Oznaczanie karbonylowych grup funkcyjnych w bioolejach metodą miareczkowania potencjometrycznego: metoda Faixa

Podsumowanie

Tutaj prezentujemy technikę miareczkowania potencjometrycznego do dokładnego ilościowego oznaczania związków karbonylowych w bio-olejach pirolitycznych.

Streszczenie

Wiadomo, że związki karbonylowe obecne w bio-olejach są odpowiedzialne za zmiany właściwości biooleju podczas przechowywania i podczas uszlachetniania. W szczególności karbonylki powodują wzrost lepkości (często określany jako "starzenie") podczas przechowywania bioolejów. W związku z tym zawartość karbonylu była wcześniej stosowana jako metoda śledzenia reakcji starzenia się i kondensacji biooleju z mniejszą zmiennością niż pomiary lepkości. Dodatkowo karbonylki są również odpowiedzialne za tworzenie koksu w procesach uszlachetniania biooleju. Biorąc pod uwagę znaczenie karbonylków w bioolejach, dokładne metody analityczne do ich ilościowego oznaczania są bardzo ważne dla społeczności zajmującej się bioolejami. Metody miareczkowania potencjometrycznego oparte na oksymacji karbonylowej są od dawna stosowane do oznaczania zawartości karbonylu w bioolejach pirolitycznych. W tym miejscu przedstawiamy modyfikację tradycyjnych procedur oksymacji karbonylu, która skutkuje krótszym czasem reakcji, mniejszym rozmiarem próbki, większą precyzją i dokładniejszymi oznaczeniami karbonylu. Podczas gdy tradycyjne metody oksymacji karbonylowej zachodzą w temperaturze pokojowej, przedstawiona tutaj metoda Faix zachodzi w podwyższonej temperaturze 80 °C.

Wprowadzenie

Chociaż bio-oleje pirolityczne składają się z dużej różnorodności związków i chemicznych grup funkcyjnych, kwantyfikacja grup karbonylowych jest szczególnie ważna. Wiadomo, że karbonylki są odpowiedzialne za niestabilność biooleju zarówno podczas przechowywania¹, jak i processingu². Przedstawiona tutaj metoda miareczkowania jest prostą techniką, która pozwala wiarygodnie określić ilościowo całkowitą zawartość karbonylu w bioolejach. Tą metodą określa się ilościowo tylko aldehydowe i ketonowe grupy funkcyjne; Kwas karboksylowy i grupy laktonowe nie są oznaczane ilościowo.

Do analizy bioolejów, kwantyfikacja grup karbonylowych metodą miareczkowania tradycyjnie odbywa się przy użyciu metody Nicolaides³. Metoda ta jest powszechnie stosowana w literaturze dotyczącej bioolejów^4,5,6,7. Jest to prosta procedura, w której karbonylki są przekształcane w odpowiadający im oksym (patrz rysunek 1). Uwolniony HCl reaguje z pirydyną, aby wymusić równowagę do końca. Sprzężony kwas pirydyny miareczkuje się znaną ilością NaOH (titranta zasadowego). Liczba użytych ekwiwalentów NaOH jest stechiometrycznie równoważna molom karbonylu obecnego w biooleju.

Metoda Nicolaidesa ma jednak kilka ograniczeń. Może wymagać czasu reakcji przekraczającego 48 godzin, aby osiągnąć zakończenie. To poważnie ogranicza przepustowość próbek. Wykorzystuje pirydynę, która jest toksyczna. Wymagana jest masa próbki od 1 do 2 g. Masa użytej próbki zależy od ilości obecnego chlorowodorku hydroksyloaminy i zawartości karbonylu w próbce. Jeżeli wstępne oszacowania masy użytej próbki są nieprawidłowe, miareczkowanie należy powtórzyć.

Faix et al.⁸ opracował metodę, która została tutaj zmodyfikowana, aby rozwiązać problemy związane z metodą Nicolaidesa. Reakcję przeprowadza się w temperaturze 80 °C przez 2 godziny, zwiększając w ten sposób przepustowość próbki. Pirydyna została zastąpiona trietanoloaminą, która jest mniej toksyczną substancją chemiczną. Wielkość próbki można zmniejszyć do 100 do 150 mg. Trietanoloamina zużywa uwolniony HCl, doprowadzając reakcję do zakończenia, a niespożyta trietanoloamina jest miareczkowana bezpośrednio. Wtórne miareczkowanie hydroksyloaminy nie jest konieczne. Porównanie tych metod miareczkowania wykazało, że metoda Nicolaidesa znacznie zaniża zawartość karbonylu w bioolejach⁹.

