Abstract
Los compuestos de carbonilo presentes en aceites biológicos son conocidos por ser responsable de los cambios de propiedades bio-petróleo durante el almacenamiento y durante la actualización. En concreto, carbonilos provocan un aumento de la viscosidad (a menudo referido como "envejecimiento") durante el almacenamiento de aceites biológicos. Como tal, el contenido de carbonilo ha sido previamente utilizado como un método de seguimiento de envejecimiento bio-aceite y reacciones de condensación con menos variabilidad que las medidas de viscosidad. Además, los carbonilos son también responsables de la formación de coque en los procesos de mejora de bio-aceite. Dada la importancia de carbonilos en aceites biológicos, métodos analíticos precisos para su cuantificación son muy importantes para la comunidad de bio-aceite. métodos de valoración potenciométrica sobre la base de oximación carbonilo han sido utilizados para la determinación del contenido en carbonilo en la pirólisis bio-aceites. A continuación, presentamos una modificación de los procedimientos tradicionales de oximación carbonilo que se traduce en menos tiempo de reacción, muestra de menor tamaño, mayor precisión y más acccarbonilo determinaciones de ácido úrico. Si bien los métodos de oximación carbonilo tradicional se producen a temperatura ambiente, el método presentado aquí Faix se produce a una temperatura elevada de 80 ° C.
Introduction
Mientras pirólisis bio-aceites se componen de una gran variedad de compuestos y grupos funcionales químicos, la cuantificación de los grupos carbonilo es especialmente importante. Carbonilos son conocidos por ser responsable de la inestabilidad de bio-aceite durante el almacenamiento tanto 1 y 2 de procesamiento. El método de valoración que se presenta aquí es una técnica sencilla que se puede cuantificar de manera fiable el contenido total en carbonilo de bio-aceites. Sólo los grupos funcionales aldehído y cetona se cuantifican utilizando este método; grupos de ácidos carboxílicos y lactonas no se cuantifican.
Para el análisis de bio-aceites, la cuantificación de grupos carbonilo por titulación tradicionalmente se ha logrado mediante el método de Nicolaides 3. Este método se ha usado comúnmente en la literatura bio-aceite 4, 5, 6, 7. Esto es unsencillo procedimiento en el que los carbonilos se convierten en la oxima correspondiente (véase la Figura 1). El HCl liberado reacciona con piridina para forzar el equilibrio hacia la terminación. El ácido conjugado de piridina se valora con una cantidad conocida de NaOH (reactivo de valoración base). El número de equivalentes de NaOH utilizadas es estequiométricamente equivalente a los moles de carbonilo presente en el bio-aceite.
El método Nicolaides, sin embargo, tiene varias limitaciones. Se puede requerir tiempos de reacción más de 48 horas para llegar a su finalización. Esto limita seriamente el flujo de muestras. Se utiliza piridina, que es tóxico. se requieren pesos de muestra de 1 a 2 g. Peso de la muestra utilizada depende de la cantidad de hidroxilamina HCl presente y el contenido de carbonilo de la muestra. Si las estimaciones iniciales del peso de la muestra utilizada son incorrectos, la valoración tiene que ser repetido.
Faix et al. 8 desarrollaron un método que ha sido modificado hERE para hacer frente a los problemas del método Nicolaides. La reacción se lleva a cabo a 80 ° C durante 2 horas, lo que aumenta el flujo de muestras. La piridina se ha sustituido con trietanolamina, que es una sustancia menos tóxica. El tamaño de la muestra se puede reducir a 100 a 150 mg. La trietanolamina consume el HCl liberado, conducir la reacción hasta su finalización y la trietanolamina no consumido se valora directamente. Una valoración secundaria de la hidroxilamina es innecesario. La comparación de estos métodos de valoración ha demostrado que el método Nicolaides subestima significativamente el contenido de carbonilo de bio-aceites 9.
El método descrito aquí se ha modificado desde el método original 8 a ser más aplicable al análisis de pirólisis bio-aceites. Este método fue desarrollado para el análisis de pirólisis prima aceites biológicos, pero se ha aplicado con éxito a otros tipos de aceites derivados de la biomasa, incluyendo los bio-aceites hidrotratados. Addinalmente, este método se ha utilizado para monitorear los cambios en el contenido de carbonilo durante tanto el envejecimiento como la actualización.
