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【微光谱应用】使用拉曼光谱仪检测甲醇汽油

来源: 蔚海光学 阅读数:112 时间:2017-11-22 09:46:38
应用背景
甲醇汽油是在普通汽油基础上添加一定比例的甲醇和其它添加剂构成的“调和油”。甲醇汽油分类方法有多种,其中一种是按照甲醇的含量,将其分为三类:低醇汽油(M3-M5)、中醇汽油(M15-M30)和高醇汽油(M85-M100),M后的数字表示甲醇汽油中甲醇的体积百分比。添加甲醇的优点在于能改良普通汽油的品质,能提高汽油的辛烷值。同普通汽油、柴油相比,甲醇汽油在相同条件下燃烧更充分,尾气中常规CO等污染物与PM2.5微粒排放明显降低。

甲醇添加比例不同,其燃烧性能和对发动机的要求也不同。低比例的汽油无须对发动机和装置进行改造,可直接使用。中等比例的甲醇汽油对发动机有一定要求,且往往需要添加对应的助溶剂,高比例的甲醇汽油则不能与普通汽油通用,且需要改造发动机结构。在普通发动机里使用错误比例的甲醇汽油会导致汽油热值下降,且容易产生气阻影响供油,对发动机密封系统容易产生腐蚀和磨损等不良影响。所以世界很多地方都将甲醇含量作为甲醇汽油的一个核心指标,对其含量都有严格规定。

准确、高效的检测甲醇含量对于甲醇汽油生产质量控制与市场产品性能评价都有重要帮助。甲醇汽油的经典检测方法是气相色谱法,但该方法因为前处理繁琐,标定复杂,测试周期长等原因,测试效率低下,难以实现快速检测。近红外光谱法可以实现甲醇含量的快速测定,但因为汽油中其他醇类与甲醇的近红外光谱差异不大,测试结果很容易受其他醇类含量波动的干扰。浙江大学的戴连奎教授发现,基于海洋光学的便携式拉曼光谱仪,可以快速、无损和高校的检测甲醇汽油含量[1][2]。

测量过程与方法
戴连奎教授使用海洋光学QE65000光谱仪测量了一系列甲醇汽油样品的拉曼光谱数据。QE65000光谱仪采用高灵敏度的制冷CCD探测器,体积小巧,性能卓越。有关该光谱仪的详细参数请登录海洋光学官方网站上查询。

实验中光谱测量范围是0-2100cm-1,积分时间为25s,激光器中心波长是785nm,采样池尾10mm石英比色皿。样品放入比色皿后,激光通过激发光纤到达光纤探头,照射样品后产生拉曼信号,再经过光纤探头收集,经过收集光纤进入光谱仪,信号扣除暗背景后得到样本原始拉曼信号。

汽油样本使用炼油厂提供的多份90#和93#汽油作为基础油样,然后加入分析纯度大于99.5%的无水甲醇,配置成体积分数从10%到90%一系列不同甲醇含量的甲醇汽油样品。由于含水量极少,在室温下待测甲醇汽油样品未发生明显分层,所以实验中无需再添加额外的助溶剂。

为准确提取光谱有效信息,原始拉曼光谱需要进行预处理,主要步骤包括谱段选择、平滑除噪、荧光背景消除和标准归一化等,标准归一化选择了饱和烃特征峰(1460cm-1)强度作为基准光强。下图展示了经过预处理前后的样品拉曼图谱对比。
图1 预处理前的样品拉曼谱图


图2 预处理后的样品拉曼谱图

甲醇的特征峰谱段分布在1021-1091cm-1。该科研团队发现,样品中的甲醇特征峰强度与甲醇浓度相关性很高,其中在1050cm-1处强度值与甲醇浓度存在显著的线性相关关系,适合作为甲醇浓度特征观察峰。

结果与讨论
海洋光学QE系列光谱仪易于携带、性能强大、操作简便和便于集成,为该团队的研究提供了有力的支持。除了应用于实验室环境,该光谱仪也适合于甲醇汽油生产质量控制、性能评价和现场测试等各个需要便携式检测设备的领域。


参考文献:
[1]姚捷,戴连奎",林艺玲. 基于拉曼特征峰的甲醇汽油甲醇含量测定[J]. 光散射学报,2013,25(01):59-65. [2017-10-03]. DOI:10.13883/j.issn1004-5929.2013.01.009

[2]董学锋,戴连奎. 甲醇汽油在线拉曼分析仪的开发及其应用[J]. 自动化仪表,2013,34(08):81-83. [2017-10-03]. DOI:10.16086/j.cnki.issn1000-0380.2013.08.006