Opisana tutaj metoda została zmodyfikowana w stosunku do oryginalnej metody⁸, aby była bardziej przydatna do analizy bioolejów pirolitycznych. Metoda ta została opracowana do analizy surowych bioolejów pirolitycznych, ale z powodzeniem stosuje się ją do innych rodzajów olejów pochodzących z biomasy, w tym bioolejów hydrorafinowanych. Ponadto metoda ta została wykorzystana do monitorowania zmian zawartości karbonylu zarówno podczas starzenia, jak i uszlachetniania.

Protokół

Uwaga: Proszę przejrzeć wszystkie istotne karty charakterystyki substancji niebezpiecznej (MSDS) przed rozpoczęciem. Etanol jest łatwopalny. Należy przestrzegać wszystkich obowiązujących procedur postępowania z chemikaliami, a także wszystkich obowiązujących procedur utylizacji odpadów i postępowania z nimi.

1. Roztwory odczynników

1. Przygotować roztwór chlorowodorku hydroksyloaminy (roztwór A): Dodać 7,7 g chlorowodorku hydroksyloaminy i 50 ml wody dejonizowanej do kolby miarowej o pojemności 250 ml. Gdy wszystkie ciała stałe się rozpuszczą, rozcieńczyć do znakowania etanolem. W ten sposób powstaje 0,55 M roztwór chlorowodorku hydroksyloaminy w 80% (v/v) etanolu.
2. Przygotować roztwór trietanoloaminy (roztwór B): Dodać 17,4 ml trietanoloaminy do kolby miarowej o pojemności 250 ml. Dodaj 10 ml wody, a następnie rozcieńczyć do kreski etanolem. 95% etanol może być również użyty, jeśli pominięto dodawanie wody. W ten sposób otrzymujemy 0,48 M roztwór trietanoloaminy w 96 % (v/v) etanolu
3. Przygotować roztwór kwasu solnego. Kup roztwór 0,1 N lub przygotuj go z 10 ml stężonego HCl i 1 l wody.

2. Pobieranie próbek i obchodzenie się z bioolejem

1. Upewnij się, że próbka oleju ma temperaturę pokojową przed pobraniem próbki. Dokładnie homogenizować (mieszać energicznie wstrząsając przez co najmniej 1 minutę i wizualnie sprawdzić próbkę, aby upewnić się, że jest jednorodna. Niektóre biooleje mogą wymagać dłuższego czasu wstrząsania) bio-oleju w celu uzyskania reprezentatywnej próbki.
2. Do próbki biooleju użyj od 100 do 150 mg biooleju.
3. Zminimalizuj narażenie na tlen i ciepło, aby zapobiec degradacji próbki przed analizą.

