Оригинальный экспериментальный подход для оценки стабильности топлива для транспорта
21 октября 2016 г.
Устойчивость к окислению топлива для транспорта стало проблемой для будущего развития топлива. Эта работа представляет собой оригинальную методику , разработанную IFP Energies Nouvelles для оценки стабильности топлива с использованием двух различных реакторов. Эта методика была успешно применена для получения углубленного понимания кинетики окисления и путей модельных молекул и коммерческих видов топлива.
Деградация топлива и образование отложений являются ключевыми проблемами при разработке видов топлива и биотоплива будущего. Данный протокол позволяет изучать окисление топлива в контролируемых условиях и может быть полезен для разработки новых составов и стратегий предотвращения деградации. Этот метод помогает ответить на основные вопросы в области качества топлива, такие как влияние состава топлива и условий эксплуатации на механизмы окисления и конечные продукты.
Основным преимуществом данного метода является использование коммерчески доступных реакторов в сочетании с мощными аналитическими методами для проведения контролируемого окисления и мониторинга образования продуктов окисления. Этот метод позволяет получить представление о механизме деградации дизельного топлива и биодизельного топлива, и он был успешно применен для изучения окислительной способности этих видов топлива и смазочных материалов. Лицам, впервые знакомящимся с этим методом, может быть трудно, поскольку интерпретация результатов ГХ-МС может оказаться сложной задачей.
В результате окисления образуется несколько продуктов, поэтому на хроматограмме может присутствовать несколько пиков. Перед началом данной процедуры удалите пыль или загрязнения из реакционных сосудов с помощью сжатого воздуха. С помощью пипетки наполните реакционные сосуды блока A семью миллилитрами свежего образца топлива из метилолеата.
Затем закрепите воздушную трубку на крышке реакционного сосуда и установите ее на сам сосуд. Для настройки эксперимента установите заданную температуру нагрева блока A на 110 °C. Затем установите скорость потока воздуха, пропускаемого через образец, на 10 л/ч.
Установите критерии завершения: либо пороговое значение проводимости 400 microsiemens per centimeter, либо период индукции, определенный программным обеспечением. Затем введите в программе название и ссылку для каждого из образцов в Блоке А. Поместите реакционные сосуды в нагревательный Блок А. Запустите тест, нажав кнопку старта в пользовательском интерфейсе Реактора 1, и убедитесь в работе реактора, наблюдая за пузырьками воздуха.
После завершения анализа извлеките реакционные сосуды из нагревательного блока. С помощью пипетки осторожно аспирируйте содержимое каждого реакционного сосуда и перенесите каждую извлеченную пробу в стеклянную колбу объемом 10 миллилитров. Затем поместите колбы вертикально в холодильник.
Определите средний индукционный период для четырех образцов методом пересечения касательных. Повторите предыдущие шаги, используя блок B, изменив критерий остановки, указав время окончания, равное четырем средним индукционным периодам. После завершения теста вручную извлеките первую реакционную емкость из нагревательного блока по истечении 0,5 индукционного периода.
Второй реакционный сосуд в период индукции. Третий реакционный сосуд через две единицы периода индукции. И четвертый реакционный сосуд через четыре единицы периода индукции.
Затем перенесите содержимое каждого реакционного сосуда в стеклянную колбу объемом 10 мл. После маркировки каждого образца поместите их вертикально в холодильник. Для определения TAN метилолеата, отобранного на различных стадиях окисления, сначала промойте все сосуды и детали, контактировавшие с образцом, ультрачистой водой, а затем изопропанолом.
Затем поместите два грамма образца в измерительный сосуд. Разбавьте образец 10 граммами изопропанола. Теперь вставьте стеклянный электрод и постепенно добавляйте раствор гидроксида калия с концентрацией 0,1 моль/л, разбавленный в изопропаноле, до достижения точки эквивалентности.
Укажите значение общего кислотного числа (TAN) образца в миллиграммах гидроксида калия на грамм топлива. Для анализа проб метилолеата, отобранных на разных стадиях окисления, введите один микролитр образца в систему ГХ-МС, оснащенную колонкой FFAP, используя коэффициент деления 1:75. Для проведения первого цикла окисления в Реакторе 2 установите температуру нагрева в программном обеспечении на 150 °C.
Установите давление в измерительной ячейке на семь бар, затем задайте критерий отключения. Подготовьте измерительную ячейку, удалив пыль или загрязнения с помощью лабораторной бумаги, смоченной в ацетоне. После замены уплотнительного кольца с помощью пипетки залейте в измерительную ячейку пять миллилитров образца топлива.
Закройте измерительную кювету завинчивающейся крышкой, а затем защитным блокирующим кожухом. Затем запустите тест, нажав кнопку запуска в пользовательском интерфейсе Reactor 2, и наблюдайте за кривой индукционного периода в программном обеспечении. После автоматического сброса давления в кювете откройте защитный блокирующий кожух и завинчивающуюся крышку.