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Protocol
Precaución: Por favor revise todas las hojas de datos de seguridad de materiales pertinentes (MSDS) antes de empezar. El etanol es inflamable. Todos los procedimientos de manipulación aplicables químicos deben seguirse, así como todos los procedimientos desechables y manejo de residuos aplicables.
1. Soluciones de reactivo
- Preparar la solución de clorhidrato de hidroxilamina (solución A): Añadir 7,7 g de hidrocloruro de hidroxilamina y 50 ml de agua desionizada a un matraz aforado de 250 ml. Cuando todos los sólidos se han disuelto, diluya hasta la marca con etanol. Esto resulta en una solución de clorhidrato de hidroxilamina 0,55 M en 80% (v / v) de etanol.
- Preparar la solución de trietanolamina (Solución B): Añadir 17,4 ml de trietanolamina a un matraz aforado de 250 ml. Añadir 10 ml de agua, y luego se diluye hasta la marca con etanol. 95% de etanol también se puede utilizar si se omite la adición de agua. Esto resulta en una solución 0,48 M de trietanolamina en 96% (v / v) de etanol
- Preparar el ácido clorhídricosolución. Cualquiera de comprar 0,1 N solución o preparar utilizando 10 ml de HCl concentrado y 1 L de agua.
2. Bio-aceite de toma de muestras y manipulación
- Asegúrese de que la muestra de aceite esté a temperatura ambiente antes de la extracción de una muestra. Homogeneizar bien (mezcla agitando vigorosamente durante al menos 1 minuto, y una inspección visual de la muestra para asegurar que esté homogéneo. Algunos aceites biológicos pueden requerir mayores tiempos de agitación) bio-aceite para obtener una muestra representativa.
- Para la muestra bio-aceite, utilice 100 a 150 mg de bio-aceite.
- Minimizar la exposición al oxígeno y calor para evitar la degradación de la muestra antes del análisis.
3. Procedimiento Analítico
- Normalización de la solución de base
- Dry Na 2 CO 3 patrón primario en un horno a 105 ° C durante la noche para asegurar una muestra seca. Deje que el Na 2 CO 3 se enfríe a temperatura ambiente antes de pesar.
- Pesar 100 a 150 mgde carbonato de sodio a un vaso de valoración, registrar el peso real, agregar una barra de agitación y añadir agua suficiente para cubrir el bulbo del electrodo de pH y la unión.
- Transferir la muestra a un recipiente de valoración, el lavado de los viales de reacción varias veces por separado con etanol y agua en proporciones para hacer una solución final 80% de etanol / agua. Valorar con la solución de ácido usando un titulador automático al punto final. Registre el punto final. El punto final se define como el punto de inflexión en la curva de titulación.
- Repita el proceso dos veces para obtener tres puntos.
- Utilice el valor medio como la normalidad de la solución de ácido.
- Preparación de los espacios en blanco de valoración
- Para un blanco: añadir 0,5 ml de sulfóxido de dimetilo (DMSO) a un vial de 5 ml con una paleta de giro.
- Añadir 2 ml de solución de clorhidrato de hidroxilamina (solución A).
- Añadir 2 ml de solución de trietanolamina (solución B).
- Tapa con fuerza, en lugar precalentado (80 ° C) de calorer bloque o baño de agua y se agita durante 2 horas.
- Valorar con una solución de ácido usando un titulador automático al punto final, y el registro de punto final.
- Para Blank B: Si el ácido mineral se sospecha que es presente en la muestra, añadir 0,5 ml de DMSO a 5 ml vial con una paleta de giro.
- Añadir 2 ml de solución de trietanolamina (solución B).
- Su tapa y agitar a 80 ° C durante 2 horas.
- Transferir la muestra a un recipiente de valoración, el lavado de los viales de reacción varias veces por separado con etanol y agua en proporciones para hacer una solución final 80% de etanol / agua. Valorar con la solución de ácido usando un titulador automático al punto final. Registre el punto final.
- Repita el proceso tres veces para obtener tres puntos.
- Validación del método que utiliza un carbonilo Conocido
- Pesar ~ 100 mg de 4- (benciloxi) benzaldehído (4-BBA) a un vial de 5 ml, registrar el peso real, añadir una paleta de centrifugado.
- Añadir 0,5 ml de DMSO.
