生物丁醇试样中无机阴离子的离子色谱检测法

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生物丁醇试样中无机阴离子的离子色谱检测法
点击次数：4217 更新时间：2012-12-28

1前言

进入21世纪，世界经济高速发展，自然资源以*的速度被消耗着。一些重要资源如石油甚至面临枯竭的危险，世界各国意识到问题的严重性，纷纷研究可以替代的产品。目前汽油的燃料替代品以对生物丁醇的研究和生产较为热门。生物丁醇之所以被视为一个替代乙醇的更好燃料添加剂，是因为它比乙醇具有更低的蒸汽压，更高的能量密度, 也可以和汽油能以非常高的比例混合。尤其是丁醇的辛烷值和汽油更接近^[1]。与化石燃料相比，生物丁醇具有更强的可再生能源的特征。

早期的生物丁醇是从玉米和大麦等多种谷类作物发酵制取。现在使用秸秆和木质种类的纤维发酵来生产丁醇是该业界主要发展方向^[2]。随着生物丁醇发酵和相关分离技术的日益完善，其产品的价格也将日益降低。

不同发酵原料，要求生物丁醇生产工艺有所不同。为了产品的质量，必需对其中的杂质进行例行检测。其中过量的无机溶解盐所含的无机阴离子，可能会对机动交通工具的引擎产生腐蚀作用，其排放的尾气，也将会影响到大气的质量^[^3-5^]。

目前现行测定醇类物质中无机阴离子的标准方法一般采用离子选择电极法、比色法、沉淀滴定等方法，此类方法操作复杂、存在基体干扰大、度低等缺点^[⁶^]。已有的文献表明，离子色谱法测定醇类物质中的Cl^-、NO₃^-、SO₄^2-等无机阴离子具有操作简便、无基体干扰、度高、重现性好等优点^[^7-10^]，但一般采用价格昂贵的进口仪器。对于应用国产离子色谱仪，测定国产生物丁醇中无机阴离子的浓度，笔者未见已面世的文献报道。可以认为，对硫酸根和氯离子等无机阴离子的测定，是生物丁醇质检的重要指标。

本文建立了使用国产离子色谱仪测定生物丁醇中Cl^-等无机阴离子的方法，其较低检出限范围：0.5-2.0mg/L（S/N=3），回收率范围：96.8% - 102.2% ，重现性范围：0.59% - 0.84%。与进口仪器方法相比，无丁醇基体干扰，重现性结果相当，为生物丁醇中无机阴离子的测定提供了一种可靠的方法。

2、实验部分

2.1仪器与试剂

仪器：PIC-10A型离子色谱仪，青岛普仁仪器有限公司；

可调万用电炉，龙口市电炉制造厂；

试剂：Na₂CO₃（基准试剂）, NaHCO₃（分析纯），上海埃彼试剂有限公司；

Cl^-, NO₃^-, H₂PO₄^-, SO₄^2-标准溶液（1000mg/L），国家标准物质研究中心;

30%H₂O₂，烟台三和化学试剂有限公司;

纯水（电阻率大于18.2MΩ.cm），Millipore；

样品：某生物丁醇制研单位的中试产品。

2.2色谱条件

色谱柱：PR-SA-10A阴离子交换分离柱（250mm×4.6mm），淋洗液：1.8mM Na₂CO₃+1.7 mM NaHCO₃，流速：1.0mL/min，进样体积：200mL

2.3样品预处理

在50mL烧杯中加入10mL样品，2mL H₂O₂混匀，静置约5min。把烧杯放到电炉的低温档上加热（通风橱中操作），使液态样品慢慢蒸发。当样品接近蒸干时（体积大约1mL），停止加热，让样品自然冷却5min。加入80mL去离子水，温热溶解潮盐，再冷却至室温。将样品转移定容到100mL容量瓶中。样品经过0.22mm滤膜后进样分析。

