液相萃取-電化學傳感器法快速測定原油和燃料油中硫化氫

(上海海關 工業品與原材料檢測技術中心,上海 200135)

硫化氫廣泛存在于原油、燃料油等石油產品中。由于硫化氫具有易揮發性,液相中的硫化氫不斷揮發至氣相中,導致氣相中硫化氫的含量較高,嚴重威脅在船艙等密閉空間內工作的人員的生命安全。而國內的一些企業出于經濟效益考慮,從國外進口價格較低的原油、燃料油,部分產區的油品中硫化氫含量較高,國內多次出現卸油過程中硫化氫泄露的事件。因此,快速準確測定油品中硫化氫含量,對加強管理進口的高含量硫化氫原油、燃料油具有重要意義。國家強制標準GB 17411-2015《船用燃料油》規定燃料油中硫化氫不得超過2 mg·kg-1。

目前測定原油、燃料油中硫化氫含量的方法主要有碘量法、電位滴定法、分光光度法、離子色譜法、氣相色譜法等[1-4],這些方法儀器體積大、操作繁瑣,不利于現場快速檢測。本工作基于電化學傳感器法,設計開發了自動儀器設備,并對儀器工作條件進行了優化。通過將已知質量的樣品加入含有稀釋劑的加熱測試管(樣品管)中,將空氣鼓泡通入樣品中,萃取其中的硫化氫,測定進入檢測器的空氣中硫化氫含量,從而計算得到樣品中硫化氫含量。本方法測定硫化氫含量屬于直接測定,省去了繁瑣的樣品前處理過程,可對原油、燃料油中硫化氫含量進行快速、簡便、準確的測定。

1 試驗部分

1.1 儀器與試劑

YG-3011型硫化氫測定儀(自制,其工作原理見圖1);JH H6A 型恒溫水浴鍋;10 mL注射器。

硫醇、硫醚混合標準儲備溶液:1.0 g·kg-1,分別稱取0.1 g乙硫醇和二甲硫醚,用稀釋劑(40 ℃時黏度約為100 mm2·s-1的Ⅱ類基礎油)稀釋至100 g。

硫化氫標準儲備溶液:2 000 mg·kg-1。

空氣的純度不小于99.999%;乙硫醇、二甲硫醚均為分析純。

1.2 儀器工作條件

空氣流量(375±55) mL·min-1;加熱器溫度(60±1)℃,冷浴溫度(-20±2)℃;稀釋劑體積20 mL;樣品分析時間(30±5)min,尾氣吹掃時間2 min。

圖1 硫化氫測定儀的工作原理Fig.1 Working principle of hydrogen sulfide analyzer

1.3 試驗方法

1.3.1 樣品前處理

原油或燃料油樣品到達實驗室后應盡快進行分析。為了將硫化氫的損失降到最小,取樣前避免劇烈搖動樣品及反復打開容器[5-6]。如果樣品在室溫下能夠自由流動,直接用注射器移取樣品;如果樣品在室溫下不能自由流動,需將樣品在密閉狀態下放入低于40℃的水浴中加熱至可以流動,或者劇烈攪拌后移取樣品。

1.3.2 硫化氫的測定

稱取1～3 g上述樣品至經預熱(60 ℃)的含有20 mL稀釋劑的樣品管中,向樣品管中通入空氣,空氣在樣品中鼓泡萃取出其中的硫化氫。從樣品中帶出的硫化氫隨著空氣流經裝有約6 g吸附劑的吸附柱(置于-20 ℃冷浴)后再進入硫化氫檢測器,以去除硫醇和硫醚。儀器實時監測氣流中硫化氫的含量,并通過積分計算得到樣品中硫化氫的含量。

2 結果與討論

2.1 試驗條件的選擇

2.1.1 稀釋劑

樣品和標準溶液分析所使用的稀釋劑必須要具有良好的互溶性、流動性,且揮發性組分少、不含硫化氫。經試驗驗證,II類基礎油本身已經過脫硫處理不含硫化氫,與原油、燃料油等樣品組分相近、相溶性好,且容易獲得。試驗選擇流動性好的II類基礎油(40℃時黏度約為100 mm2·s-1)作為稀釋劑。

2.1.2 吸附劑用量

試驗中所使用的電化學傳感器對硫化氫、硫醇、硫醚等揮發性硫化物均有響應。為避免硫醇、硫醚等揮發性硫化物對硫化氫測定的干擾,試驗中使用吸附劑在-20 ℃時對干擾物質進行吸附,而硫化氫不被吸附。為考察不同吸附劑填充量對不同含量的干擾物質的吸附效果,在5 mL 的濾芯(內徑1 cm)內分別加入約2,4,6 g的吸附劑進行測定。用稀釋劑將硫醇、硫醚混合標準儲備溶液稀釋至5.00,50.00,200.0 mg·kg-1,重復測定4次,吸附劑用量對吸附效果的影響見表1。

