방법 논문

Faix 방법 : 전위차 적정에 의한 바이오 오일의 카르 보닐 작용기의 결정

DOI:

10.3791/55165

⸱

2017년 2월 7일

 , 
1National Bioenergy Center, National Renewable Energy Laboratory

이 논문에서

요약

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

여기에서는 열분해 바이오 오일에서 카르보닐 화합물을 정확하게 정량화하기 위한 전위차 적정 기술을 제시합니다.

초록

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바이오 오일에 존재하는 카르 보닐 화합물은 저장시 및 업그레이드 동안 바이오 오일 속성 변경에 대한 책임 것으로 알려져있다. 특히, 카르 보닐 바이오 오일 저장 중에 (종종 "숙성"이라 함)의 점도의 증가를 야기한다. 이와 같이, 카본 함량은 이전 점도 측정 미만 변동 바이오 오일의 노화와 축합 반응을 추적하는 방법으로 사용되었다. 또한, 카르 보닐 또한 바이오 오일 업그레이드 프로세스에서 코크스 형성에 대한 책임이 있습니다. 바이오 - 오일에서 카르 보닐의 중요성을 감안할 때, 자신의 정량화에 대한 정확한 분석 방법은 바이오 오일 커뮤니티에 매우 중요하다. 보닐 옥 심화에 기초하여 전위차 적정 방법은 긴 열분해 바이오 오일의 카르 보닐 함량의 측정에 사용되었다. 여기서, 우리는 이하의 반응 시간 결과 기존 보닐 옥 심화 절차 변형 작은 샘플 크기보다 정밀하고보다 ACC 제시요 산염 카르 보닐 결정. 전통적인 보닐 옥 심화 방법 실온에서 발생할 수 있지만, 여기에 제시된 Faix 방법은 80 ° C의 높은 온도에서 발생한다.

서론

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열분해 바이오 오일은 화합물 및 화학 작용기의 많은 종류로 구성되어 있지만, 카르보닐기의 정량은 특히 중요하다. 카르 보닐 모두 저장 한 처리 과정이 바이오 오일의 불안정성 담당하는 것으로 알려져있다. 여기에 제시된 적정법 확실 바이오 오일의 총 카본 함유량을 정량 할 수있는 간단한 기술이다. 전용 알데히드 및 ​​케톤 관능기는이 방법을 사용하여 정량된다; 카르 복실 산 및 락톤 그룹은 정량화되지 않습니다.

바이오 오일의 분석을 위해, 적정에 의해 카르 보닐 기의 정량은 전통적 니콜라이디스 3의 방법을 사용하여 달성되었다. 이 방법은 일반적으로 바이오 오일 문헌 4, 5, 6, 7에 사용되어왔다. 이것은카르 보닐은 해당 옥심으로 변환되는 간단한 절차 (도 1 참조). 유리 된 HCl을 완료 평형 강제 피리딘과 반응한다. 피리딘 짝산 NaOH를 (염기 적정)의 공지 된 양으로 적정한다. 사용 된 수산화 나트륨의 당량 수는 바이오 오일 카본 존재 몰 화학 양 론적으로 동일하다.

니콜라이디스 방법은 그러나, 몇 가지 제한을 갖는다. 이 완료에 도달하는 48 시간을 초과하여 반응 시간을 필요로 할 수있다. 이 심각 샘플 처리량을 제한합니다. 그것은 독성 피리딘을 사용합니다. 1g 2의 샘플 무게가 필요합니다. 사용 된 샘플 중량 록실 아민 염산의 양은 샘플의 카르 보닐 함량에 의존한다. 사용 된 샘플 중량의 초기 추정치가 정확하지 않으면, 적정 반복되어야한다.