3.结果与讨论

3.1色谱条件的选择

^{9, 10}^]，若使用自在生抑制模式，两种淋洗方式均存在基体干扰。而使用外加酸抑制模式则不存在基体干扰。考虑到预处理方法中已将丁醇去除，而OH^-在国产离子色谱柱中淋洗能力较弱，本文采用Na₂CO₃+NaHCO₃淋洗液。

为分析醇类物质中的无机阴离子，进口仪器一般采用碳酸盐淋洗液或KOH淋洗液在线发生^[

3.2样品中阴离子谱图

图1表明正丁醇中主要存在Cl^-（3.786mg/L）、 NO₃^-（2.146mg/L）、 H₂PO₄^-（2.719mg/L）和SO₄^2-（3.517mg/L）等无机阴离子，样品经过预处理后不存在丁醇基体干扰。Thermo Fisher Scientific公司^[⁷^]曾采用直接进样的方式测定色谱纯甲醇中的Cl^-和SO₄^2-，该方法存在甲醇基体干扰，对Cl^-的定量产生一定的影响。而文献[10]中提到，甲醇基体甚至会将Cl^-峰覆盖，无法检测Cl^-，因此，去除样品中的醇类基体十分必要。

2.2标准曲线与检出限

配置一系列标准溶液，在确定的色谱条件下依次进样分析，以3倍的信噪比（S/N=3）计算较低检出限。四种离子的线性方程、相关系数以及较低检出限（n=3）结果见表1。

表1 Cl^-、NO₃^-、H₂PO₄^-、SO₄²^-线性方程、相关系数和较低检出限

分析物	线性方程	相关系数/R²	较低检出限（mg/L）
分析物	线性方程	相关系数/R²	本文	文献[7]	文献[9]
Cl^-	Y=-140600+1009000X	0.9990	0.5	3	1.1
NO₃^-	Y=-194900+477700X	0.9988	0.85		3.2
H₂PO₄^-	Y=-97540+183400X	0.9992	1.2
SO₄^2-	Y=-251200+623100X	0.9996	2.0	8	4.9

从表1中可以看出，本方法具有较高的灵敏度，四种离子的较低检出限甚至低于进口仪器相应指标，这可能与进样体积大（200ml）有关，进口仪器一般采用25ml进样量。图2表示的是四种阴离子的线性叠加谱图。

2.3 加标回收率

向1.3所得样品中添加已知量的四种离子，在确定的离子色谱条件下进行加标回收实验，样品平行测定3次。实验结果如表2所示。

表2 样品加标回收率

分析物	本底（mg/L）	添加浓度（mg/L）	测定值（mg/L）	回收率/%	平均回收率/%
Cl^-	3.786	1.0	4.653	97.22	99.13
			4.801	100.31
			4.779	99.85
NO₃^-	2.146	1.5	3.768	103.35	102.22
			3.671	100.69
			3.742	102.63
H₂PO₄^-	2.719	2.0	4.722	100.06	96.87
			4.659	98.73
			4.333	91.82
SO₄^2-	3.517	2.0	5.408	98.02	97.42
			5.329	96.59
			5.387	97.64

2.3 重现性试验

将正丁醇样品按照1.3的处理方法平行处理5次。5份样品中离子的保留时间与峰面积重现性结果如表3所示。

表3 保留时间与峰面积重现性结果

分析物	保留时间/min	保留时间RSD%	峰面积	峰面积RSD%
分析物	保留时间/min	保留时间RSD%	峰面积	本文	[7]	[7]
Cl^-	2.747 2.746 2.748 2.757 2.749	0.16	332880 328402 330050 329605 335070	0.82	0.61^a	0.40^b
NO₃^-	5.385 5.384 5.381 5.400 5.391	0.14	309400 307020 311236 313564 310989	0.78
H₂PO₄^-	8.592 8.591 8.594 8.602 8.597	0.05	165310 165055 168430 167180 166011	0.84
SO₄^2-	11.255 11.257 11.271 11.276 11.277	0.09	547286 550020 549225 555977 550578	0.59	0.53^a	1.90^b

