柱为DB-5MS(长度30m×内径0.25mm×膜厚0.25μm);进样口温度:250℃,分流进样,分流比8:1;柱温在40℃保留1min,然后以20℃/min升到160℃,保持1min;接着以5℃/min升至165℃;再以3℃/min升至198℃;最后以5℃/min升到290℃,保持15min;载气为高纯氦气(99.999%),流速为0.8mL/min,进样量1μL;

质谱条件:电子轰击离子源(EI),电子能量为70eV;采用全扫描模式,扫描范围在45~550m/z;离子阱温度为180℃,传输线温度为250℃,箱体温度为50℃;扫描速度为3scans/s,溶剂延迟为5min;

(3)建立标准曲线

取棕榈酸甲酯和硬脂酸甲酯的标准物质,先以无水乙醇为溶剂配制混标溶液,再用去离子水稀释,配制标准曲线工作溶液;将所得标准曲线工作溶液先按步骤(1)中的前处理方法进行处理,再于步骤(2)中的检测条件下进行检测,得到标准物质的气相色谱图和质谱图,以气相色谱图中的标准物质特征峰面积值为纵坐标,标准曲线工作溶液中的标准物质浓度为横坐标,分别绘制棕榈酸甲酯和硬脂酸甲酯的标准曲线;

所述标准曲线工作溶液中,棕榈酸甲酯、硬脂酸甲酯的浓度范围各自在0.2~5mg/L;

所述混标溶液中,优选棕榈酸甲酯和硬脂酸甲酯浓度均为10mg/L;

(4)获取样品中脂肪酸甲酯的测定结果

将样品谱图与标准物质谱图进行对照,对样品中所含脂肪酸甲酯进行定性;

将样品谱图中各脂肪酸甲酯的特征峰面积值代入步骤(3)建立的标准曲线中,计算得到样品中脂肪酸甲酯的含量。

本发明中,所述生物柴油废水例如来自以下生物柴油的制备过程:

将食用油、甲醇、氢氧化钾混合,在60~70℃、微波功率400~900W(优选600W)、超声功率500~1000W(优选800W)的条件下反应1~6min(优选6min),之后加入冰乙酸终止反应,反应液用去离子水清洗,收集洗涤废水,即为生物柴油废水;

所述食用油例如:大豆油、玉米油、橄榄油等;

所述食用油、甲醇、氢氧化钾的质量比为34.7:15.4:1;

所述冰乙酸的体积用量以氢氧化钾的质量计为20mL/g;

所述去离子水的体积用量以氢氧化钾的质量计为980mL/g;

所述生物柴油废水中,含有的脂肪酸甲酯例如为下列中的至少一种:棕榈酸甲酯、硬脂酸甲酯。

与现有技术相比,本发明的有益效果为:

1、本发明提供了一种新型、有效萃取分析生物柴油废水中的脂肪酸甲酯的方法;

2、首次采用微波辅助破乳与分散液液微萃取技术结合,克服了传统分散液液微萃取方法中使用离心进行破乳的问题,具有操作简单、富集倍数高、耗时短等特点;

3、采用微波辐射破乳技术,使得乳浊液迅速变澄清而不需额外的离心设备;

4、本发明操作简便且操作时间短,可以适用于不同体积样品的前处理操作;

5、应用本发明能结合实际,是一种能够快速高效萃取分析生物柴油废水中的脂肪酸甲酯的新方法。

(四)附图说明

图1为本发明中制备生物柴油的流程图;

图2a、2b分别为实施例1生物柴油的制备中的超声功率和微波功率、反应时间的优化结果;

图3为本发明萃取生物柴油废水中的脂肪酸甲酯的方法装置图;

图4a、4b、4c、4d分别为实施例1微波破乳-分散液液微萃取中的萃取剂种类、萃取剂体积、超声时间、微波功率的优化结果。

(五)具体实施方式

下面通过具体实施例对本发明作进一步描述,但本发明的保护范围并不仅限于此。

实施例1:生物柴油废水中的脂肪酸甲酯的方法

(1)生物柴油的制备及其废水收集

34.7g大豆油(金龙鱼精炼一级大豆油购自杭州当地的世纪联华超市)、15.4g甲醇和1g氢氧化钾在65℃下反应6min,微波、超声的功率分别设定为600、800W。超声模式采用1:0,即连续超声。然后添加20mL冰乙酸终止反应。然后重复添加去离子水清洗产物。总共收集1000mL废水,并储存备用。