Faix 등. 도 8은 H 변형 된 방법을 개발감수는 니콜라이디스 방법의 문제를 해결합니다. 반응시켜 시료 처리량 증가, 80 ℃에서 2 시간 동안 수행된다. 피리딘 덜 독성 화학 물질 트리에탄올 아민, 대체되었습니다. 샘플 크기는 100 내지 150 mg의 저감 할 수있다. 아민은 완료 반응을 구동 유리 된 HCl을 소모하고, 사용되지 않은 아민 직접 적정한다. 히드 록실 아민의 보조 적정는 불필요하다. 이러한 적정 방법의 비교는 니콜라이디스 방법은 크게 바이오 오일 9의 카르 보닐 함량을 과소 평가하는 것을 보여 주었다.

여기에 기재된 방법은 열분해 바이오 오일의 분석에 더 적용 할 수 일본어 방법 8에서 수정되었다. 이 방법은 원료의 열분해 바이오 오일의 분석을 위해 개발되었지만 성공적 수첨 바이오 오일 포함한 바이오 매스 유래 오일의 다른 유형에 적용되고있다. ADDI레이 터는,이 방법은 모두 시효 및 업그레이드 동안 보닐 함량의 변화를 모니터링하기 위해 이용되었다.

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프로토콜

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주의 : 시작하기 전에 모든 관련 물질 안전 보건 자료 (MSDS)를 참조하시기 바랍니다. 에탄올은 인화성이다. 모든 해당 화학 처리 절차뿐만 아니라, 적용 가능한 모든 폐기물 처분 및 처리 절차를 따라야한다.

1. 시약 솔루션

  1. 히드 록실 아민 히드로 클로라이드의 용액 (용액 A)을 제조 : 250 mL의 메스 플라스크에 하이드 록실 아민 염산염 7.7 g 및 증류수 50 mL를 넣고. 모든 고체가 용해되면, 에탄올로 표시 희석. 이 80 % (v / v) 에탄올에서 0.55 M 히드 록실 아민 히드로 클로라이드 용액을 초래한다.
  2. 트리에탄올 아민 용액 (솔루션 B)를 준비 : 250 mL 용량 플라스크에 트리에탄올 아민 17.4 mL를 넣고. 물 10 mL를 넣어 에탄올과 마크까지 희석. 물의 첨가가 생략되는 경우 95 %의 에탄올이 사용될 수있다. 이 96 %에 0.48 M 트리에탄올 아민 용액에 결과 (v / v)의 에탄올
  3. 염산 준비해결책. 어느 쪽의 0.1 N 용액을 구입 또는 10 mL의 염산을 사용하여 제조 1 L의 물을 농축시켰다.

2. 바이오 오일 샘플링 및 취급

  1. 반드시 오일 샘플이 이전 샘플을 회수 실온에서 확인하십시오. (가 균일 보장하기 위해 적어도 1 분 동안 격렬하게 흔들어 혼합하고, 시각적으로 샘플을 검사합니다. 일부 바이오 - 오일은 더 이상 떨고 시간이 필요할 수 있습니다) 완전히 균질화 대표 샘플을 얻기 위해 바이오 오일.
  2. 바이오 오일 샘플, 바이오 - 오일의 100 ~ 150 mg을 사용합니다.
  3. 분석에 앞서 샘플의 열화를 방지하기 위해 산소 및 열에 대한 노출을 최소화한다.