表1 吸附劑用量對吸附效果的影響Tab.1 Effect of amount of adsorbent on adsorption result

由表1可知:干擾物質的加入量在200.0 mg·kg-1以內時,在內徑1 cm 的濾芯內加入約6 g的吸附劑(吸附劑高度約4 cm),干擾物質在濾芯中可以被充分吸附,滿足通常樣品的分析要求。試驗選擇吸附劑用量為約6 g。

2.1.3 取樣方式

選擇2個燃料油樣品和1個原油樣品,分別在上部、中部、下部采用直接取樣、輕搖后取樣、劇烈攪拌后取樣、反復長時間開啟后取樣、加熱后(加熱溫度50 ℃,加熱時間1 h)取樣等5種取樣方式進行分析,取樣方式對硫化氫測定結果的影響見表2。

表2 取樣方式對硫化氫測定結果的影響Tab.2 Effect of sampling method on determination result of hydrogen sulfide mg·kg-1

由表2可知:通常上部樣品中硫化氫含量較高,這與硫化氫易于揮發有關。較輕的油黏度小,可以輕搖或輕輕攪拌后取樣;較重的油黏度較大,不容易混勻,需將樣品在密閉狀態下放入低于40℃的水浴中加熱至可以流動,或者劇烈攪拌后取樣,測定結果才能滿足重復性要求。但是不管輕油還是重油,反復開啟或者超過40℃長時間加熱都會造成硫化氫的揮發、測定結果的偏低,因此取樣前應確保盛裝樣品的容器未被反復開啟且未被超過40℃長時間加熱。

2.1.4 取樣量

使用稀釋劑將2 000 mg·kg-1的硫化氫標準儲備溶 液稀釋為2.00,10.00,20.00,50.00 mg·kg-1的硫化氫標準溶液。分別取約1,3,5 g上述硫化氫標準溶液至20 mL稀釋劑中重復測定6次,計算測定值的相對標準偏差(RSD)。取樣量對硫化氫測定結果的影響見表3。

由表3 可知:當硫化氫質量分數不大于10.00 mg·kg-1時,取樣量為5 g左右比較合適,回收率與RSD 較好;當硫化氫質量分數大于10.00 mg·kg-1時,取樣量為5 g左右,RSD 明顯變大,宜適當減少取樣量。試驗選擇取樣量為1～3 g。

表3 取樣量對硫化氫測定結果的影響(n＝6)Tab.3 Effect of sampling amount on determination result of hydrogen sulfide(n＝6)

2.2 干擾試驗

以空白試劑為本底配制含10.00 mg·kg-1乙硫醇、10.00 mg·kg-1二甲硫醚、10.00 mg·kg-1硫化氫的樣品,重復測定6次,考察吸附劑對干擾物質的吸附效果,以及對目標化合物硫化氫是否有吸附。結果表明:硫化氫的測定值為9.91 mg·kg-1。

由上述結果可以看出:通過濾芯吸附和低溫浴的共同作用可以完全吸附硫醇、硫醚,而硫化氫不被吸附,從而消除了硫醇、硫醚對硫化氫測定結果的干擾,保證硫化氫測定結果的準確性。

2.3 標準曲線和檢出限

分別取約3 g 的5.00,10.00,20.00,50.00,100.0,200.0 mg·kg-1的硫化氫標準溶液,按儀器工作條件進行測定。結果表明:硫化氫的線性范圍在200.0 mg·kg-1以內,線性回歸方程為y＝9.960×10-1x＋1.200×10-2,相關系數為0.999 1。

按試驗方法平行測定空白稀釋劑11次,以3倍標準偏差計算方法的檢出限(3s),結果為0.02 mg·kg-1。

2.4 回收試驗

按試驗方法對空白原油樣品進行加標回收試驗,平行測定6次,計算回收率和測定值的RSD,結果見表4。

表4 回收試驗結果(n＝6)Tab.4 Results of test for recovery(n＝6)

由表4可知:回收率為98.9%～100%,RSD 為0.30%～2.3%。

2.5 樣品分析

按試驗方法對180CST 燃料油樣品、380CST燃料油樣品、OMAN 原油2樣品進行分析,重復測定8次,樣品分析結果見表5。

表5 樣品分析結果(n＝8)Tab.5 Analytical results of the samples(n＝8)

本工作采用液相萃取-電化學傳感器法快速測定原油和燃料油中硫化氫的含量,本方法操作簡單方便、精密度好、測定結果可靠,可用于原油、燃料油中硫化氫的日常測定,也適用于碼頭、庫區等現場環境中硫化氫的快速測定。