Для проведения x последовательных циклов окисления повторите предыдущие шаги нужное количество раз. По завершении x тестов перенесите все оставшееся в кювете окисленное топливо в стеклянный флакон объемом пять миллилитров, затем поместите флакон вертикально в холодильник. Очистите кювету, используя лабораторную бумагу, смоченную в ацетоне.
Для анализа полученных образцов методом ИК-Фурье спектроскопии с นированием нарушенного внутреннего отражения (ATR) сначала очистите алмазную ячейку ATR с помощью лабораторной бумаги, смоченной в этаноле. После этого установите количество сканирований равным 100 для построения ИК-спектра, зафиксируйте разрешение на уровне 4 см⁻¹ и установите спектральный диапазон от 600 до 4 000 см⁻¹. Извлеките образец топлива из холодильника и тщательно перемешайте его для гомогенизации состава топлива.
С помощью пипетки отберите пробу топлива объемом 10 µL из колбы и поместите каплю на горизонтальную алмазную ячейку НПВО при температуре окружающей среды. После этого запустите анализ. Результаты анализа TAN указывают на то, что образование кислотных компонентов происходит медленно в начале процесса окисления и становится значительным на промежуточных и поздних стадиях окисления.
На хроматограммах метилолеата наблюдается увеличение интенсивности нескольких пиков при переходе от 0 IP к 4 IP; кроме того, при средних и высоких уровнях окисления с возрастающей интенсивностью образовались некоторые виды соединений, которые изначально отсутствовали. В процессе окисления образуется метил-6-гептеноат. Кроме того, в результате молекулярного расщепления образуется несколько короткоцепочечных молекул.
Альдегиды и метиловые эфиры образуются в результате реакции молекулярного кислорода с алкоксильными радикалами или гидропероксидами. В процессе окисления цвет топлива меняется с прозрачного на желтоватый, а затем на коричневый, что обусловлено образованием полярных соединений. Молекулярная масса этих продуктов увеличивается по мере повышения степени окисления.
Окисленные образцы B0 демонстрируют образование темной вязкой фазы, состоящей из полярных продуктов с высокой молекулярной массой. Интенсивность карбонильного пика в ИК-фурье-спектрах образцов B0 увеличивается по мере повышения степени окисления; данный пик относится к альдегидам, кетонам и кислотам. Пик в области R3 указывает на образование гидроксильных групп, что свидетельствует о наличии спиртов и кислот.
После освоения эта методика может быть выполнена за несколько часов, в зависимости от природы топлива, его реакционной способности и условий испытаний; это значительно быстрее стандартных тестов на хранение, которые длятся несколько месяцев, и является наиболее быстрым способом получения информации о механизме окисления. При выполнении данной процедуры важно помнить о необходимости хранения окисленного образца в соответствующих условиях, а также убедиться, что объем, анализируемый с помощью инфракрасной спектроскопии, ГХ или определения общего кислотного числа (TAN), однороден и репрезентативен для данного окисленного образца. Для изучения свойств отложений могут быть применены и другие методы, например, термогравиметрический анализ, который позволяет выявить продукты с различной молекулярной массой.
Также используется сканирующая электронная микроскопия, которая дает информацию о морфологии и химическом составе отложений. Такие данные позволяют подтвердить тенденции, выявленные с помощью ИК-фурье-спектроскопии и ГХ-МС. После просмотра этого видео вы должны четко понимать, как проводить ускоренное окисление топлива и как анализировать образцы с помощью инфракрасной спектроскопии, ГХ-МС и определения общего кислотного числа (TAN) для идентификации продуктов окисления.
Не забывайте, что работа с топливами в растворителе может быть чрезвычайно опасной, поэтому при выполнении данной процедуры следует всегда соблюдать меры предосторожности, включая использование средств индивидуальной защиты, таких как перчатки, лабораторные халаты и защитные очки.
Обзор
В данном исследовании представлена новая методика оценки окислительной стабильности моторных топлив с использованием имеющихся в продаже реакторов. Данный подход позволяет изучить кинетику и пути окисления различных типов топлива, включая биодизель.
Основные компоненты исследования
Область науки
- Химия топлива
- Окислительная стабильность
- Аналитические методы
Теоретические основы
- Деградация топлива создает значительные трудности для разработки новых видов топлива.
- Понимание механизмов окисления имеет решающее значение для повышения качества топлива.
- Коммерчески доступные реакторы позволяют проводить контролируемые исследования окисления.
- Аналитические методы, такие как GCMS и FTIR-ATR, необходимы для мониторинга продуктов окисления.
Цель исследования
- Разработать метод изучения окисления топлива в контролируемых условиях.
- Исследовать влияние состава топлива и условий эксплуатации на процесс окисления.
- Изучить механизмы деградации дизельного топлива и биодизельного топлива.
Используемые методы
- Тесты по контролируемому окислению с использованием двух различных реакторов.
- Мониторинг продуктов окисления с помощью ГХ-МС и ИК-фурье-спектроскопии с НПВО.
- Определение общего кислотного числа (TAN) образцов топлива.