3. 분석 절차

  1. 기본 솔루션의 표준화
    1. 105 ° C의 오븐에서 건조 나 2 CO 3 차 표준 밤새 건조 샘플을 보장합니다. 오세영 2 CO 3 계량하기 전에 실온으로 냉각 할 수 있습니다.
    2. 150 mg의 100의 무게적정 용기에 탄산나트륨의, 실제 무게를 기록 교반 막대를 추가하고 pH 전극 전구 및 접합을 충당하기 위해 충분한 물을 추가합니다.
    3. 에탄올 / 물의 마지막 80 % 용액을 제조하는 비율로 에탄올과 물과 별도로 반응 바이알 수회 세척 적정 용기에 샘플을 이동. 엔드 포인트로 자동 적정기를 사용하여 산성 용액으로 적정한다. 엔드 포인트를 기록합니다. 엔드 포인트는 적정 곡선의 변곡점으로 정의된다.
    4. 세 점을 얻기 위해 두 번 과정을 반복합니다.
    5. 산 용액의 정상으로서 평균값을 사용한다.
  2. 적정 공백의 준비
    1. 블랭크의 경우 : 스핀 날개를 가진 5 ㎖ 바이알에 0.5 mL의 디메틸 설폭 사이드 (DMSO)를 추가합니다.
    2. 2 mL의 염산 히드 록실 아민 용액 (용액 A)를 추가합니다.
    3. 2 ML의 트리에탄올 아민 용액 (용액 B)를 추가합니다.
    4. 모자 단단히, 예열 (80 ° C)에서 장소 열어 블록 또는 물 목욕과 2 시간 동안 교반한다.
    5. 산 엔드 포인트에 자동 적정 장치를 사용하여 솔루션을 기록 끝점으로 적정한다.
    6. 빈 B를 들어 미네랄 산, 샘플에 존재하는 스핀 베인 5 ㎖ 바이알에 0.5 mL의 DMSO를 추가로 의심되는 경우.
    7. 2 ML의 트리에탄올 아민 용액 (용액 B)를 추가합니다.
    8. 캡 단단하고 80 ℃에서 2 시간 동안 교반 하였다.
    9. 에탄올 / 물의 마지막 80 % 용액을 제조하는 비율로 에탄올과 물과 별도로 반응 바이알 수회 세척 적정 용기에 샘플을 이동. 엔드 포인트로 자동 적정기를 사용하여 산성 용액으로 적정한다. 엔드 포인트를 기록합니다.
    10. 반복 과정을 세 번 세 점을 얻었다.
  3. 알려진 카르 보닐를 사용하여 방법의 검증
    1. 스핀 베인을 추가, 실제 무게를 기록, 5 ㎖의 유리 병에 4- (벤질 옥시) 벤즈알데히드 (4-BBA)의 ~ 100 mg의 무게.
    2. 0.5 mL의 DMSO를 추가합니다.
    3. 디졸브2ml의 히드 록실 아민 하이드로 클로라이드 용액 (용액 A)의 샘플.
    4. 2 ML의 트리에탄올 아민 용액 (용액 B)를 추가합니다.
    5. 닫아서 단단하고 80 ℃에서 2 시간 동안 교반 하였다.
    6. 에탄올 / 물의 마지막 80 % 용액을 제조하는 비율로 에탄올과 물과 별도로 반응 바이알 수회 세척 적정 용기에 샘플을 이동. 엔드 포인트로 자동 적정기를 사용하여 산성 용액으로 적정한다. 엔드 포인트를 기록합니다.
    7. 세 점을 얻기 위해, 과정을 세 번 반복합니다.
  4. 방법을 사용하여 바이오 오일의 분석
    1. 5 ㎖의 유리 병에 바이오 오일 100 mg의 가까이에 무게 실제 무게를 기록하고 스핀 베인을 추가합니다.
    2. 0.5 mL의 DMSO를 추가합니다.
    3. 2ml의 히드 록실 아민 하이드로 클로라이드 용액 (용액 A)의 샘플을 녹인다.
    4. 2 ML의 트리에탄올 아민 용액 (용액 B)를 추가합니다.
    5. 닫아서 단단하고 80 ℃에서 2 시간 동안 교반 하였다.
    6. 전송 일적정 용기에 샘플 E는 비율로 에탄올과 물과 별도로 반응 바이알 수회 세척하는 에탄올 / 물의 마지막 80 % 용액을 제조한다. 엔드 포인트로 자동 적정기를 사용하여 산성 용액으로 적정한다. 엔드 포인트를 기록합니다.
    7. 세 점을 얻기 위해, 과정을 세 번 반복합니다.
    8. 빈 C : 무기산은 샘플에 존재하는 것으로 추측되면, 폐쇄 5 ㎖ 바이알로 바이오 오일을 100 mg의 무게의 중량을 기록하고, 회전 날개를 추가한다.
    9. 0.5 mL의 DMSO를 추가합니다.
    10. 2 ML의 트리에탄올 아민 용액 (용액 B)를 추가합니다.
    11. 캡 단단하고 80 ℃에서 2 시간 동안 교반 하였다.
    12. 에탄올 / 물의 마지막 80 % 용액을 제조하는 비율로 에탄올과 물과 별도로 반응 바이알 수회 세척 적정 용기에 샘플을 이동. 엔드 포인트로 자동 적정기를 사용하여 산성 용액으로 적정한다. 엔드 포인트를 기록합니다.
    13. 반복 과정을 세 번 세 점을 얻었다.