3. Procedura analityczna

1. Standaryzacja rozwiązania bazowego
   1. Suszyć Na₂CO₃ podstawowy wzorzec w piecu w temperaturze 105 °C przez noc, aby zapewnić suchą próbkę. Poczekaj, aż Na₂CO₃ ostygnie do temperatury pokojowej przed ważeniem.
   2. Odważyć od 100 do 150 mg węglanu sodu do naczynia do miareczkowania, zapisać rzeczywistą masę, dodać mieszadło i dodać tyle wody, aby przykryć bańkę elektrody pH i złącze.
   3. Przenieść próbkę do naczynia do miareczkowania, przemłukując fiolkę reakcyjną kilkakrotnie oddzielnie etanolem i wodą w proporcjach do uzyskania końcowego 80% roztworu etanolu/wody. Miareczkować roztworem kwasu za pomocą automatycznego titratora do punktu końcowego. Zapisz punkt końcowy. Punkt końcowy definiuje się jako punkt przegięcia na krzywej miareczkowania.
   4. Powtórz proces dwukrotnie, aby uzyskać trzy punkty.
   5. Użyj wartości średniej jako normalności roztworu kwasu.
2. Przygotowanie ślepych prób miareczkowania
   1. Dla ślepej próby A: dodać 0,5 ml dimetylosulfotlenku (DMSO) do 5 ml fiolki z łopatką wirującą.
   2. Dodać 2 ml roztworu chlorowodorku hydroksyloaminy (roztwór A).
   3. Dodać 2 ml roztworu trietanoloaminy (roztwór B).
   4. Szczelnie zakręcić, umieścić w nagrzanym (80 °C) bloku grzewczym lub łaźni wodnej i mieszać przez 2 godziny.
   5. Miareczkować roztworem kwasu za pomocą automatycznego titratora do punktu końcowego i rejestrować punkt końcowy.
   6. Dla ślepej próby B: Jeśli podejrzewa się, że w próbce znajduje się kwas mineralny, dodać 0,5 ml DMSO do 5 ml fiolki za pomocą łopatki wirowej.
   7. Dodać 2 ml roztworu trietanoloaminy (roztwór B).
   8. Szczelnie zakręć i mieszaj w temperaturze 80 °C przez 2 godziny.
   9. Przenieść próbkę do naczynia do miareczkowania, przemłukując fiolkę reakcyjną kilkakrotnie oddzielnie etanolem i wodą w proporcjach do uzyskania końcowego 80% roztworu etanolu/wody. Miareczkować roztworem kwasu za pomocą automatycznego titratora do punktu końcowego. Zapisz punkt końcowy.
   10. Powtórz proces trzy razy, aby uzyskać trzy punkty.
3. Walidacja metody z zastosowaniem znanego karbonylu
   1. Zważyć ~ 100 mg 4-(benzyloksy)benzaldehydu (4-BBA) do fiolki o pojemności 5 ml, zanotować rzeczywistą wagę, dodać łopatkę wirującą.
   2. Dodaj 0,5 ml DMSO.
   3. Rozpuścić próbkę w 2 ml roztworu chlorowodorku hydroksyloaminy (roztwór A).
   4. Dodać 2 ml roztworu trietanoloaminy (roztwór B).
   5. Zamknij szczelnie pokrywkę i mieszaj w temperaturze 80 °C przez 2 godziny.
   6. Przenieść próbkę do naczynia do miareczkowania, przemłukując fiolkę reakcyjną kilkakrotnie oddzielnie etanolem i wodą w proporcjach do uzyskania końcowego 80% roztworu etanolu/wody. Miareczkować roztworem kwasu za pomocą automatycznego titratora do punktu końcowego. Zapisz punkt końcowy.
   7. Powtórz proces trzy razy, aby uzyskać trzy punkty.
4. Analiza biooleju przy użyciu metody
   1. Zważyć blisko 100 mg biooleju na 5 ml fiolki, zanotować rzeczywistą wagę i dodać łopatkę wirującą.
   2. Dodaj 0,5 ml DMSO.
   3. Rozpuścić próbkę w 2 ml roztworu chlorowodorku hydroksyloaminy (roztwór A).
   4. Dodać 2 ml roztworu trietanoloaminy (roztwór B).
   5. Zamknij szczelnie pokrywkę i mieszaj w temperaturze 80 °C przez 2 godziny.
   6. Przenieść próbkę do naczynia do miareczkowania, przemłukując fiolkę reakcyjną kilkakrotnie oddzielnie etanolem i wodą w proporcjach do uzyskania końcowego 80% roztworu etanolu/wody. Miareczkować roztworem kwasu za pomocą automatycznego titratora do punktu końcowego. Zapisz punkt końcowy.
   7. Powtórz proces trzy razy, aby uzyskać trzy punkty.
   8. Ślepa próba C: Jeśli podejrzewa się, że w próbce znajduje się kwas mineralny, należy zważyć blisko 100 mg biooleju do fiolki o pojemności 5 ml, zanotować masę i dodać łopatkę wirującą.
   9. Dodaj 0,5 ml DMSO.
   10. Dodać 2 ml roztworu trietanoloaminy (roztwór B).
   11. Szczelnie zakręć i mieszaj w temperaturze 80 °C przez 2 godziny.
   12. Przenieść próbkę do naczynia do miareczkowania, przemłukując fiolkę reakcyjną kilkakrotnie oddzielnie etanolem i wodą w proporcjach do uzyskania końcowego 80% roztworu etanolu/wody. Miareczkować roztworem kwasu za pomocą automatycznego titratora do punktu końcowego. Zapisz punkt końcowy.
   13. Powtórz proces trzy razy, aby uzyskać trzy punkty.