注：a为1.0mg/L连续进样10次的重现性，b为10.0 mg/L连续进样10次的重现性

从表2可以看出本方法稳定、可靠，回收率较好。从表3中可已看出，本文所述方法无论是保留时间还是峰面积都具有较高的重现性，结果与进口仪器相当。在Thermo Fisher Scientific公司^[⁷^]提供的方法中，由于SO₄^2-在甲醇中溶解度有限，10mg/L SO₄^2-会逐渐流失，致使峰面积重现性较差（n=10,RSD%=1.90）。重现性叠加谱图见图3。

3.结论

以PIC-10离子色谱检测生物丁醇（中试产品）中的无机阴离子。其较低检出限范围：0.5-2.0mg/L（S/N=3）；回收率范围：96.8% - 102.2% ；重现性范围：0.59% - 0.84%。本方法无丁醇基体干扰，灵敏度高，重现性结果与进口仪器相当，适用于生物丁醇行业的常规质检。

笔者郑重推荐，本方法可应用于生物丁醇研制行业的例行检测。

本研究在样品处理上将开展氧弹燃烧法实验，它将进一步加快样品处理的速度。

该中试样品中氯离子，硫酸根等四种无机阴离子均在谱图中明显可见。与笔者所接触的更别的产品相比，硝酸根等有偏高的迹象^[¹¹^]。建议进一步优化生物丁醇的提取工艺。

4.参考文献

[1]. P. R. Perati, B. D. B., Jeffery Robrer, Assay of fuel grade butanol for total and potential sulfate and total chloride. Per Astm D 732807, Application note 296. 2011.

[2]. Green, E. M., Fermentative production of butanol—the industrial perspective.[J].Current Opinion in Biotechnology.2011, 22: （3）, 337-343.

[3]. S. Y. Lee, J. H. P., S. H. Jang, et al, Fermentative butanol production by clostridia. [J]. Bio-technology and Bioengineering .2008, 101: （2）, 209-228.

[4]. 应明, 生物丁醇萃取剂回收过程工艺条件的优化.[J].天然气化工：C1化学与化工.2011, 36:（1）, 39-41.

[5]. 闫永亮, 刘宏娟, 张建安, 代谢工程在生物丁醇生产中的应用及研究进展.[J].现代化工.2012, 32:（4）, 25-30.

[6]. 崔鹤, 林雨霏, 刘靖靖, 离子色谱法测定乙醇中无机阴离子.[J].理化检测（化学分册）.2012, 01.

[7]. Determination of Chloride and Sulfate in Methanol Using Ion Chromatography. Dionex Application Note 201.

[8]. Kirk Chassaniol, D. T., Determination of Chloride and Sulfate in Ethanol Using Ion Chromatography; Dionex Application Update 161; LPN 1920. Sunnyvale, CA.2007.

[9]. 叶明立, 朱岩, 施青红, 离子色谱法测定有机溶剂中痕量阴离子.[J].Chinese Journal of Analytical Chemistry 2005, 33: （2）, 187-190.

[10]. 郭莹莹, 张嘉捷, 施青红, 水溶性有机溶剂中痕量阴离子的离子色谱测定及机理研究.[J].浙江大学学报（理学版）.2005, 32:（2）, 194-197.

[11]. GB/T6027-1998 中华人民共和国国家标准---工业正丁醇.

THE DETERMINATION OF INORGANIC ANIONS IN BIO-BUTANOL SAMPLE WITH ION CHROMATOGRAPHY

Hou Qianhui ¹ Wang Cunjin¹Du Xiaolei¹Yu Jijin²

（1. QingDao Puren Instrument. Com.Ltd, Qingdao 266043 2. QingDao University，Qingdao 266071）

Abstract：Cl^-and some inorganic anionsin butanol sample were determined with China’s ion chromatography. The detection limits（S/N=3）, recovery and reproducibility were in the range of 0.5 – 2.0 mg/L, 96.8% - 102.2% and 0.59% - 0.84% respectively. The method showed short analytical period（in 14 min）, no butanol matrix interference, higher sensitivity, and the reproducibility is as good as imported instrument.

Key Words：Bio-butanol, ion chromatography, conductivity detection, matrix