4. 계산

  1. 기본 솔루션의 표준화
    1. 다음 식을 이용하여 산 용액 (몰 / L)의 농도를 계산한다. 그램 건조 탄산나트륨의 중량 (즉, 99 %는 0.99) 순도 일부로서 기록되는, 1 W이고, 종점은 용액이다.
      figure-protocol-1
  2. 알려진 카르 보닐를 사용하여 방법의 검증
    1. 다음 식을 이용하여 시료 중의 4BBA (몰 / L)의 농도를 계산한다. 2 승의 4BBA 순도가 분수로 작성된 g의 4BBA의 중량 (즉, 99 %는 0.99 임), 산 용액 (몰 / L)의 농도 [산]되면, 트리에탄올 아민 / 록실 • 염산 블랭크 종점 (ML 세 블랭크의 평균값) EP BA이며, 엔드 포인트 (ML)에서 EP이다.
      figure-protocol-2
  3. 바이오 오일의 분석
    1. 다음 식을 이용하여 바이오 오일의 카르 보닐 [주식] (밀리몰 / g 바이오 오일)의 농도를 계산한다. 그램 바이오 오일의 중량 (W3)은 산 용액 (몰 / L)의 농도 [산]이다 상기 아민 / 록실 • 염산 블랭크 엔드 포인트 EP BA (ML 세 블랭크의 평균 값) 인 및 엔드 포인트 (ML)에서 EP이다.
      figure-protocol-3
  4. 산 수정
    주 : pKa가 <2 무기산 또는 유기산의 존재로 인해 아민과 산의 반응에 의해 인위적으로 낮은 카본 값을 일으킬 수있다.
    1. 이 의심되는 경우, 섹션 3.2.6과 3.4.8에 설명 된 공백을 수행합니다. 그램의 샘플에서 바이오 오일의 중량은3 승, EP 샘플의 끝점이며 EP BA는 아민 / 록실 비어. EP BB 빈 B의 엔드 포인트, EP BC 빈 C에 사용되는 오일의 빈 C와 무게 (g)의 엔드 포인트는 BC 승이다 :
      figure-protocol-4
      주로 아세트산을 함유 바이오 오일 샘플의 경우,이 불필요한 단계이다.

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결과

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도 2에 도시 된 바와 같이 전형적인 적정 곡선은 하나의 엔드 포인트로 구성된다. 원시 바이오 오일 샘플 및 빈 적정 모두 일반적인 적정이 표시됩니다. 엔드 포인트는 적정 곡선의 변곡점에 놓여로서; 엔드 용이 (도 2에서, 오른쪽 축 DPH / DV에 도시) 적정 곡선의 1 차 도함수를 플롯에 의해 식별 될 수있다. 많은 자동 적정 시스템은 종종 포인트 인식 기준 (ERC)로 지칭되는 적정 곡선의 미분 값을 계산하는 소프트웨어가있다.

figure-results-1
그림 1 : 옥 심화 반응. 상응하는 옥심을 카르 보닐 화합물의 전환을 나타내는 반응 개략도.

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토론

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주제 적정 곡선은도 2에 도시되어있다. 빈 적정뿐만 아니라 열분해 오일 샘플에 대한 적정을 도시한다. 또한, 적정 곡선 (DPH / DV)의 1 차 도함수는 적정 종점을 쉽게 인식 할 수 있도록, 도시된다. 그림 2에 삽입 된 테이블은 평균값과 표준 편차와 열분해 오일과 빈 적정 모두 세중의 데이터를 보여줍니다. (mL에) 도시 된 종료점 값 열분해 오일 샘플 (밀리몰 / g 단위) 총 카본 함량을 계산하는 제 4 항에 사용된다. 도 2에 도시 된 열분해 오일 적정 바이오 오일 샘플 질량 블랭크 종점 용액 13.041이고, 산 농도는 0.07032 몰 / L이고, 0.1148 g이고, 열분해 오일 종점은 용액 4.891이었다. 이 4.992 밀리몰 / g 바이오 오일의 카르 보닐 콘텐츠의 결과.