- Disolverla muestra en 2 ml de solución de clorhidrato de hidroxilamina (solución A).
- Añadir 2 ml de solución de trietanolamina (solución B).
- Cerrar herméticamente la tapa y se agita a 80 ° C durante 2 horas.
- Transferir la muestra a un recipiente de valoración, el lavado de los viales de reacción varias veces por separado con etanol y agua en proporciones para hacer una solución final 80% de etanol / agua. Valorar con la solución de ácido usando un titulador automático al punto final. Registre el punto final.
- Repetir el proceso tres veces, para obtener tres puntos.
- Análisis de Bio-aceite Uso del método
- Se pesa cerca de 100 mg de la bio-aceite al vial de 5 ml, registrar el peso real y añadir una paleta de centrifugado.
- Añadir 0,5 ml de DMSO.
- Disolver la muestra en 2 ml de solución de clorhidrato de hidroxilamina (solución A).
- Añadir 2 ml de solución de trietanolamina (solución B).
- Cerrar herméticamente la tapa y se agita a 80 ° C durante 2 horas.
- º de transferenciae muestra a un recipiente de valoración, el lavado de los viales de reacción varias veces por separado con etanol y agua en proporciones para obtener una solución final de 80% de etanol / agua. Valorar con la solución de ácido usando un titulador automático al punto final. Registre el punto final.
- Repetir el proceso tres veces, para obtener tres puntos.
- En Blanco C: Si el ácido mineral se sospecha la presencia en la muestra, pesan cerca de 100 mg de la bio-aceite en un vial de 5 ml, se registra el peso y añadir una paleta de centrifugado.
- Añadir 0,5 ml de DMSO.
- Añadir 2 ml de solución de trietanolamina (solución B).
- Su tapa y agitar a 80 ° C durante 2 horas.
- Transferir la muestra a un recipiente de valoración, el lavado de los viales de reacción varias veces por separado con etanol y agua en proporciones para hacer una solución final 80% de etanol / agua. Valorar con la solución de ácido usando un titulador automático al punto final. Registre el punto final.
- Repita el proceso tres veces para obtener tres puntos.
4. Cálculos
- Normalización de la solución de base
- Calcular la concentración de la solución de ácido (mol / L) mediante la siguiente ecuación. El peso del carbonato de sodio seco en gramos es w 1, la pureza se escribe como una fracción (es decir, 99% es 0,99), y el punto final se encuentra en mL.
- Calcular la concentración de la solución de ácido (mol / L) mediante la siguiente ecuación. El peso del carbonato de sodio seco en gramos es w 1, la pureza se escribe como una fracción (es decir, 99% es 0,99), y el punto final se encuentra en mL.
- Validación del método que utiliza un carbonilo Conocido
- Calcular la concentración de 4BBA (mol / L) en la muestra usando la siguiente ecuación. El peso de la 4BBA en gramos es W 2, la pureza 4BBA se escribe como una fracción (es decir, 99% es 0,99), la concentración de la solución de ácido (mol / L) es [ácido], el trietanolamina / hidroxilamina • HCl punto final en blanco es EP BA (el valor medio de tres espacios en blanco, en ml), y el punto final es EP (en ml). <br />
- Calcular la concentración de 4BBA (mol / L) en la muestra usando la siguiente ecuación. El peso de la 4BBA en gramos es W 2, la pureza 4BBA se escribe como una fracción (es decir, 99% es 0,99), la concentración de la solución de ácido (mol / L) es [ácido], el trietanolamina / hidroxilamina • HCl punto final en blanco es EP BA (el valor medio de tres espacios en blanco, en ml), y el punto final es EP (en ml). <br />
- Análisis de biopetroleo
- Calcular la concentración de carbonilos en aceites biológicos [CO] (mmol / g-bio petróleo) utilizando la siguiente ecuación. El peso de la bio-aceite en gramos es w 3, la concentración de la solución de ácido (mol / L) es [ácido], el trietanolamina / hidroxilamina • punto final en blanco HCl es EP BA (el valor medio de tres espacios en blanco en ml) y el punto final es un EP (en mL).
- Calcular la concentración de carbonilos en aceites biológicos [CO] (mmol / g-bio petróleo) utilizando la siguiente ecuación. El peso de la bio-aceite en gramos es w 3, la concentración de la solución de ácido (mol / L) es [ácido], el trietanolamina / hidroxilamina • punto final en blanco HCl es EP BA (el valor medio de tres espacios en blanco en ml) y el punto final es un EP (en mL).