- Анализ влияния различных параметров на кинетику окисления.
Основные результаты
- В результате окисления образуется несколько продуктов, интенсивность которых на хроматограммах различна.
- Значительное образование кислых компонентов наблюдается на промежуточных и поздних стадиях окисления.
- В процессе окисления образуются новые соединения, такие как метил 6-гептеноат.
- Изменение цвета топлива указывает на прогрессирование процесса окисления.
Выводы
- Данная методология обеспечивает всестороннее понимание процессов окисления топлива.
- Полученные данные могут быть использованы для разработки более стабильных составов топлива.
- Будущая работа может быть сосредоточена на оптимизации состава топлива для повышения его стабильности.
Часто задаваемые вопросы
Значимость для промышленности
Оценка окислительной стабильности топлива имеет решающее значение для разработки надежных видов транспортного и биотоплива, предназначенных для эксплуатации в условиях постоянно растущих нагрузок. Данный метод позволяет в режиме реального времени отслеживать механизмы окисления и промежуточные продукты, что повышает точность прогнозирования при подборе состава топлива и контроле качества. Он решает одну из ключевых проблем этапа первичных исследований в химии топлива, устанавливая связь между составом и условиями эксплуатации с путями деградации.
Стратегическое применение в биофармацевтических исследованиях и разработках
Ранний поиск и валидация мишеней
- Научная ценность: исследование влияния состава топлива на механизмы окисления для выяснения путей деградации.
- Практическая ценность: использование коммерчески доступных реакторов для моделирования контролируемых условий окисления с целью проверки гипотез.
Скрининг и разработка анализа
- Научная ценность: позволяет получать количественные данные, такие как общее кислотное число (TAN) и профили пиков ГХ-МС, для дифференциации стадий окисления.
- Практическая ценность: обеспечивает стандартизированную пробоподготовку и воспроизводимый мониторинг в нескольких временных точках окисления.
Трансляционные и доклинические исследования
- Научная ценность: Отслеживание образования промежуточных продуктов окисления, таких как метил-6-гептеноат и короткоцепочечные молекулы, для оценки риска образования отложений.
- Практическая ценность: Интеграция ИК-фурье спектроскопии с нарушенным полным внутренним отражением (FTIR-ATR) и газовой хромато-масс-спектрометрии (GC-MS) для многомодальной проверки тенденций окисления различных типов топлива.
Интеграция конвейеров и рабочих процессов
Данный метод способствует ускорению ранних этапов исследований, позволяя изучить механизмы окисления топлива, оптимизировать идентификацию перспективных соединений-лидеров с помощью анализа стабильности, а также обеспечить данные для доклинических оценок путем обнаружения прекурсоров отложений.
- Фундаментальная биология: Обеспечивает проверку гипотез о том, как состав топлива и условия эксплуатации влияют на механизмы окисления и образование продуктов.
- Скрининг: Обеспечивает готовность анализа за счет стандартизированного измерения TAN и анализа хроматограмм GC-MS для изучения кинетики окисления.
- Аналитика: Предоставляет количественные показатели, включая TAN, интенсивность пиков GC-MS и спектральные сдвиги FTIR-ATR для сравнения степеней окисления.
- Трансляционные исследования: Связывают обнаружение промежуточных продуктов окисления с риском последующего образования отложений, что помогает принимать обоснованные решения по минимизации рисков.
- Корпоративное повторное использование: Создает многократно используемую платформу для мониторинга качества топлива при транспортировке и бортовом использовании с применением доступных реакторных систем.
Операционное и корпоративное воздействие
- Научная ценность: Повышение прогностической уверенности в путях окисления, снижение механистической неопределенности при деградации топлива.
- Операционная ценность: Стандартизация, воспроизводимость и масштабируемость испытаний на окисление за счет установленных критериев прекращения анализа и интервалов отбора проб.
- Стратегическая ценность: Более обоснованные решения о целесообразности использования составов топлива, повышение эффективности капиталовложений при скрининге стабильности, снижение риска отказов, связанных с образованием отложений.
- Влияние на портфель: Приоритизация кандидатов на роль топлива с учетом рисков на основе кинетики окисления и профилей промежуточных продуктов.
Особенности реализации
- Требуется опыт в области химии топлива и аналитической интерпретации хроматограмм ГХ-МС с множеством перекрывающихся пиков.
- Необходим доступ к двухреакторным системам, ГХ-МС с колонкой FFAP, ИК-Фурье спектрометру с НПВО и установке для титрования с целью измерения общего кислотного числа (TAN).
- Требуется межгрупповая стандартизация процедур обращения с образцами, этапов окисления и аналитических протоколов для получения воспроизводимых результатов.
- При применении метода к различным видам топлива, таким как дизельное топливо, смеси с биодизелем и смазочные материалы, необходимо учитывать особенности их адаптации.
- Существуют практические ограничения, такие как требования к работе с опасными видами топлива и необходимость проведения гомогенного репрезентативного отбора проб после окисления.