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공개 사항

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저자는 공개 아무것도 없어.

감사의 글

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

이 작품은 국립 재생 에너지 연구소와 계약 번호 DE-AC36-08GO28308에서 미국 에너지 부에 의해 지원되었다. 에너지 효율의 미국 DOE Office 및 신 재생 에너지 바이오 에너지 기술 사무소에서 제공하는 자금. 미국 정부가 보유하고 게시자가 게시에 대한 기사를 받아들임으로써 미국 정부는 게시하거나 작품의 게시 된 양식을 재현, 또는 다른 사람이 그렇게 할 수 있도록 비 독점적, 납입, 취소 불능, 전세계 라이센스를 보유하고 있음을 인정합니다, 미국 정부의 목적.

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재료

이 논문에 사용된 재료 목록
이름회사카탈로그 번호댓글
0.1 mg 드라
자동 적정기Metrohm Titrando 809 자동 적정기를 사용했지만 다른 동등한 시스템도 사용할 수 있습니다
이온수
CAS # 64-17-5
하이드록실아민 하이드로클로라이드 CAS # 5470-11-1
트리에탄올 아민 CAS # 102-71-6
염산 (37 %) CAS # 7647-01-0
탄산나트륨 (기본 표준) SigmaAldrich223484
4-(벤질옥시)벤즈알데히드 CAS # 4397-53-9
디메틸 설폭사이드CAS # 67-68-5
단단한 뚜껑과 테프론 스핀베인이 있는 5mL 유리 리액티 바이알ThermoscientificTS-13223
200mL 부피 플라스크
부피 또는 기계식 피펫
이 블록 히터(자석 교반기 포함) 또는 자석 교반기가 있는 온수 수조까지 정확한 분석 저울 . 탈 에 탄올(시약 등급)을 사용할 수 있습니다.

참고문헌

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  2. Olarte, M., et al. Stabilization of Softwood-Derived Pyrolysis Oils for Continuous Bio-oil Hydroprocessing. Top. Catal. 59 (1), 55-64 (2016).
  3. Nicolaides, G. The chemical characterization of pyrolytic oils. , Dept. of Chemical Engineering., University of Waterloo. Waterloo, Ontario, Canada. MASc Thesis (1984).
  4. Oasmaa, A., Korhonen, J., Kuoppala, E. An approach for stability measurement of wood-based fast pyrolysis bio-oils. Energy Fuels. 25 (7), 3307-3313 (2011).
  5. Chen, C. L. Methods in Lignin Chemistry. Lin, S. Y., Dence, C. W. , Springer-Verlag. Berlin, Heidelberg, New York. 446-457 (1992).
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  7. Bayerbach, R., Meier, D. Characterization of the water-insoluble fraction from fast pyrolysis liquids (pyrolytic lignin). Part IV: Structure elucidation of oligomeric molecules. J. Anal. Appl. Pyrolysis. 85 (1-2), 98-107 (2009).
  8. Faix, O., Andersons, B., Zakis, G. Determination of Carbonyl Groups of Six Round Robin Lignins. Holzforschung. 52, 268-272 (1998).
  9. Black, S., Ferrell, J. Determination of Carbonyl Groups in Pyrolysis Bio-oils Using Potentiometric Titration: Review and Comparison of Methods. Energy Fuels. 30 (2), 1071-1077 (2016).
  10. Ferrell, J., et al. Standardization of Chemical Analytical Techniques for Pyrolysis Bio-oil: History, Challenges, and Current Status of Methods. Biofuels, Bioprod. Biorefin. 10, 496-507 (2016).

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