- corrección de ácido
NOTA: La presencia de ácidos minerales o ácidos orgánicos con pKa <2 puede causar valores artificialmente bajos carbonilo debido a la reacción del ácido con trietanolamina.- Si esto se sospecha, realice los espacios en blanco que se detallan en las secciones 3.2.6 y 3.4.8. El peso de la bio-aceite en la muestra en gramos esw 3, EP es el punto final de la muestra y EP BA es la trietanolamina / blanco hidroxilamina. EP BB es el punto final de Blank B, EP BC es punto final de C en blanco y el peso (g) de aceite usado en C en blanco se w BC:
Para muestras bio-petróleo que contienen principalmente ácido acético, este es un paso innecesario.
- Si esto se sospecha, realice los espacios en blanco que se detallan en las secciones 3.2.6 y 3.4.8. El peso de la bio-aceite en la muestra en gramos esw 3, EP es el punto final de la muestra y EP BA es la trietanolamina / blanco hidroxilamina. EP BB es el punto final de Blank B, EP BC es punto final de C en blanco y el peso (g) de aceite usado en C en blanco se w BC:
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Representative Results
Una curva de valoración típica consiste en un único punto final, como se muestra en la Figura 2. titulaciones típicos tanto para una muestra bio-aceite crudo, y una prueba en blanco, se muestran. A medida que el punto final se encuentra en el punto de inflexión en la curva de valoración; el punto final se puede identificar fácilmente mediante el trazado de la primera derivada de la curva de valoración (que se muestra en el eje derecho, dpH / dV, en la Figura 2). Muchos sistemas de valoración automáticos tienen un software que calcula la derivada de la curva de valoración, que a veces se hace referencia a los criterios de reconocimiento como punto final (ERC).
Figura 1: reacción de oximación. esquemática de reacción que muestra la conversión de un compuesto de carbonilo en la oxima correspondiente.
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Figura 2: muestra y curvas de valoración en blanco. curvas representativas de titulación para un fresco de la pirólisis de bio-aceite, y una valoración en blanco. Primeras derivadas de las curvas de valoración, el DPH / dV, también se muestran. Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.
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Discussion
Curvas de valoración representativos se muestran en la Figura 2. Una valoración testigo, así como una valoración de una muestra de aceite de pirólisis, se muestran. Además, se muestra la primera derivada de la curva de valoración (DPH / dV), que permite un fácil reconocimiento del punto final de la titulación. La tabla de inserción en la Figura 2 muestra los datos por triplicado tanto para el aceite de pirólisis y titulaciones en blanco, con valores medios y las desviaciones estándar. Los valores de los límites que se muestran (en mL) se utilizan en la Sección 4 para calcular el contenido de carbonilo total (en mmol / g) en la muestra de aceite de pirólisis. Para la valoración aceite de pirólisis se muestra en la Figura 2, la masa de la muestra bio-aceite era 0,1148 g, la concentración de ácido fue 0,07032 mol / L, el punto final en blanco era 13.041 ml, y el punto final de aceite de pirólisis fue 4,891 ml. Esto dio lugar a un contenido de carbonilo de 4,992 mmol / g bio-aceite.
Durante el desarrollo del método, no se observaron interferencias de acetato de etilo o unaácido ascético. Hemos encontrado que la adición de alcoholes provoca interferencias pero que depende de la longitud de cadena. La razón es todavía indeterminado pero puede estar relacionado con disolvente propiedades del alcohol. Vale la pena señalar que los monosacáridos se miden utilizando este método. La selectividad de este método fue probado mediante el uso de 1-butanol, 1-pentanol, butanol terciario, 2-propanol, acetato de etilo, ácido acético, xilosa y glucosa como compuestos modelo, que representa alcohol, éster, ácido carboxílico y los hidratos de carbono en el bio- petróleo. Este método ha sido utilizado para analizar de manera fiable al menos 20 de pirólisis bio-aceites crudos, tanto frescos como hasta la edad de 120 horas a 80 ° C. Además, varios de pirólisis tratada con hidrógeno aceites biológicos han sido analizadas con éxito. La aplicabilidad de este método a una amplia variedad de muestras de bio-aceite, combinado con un alto nivel de precisión y fiabilidad, puede prestar este método para otras aplicaciones en el futuro. Por ejemplo, el contenido de carbonilo puede ser usado para reemplazar la viscosidad en un bio-aceite de ensayo de envejecimiento.