(2)脂肪酸甲酯标准溶液的配制

以棕榈酸甲酯和硬脂酸甲酯的模拟废水,来配制标准曲线。而由于这两种甲酯缺乏水溶性,因此将它们预先溶于无水乙醇中,首先配制10mg·L-1的混标溶液,然后进行逐级稀释至5mg·L-1、2mg·L-1、1mg·L-1、0.5mg·L-1、0.2mg·L-1 5个不同浓度的标准水溶液。

(3)微波破乳-分散液液微萃取实验步骤

移取20mL步骤(1)中收集的生物柴油废水到自制烧瓶中。首先,向瓶中加入萃取剂甲苯70μL,将溶液预混合后,将烧瓶置于超声浴中超声乳化同时手摇60s。然后,将烧瓶放置在微波反应器中,设置微波辐射功率200W,持续2min。在破乳之后,将去离子水添加到烧瓶中,使有机提取剂的位置上升。最终,使之上升到烧瓶顶部的微管中,使得可以能够用微型进样器吸取提取产物。在用进样器吸取提取剂相之后,尽快进行GC-MS进样分析。

(4)样品检测

将经过前处理的样品注入气相色谱-质谱联用仪进行分析,得到样品气相色谱质谱总离子流图;

气相色谱条件:色谱柱为DB-5MS(长度30m×内径0.25mm×膜厚0.25μm);进样口温度:250℃,分流进样,分流比8:1;柱温在40℃保留1min然后以20℃·min-1升到160℃,在此温度下保持1min,接着以5℃/min升至165℃;再以3℃/min升至198℃;最后以5℃·min-1升到290℃后保持15min;载气为高纯氦气(99.999%),流速为0.8mL·min-1

质谱条件:电子轰击离子源(EI),电子能量为70eV;采用全扫描模式,扫描范围在45-550m/z;离子阱温度为180℃,传输线温度为250℃,箱体温度为50℃;扫描速度为3scans·s-1,溶剂延迟为5min。

(5)建立标准曲线

按照步骤(2)、(3)所述方法,将所得的萃取相取1μL注入气相色谱-质谱联用仪进行分析,得到标准物质气相色谱图和质谱图,以气相色谱图中的标准物质特征峰面积值为纵坐标,标准曲线工作溶液中的标准物质浓度为横坐标,绘制标准曲线;各个有机物的标准物质在标准曲线工作溶液中的浓度范围如下:

棕榈酸甲酯0.2-5mg·L-1;硬脂酸甲酯:0.2-5mg·L-1

分别得到如下标准曲线:

棕榈酸甲酯:y=633316x–53764;

硬脂酸甲酯:y=620617x–167985;

在最优条件下对建立的方法进行评估,通过向空白水样添加一系列浓度的二种目标分析物计算线性回归方程,每条曲线含有5个浓度点,每个浓度水平重复测定3次,如表1所示。二种目标分析物的线性范围为0.2-5mg/L,回归系数在0.997-0.992的范围内。检出限(LOD)为0.05mg/L,定量限(LOQ)为0.2mg/L。

表1本发明方法对于棕榈酸甲酯和硬脂酸甲酯的分析性能

(6)加标回收实验

在获得了线性方程之后,分别将1g·L-1、10g·L-1的两种甲酯的乙醇溶液取10μL添加到20mL去离子水中,这样分别配制得到等效于0.5、5mg·L-1水样的待测样品,用于空白样品的加标回收测试。每次测试至少重复3次。实验结果如表2所示。

表2不同添加量个水平下的棕榈酸甲酯和硬脂酸甲酯的回收率

可以发现,在较低、高浓度下,两种甲酯的回收率都较高,这与标准曲线是一致的,在标准曲线中能够明显看到低浓度下的拟合值低于实测值,此处获得的RSD值仍然是可以接受的。总体上来看,这些结果体现了可靠的重现性。

再多了解一些
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