4. Obliczenia

1. Standaryzacja rozwiązania bazowego
   1. Obliczyć stężenie roztworu kwasu (mol/l), stosując następujące równanie. Masa suchego węglanu sodu w gramach wynosi w₁, czystość jest zapisana jako ułamek (tj. 99% to 0,99), a punkt końcowy to mL.
      
2. Walidacja metody z zastosowaniem znanego karbonylu
   1. Obliczyć stężenie 4BBA (mol/l) w próbce, stosując następujące równanie. Masa 4BBA w gramach wynosi w₂, czystość 4BBA jest zapisana jako ułamek (tj. 99% to 0,99), stężenie roztworu kwasu (mol/l) wynosi [kwas], punkt końcowy ślepej próby trietanoloaminy/hydroksyloaminy•HCl wynosi EP_BA (średnia wartość trzech ślepych prób w ml), a punkt końcowy to EP (w ml).
      
3. Analiza biooleju
   1. Obliczyć stężenie karbonylków w bioolejach [CO] (mmol/g-bio olej) za pomocą następującego równania. Masa biooleju w gramach wynosi w₃, stężenie roztworu kwasu (mol/l) wynosi [kwas], punkt końcowy ślepej próby trietanoloaminy/hydroksyloaminy•HCl wynosi EP_BA (średnia wartość trzech ślepych prób w ml), a punkt końcowy wynosi EP (w ml).
      
4. Korekcja kwasowości
   UWAGA: Obecność kwasów mineralnych lub kwasów organicznych o pKa < 2 może powodować sztucznie zaniżone wartości karbonylowe w wyniku reakcji kwasu z trietanoloaminą.
   1. W przypadku podejrzenia takiego stanu rzeczy należy wykonać ślepe próby wyszczególnione w sekcjach 3.2.6 i 3.4.8. Masa biooleju w próbce w gramach wynosi w₃, EP jest punktem końcowym próbki, a EP_BA jest ślepą próbą trietanoloaminy/hydroksyloaminy. EP_BB jest punktem końcowym ślepej próby B, EP_BC jest punktem końcowym ślepej próby C, a waga (g) oleju użytego w ślepej próbie C wynosi w_BC:
      
      W przypadku próbek biooleju, które zawierają głównie kwas octowy, jest to zbędny krok.

Wyniki

Typowa krzywa miareczkowania składa się z pojedynczego punktu końcowego, jak pokazano na rysunku 2. Przedstawiono typowe miareczkowanie zarówno dla surowej próbki biooleju, jak i dla miareczkowania ślepej próby. Ponieważ punkt końcowy leży w punkcie przegięcia krzywej miareczkowania; punkt końcowy można łatwo zidentyfikować, wykreślając pierwszą pochodną krzywej miareczkowania (pokazaną na prawej osi, dpH/dV, na rysunku 2). Wiele automatycznych systemów m...

Dyskusja

Reprezentatywne krzywe miareczkowania przedstawiono na rysunku 2. Pokazano miareczkowanie ślepej próby, a także miareczkowanie próbki oleju pirolitycznego. Ponadto pokazano pierwszą pochodną krzywej miareczkowania (dpH/dV), co pozwala na łatwe rozpoznanie punktu końcowego miareczkowania. Tabela wstawkowa na rysunku 2 przedstawia potrójne dane zarówno dla oleju pirolitycznego, jak i ślepej próby, z wartościami średnimi i odchyleniami standardowymi. Wartości końcowe podane (w ml) stosuje s...

Materiały

Lista materiałów użytych w tym artykule

Nazwa	Firma	Numer katalogowy	Komentarze
Waga			z dokładnością do 0,1 mg
Suchy podgrzewacz blokowy z mieszadłem magnetycznym lub kąpiel w gorącej wodzie z mieszadłem
Automatyczny titrator			Użyliśmy automatycznego titratora Metrohm Titrando 809, chociaż dopuszczalne są inne równoważne systemy
Woda
Etanol (klasa odczynnika)			CAS # 64-17-5
Chlorowodorek hydroksyloaminy			CAS # 5470-11-1
Trietanoloamina			CAS #102-71-6
Kwas solny (37%)			CAS # 7647-01-0
Węglan sodu (podstawowy wzorzec)	SigmaAldrich	223484
4-(benzyloksy)benzaldehyd			CAS # 4397-53-9
Dimetylosulfotlenek			CAS # 67-68-5
Szklane fiolki Reacti 5 ml z solidną pokrywką i teflonową przędzą	Thermoscientific	TS-13223
Kolba
Pipety