En el método original, Faix et al. 8 mezclaron la trietanolamina y soluciones de hidrocloruro de hidroxilamina para hacer una solución de stock. Esto conduce a la formación de trietanolamina • HCl que se traducirá en un error de medición. En este método, la titulación de la muestra se debe hacer inmediatamente después de oximación (después de 2 horas de agitación). Si la titulación se retrasa después de oximación, trietanolamina puede formar trietanolamina • HCl, que se traducirá en un error en la medición.
Una solución de 80% de etanol no es necesaria para la transferencia de la muestra al recipiente de valoración; sólo se necesita un volumen final de 80% de etanol. Como un compuesto modelo, 4- (benciloxi) benzaldehído (4-BBA) tiene un peso molecular suficientemente alto para utilizar aproximadamente la misma cantidad (~ 100 mg) que la muestra bio-aceite. Si bien se sugiere utilizar 4-BBA como el compuesto modelo carbonilo, otros compuestos pueden ser utilizadosen lugar de 4-BBA. Por último, espacios en blanco B y C son innecesarias si los ácidos orgánicos sólo están presentes en la muestra bio-aceite.
Como se discutió en la introducción, el método Faix presentado aquí tiene muchas ventajas sobre el método de titulación tradicional carbonilo (el método Nicolaides). Recientemente, una comparación de métodos de valoración Nicolaides y Faix ha demostrado que el método Nicolaides subestima significativamente el contenido de carbonilo de bio-aceites 9. Además, en el año 2015 un estudio entre laboratorios se realizó en un fresco de la pirólisis de bio-aceite, y este estudio incluyó tanto métodos de valoración Nicolaides 10 y Faix. Se encontró que el método de carbonilo Faix presentado aquí fue especialmente fiable, con variabilidad <5% de desviación estándar relativa (RSD) entre todos los laboratorios participantes. En comparación, el método de Nicolaides mostró una variabilidad entre laboratorios de ~ 10% RSD. Finalmente, si bien este método fue desarrollado para el análisis of pirólisis prima aceites biológicos, también se ha utilizado con éxito para la cuantificación de pirólisis carbonilo en los bio-aceites mejorados.
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Disclosures
Los autores no tienen nada que revelar.
Acknowledgments
Este trabajo fue apoyado por el Departamento de Energía de Estados Unidos bajo el Contrato No. DE-AC36-08GO28308 con el Laboratorio Nacional de Energía Renovable. Financiación proporcionada por la Oficina US DOE de la eficiencia energética y la Oficina de bioenergía tecnologías de energía renovable. El Gobierno de Estados Unidos conserva y el editor, al aceptar el artículo para su publicación, reconoce que el gobierno de Estados Unidos mantiene una licencia no exclusiva, que se haya abonado, irrevocable, mundial de publicar o reproducir el formulario publicado de esta obra, o permitir que otros lo hagan, para los propósitos del gobierno de Estados Unidos.
Materials
| Name | Company | Catalog Number | Comments |
| Analytical balance | accurate to 0.1 mg | ||
| dry block heater with magnetic stirrer, or hot water bath with magnetic stirrer | |||
| Automatic titrator | We used a Metrohm Titrando 809 automatic titrator, though other equivalent systems are acceptable | ||
| Deionized water | |||
| Ethanol (reagent grade) | CAS # 64-17-5 | ||
| Hydroxylamine hydrochloride | CAS # 5470-11-1 | ||
| Triethanolamine | CAS #102-71-6 | ||
| Hydrochloric acid (37%) | CAS # 7647-01-0 | ||
| Sodium Carbonate (primary standard) | SigmaAldrich | 223484 | |
| 4-(benzyloxy)benzaldehyde | CAS # 4397-53-9 | ||
| Dimethyl sulfoxide | CAS # 67-68-5 | ||
| 5 mL glass Reacti-vials with solid lid and teflon spinvane | Thermoscientific | TS-13223 | |
| 200 mL volumetric flask | |||
| Volumetric or mechanical pipettes |
References
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