超声萃取-数字图像比色法快速测定含油污泥含油率

吴限，陈晓晓，冯恩临,3，马诚，李丽华

(1.辽宁石油化工大学 石油化工学院，辽宁 抚顺 113001；2.济南同路医药科技发展有限公司,山东 济南 250014;3.中石油昆仑燃气有限公司燃气技术研究院，黑龙江 哈尔滨 150016)

含油污泥的无害化处理以及处理后含油率检测是亟待解决的环境保护问题之一[1-3]。传统测定含油率的方法主要有：红外法、分光光度法、抽提重量法、热解法、气相色谱法等[4-8]。抽提重量法在企业现场应用较多，但测量时间长且会对环境造成污染。光谱及色谱法因其仪器价格较贵，也不方便现场使用。

数字图像比色法是一种新型测试方法，其具有简单、准确、快速等优点[9-11]。近年来在食品、生物、环境领域得到快速发展[12-19]。石油类物质也可以采用该方法进行测量[20]。因此，本文首次以超声法为萃取方法，DIC法为测量方法，开发了一种含油污泥的快速绿色检测方法[21-22]。

1 实验部分

1.1 材料与仪器

石油醚(90～120馏分)、无水氯化钙均为分析纯；盐酸(36%)为化学纯。

测定手机：Samsung SM-A8S图像传感器为CMOS；KQ-500DV高频数控超声波清洗器；岛津mini-1240紫外可见分光光度计。

1.2 样品的制备

标准油的提取：取约40 g油泥样品置于分液漏斗中，加入150 mL石油醚及5 mL盐酸(1+1)萃取，提取液经过无水氯化钙脱水、过滤并蒸去溶剂，即得标准油样。

样品的制备：将一定量含油污泥加入少量无水氯化钙搅拌均匀后风干处理。过40目分样筛除去大砂粒，研磨后采用高速搅拌机混合均匀，准确称取0.500 0 g(精确至0.000 1 g)50 mL具塞比色管内，加入石油醚定容至50 mL。盖紧充分摇匀溶解后，将比色管在(50±5) ℃恒温超声仪上分别加热超声20 min。萃取结束后过滤，并取适量溶液移至比色皿中，供分光光度计和手机拍照分析。

1.3 数字图像的采集及数据提取

15 W白光灯作为手机数字图像采集时的补光设备，样品与光源水平距离20 cm，光源角度为10°。相机镜头距离样品水平距离为30 cm，拍摄角度为30°。比色皿后以白板为背景。整套装置置于暗室环境中，智能手机基于设定好的参数拍照。

图片通过用Matlab自主开发的软件处理，界面见图1。

图1 测量含油率软件界面Fig.1 Interface of oil content measurement software

选择“文件读取”读取手机获得的图片。通过“区域选取”粗调，“区域微调”细调获取感兴趣区域(region of interest，ROI)。点击“分析计算”读取感兴趣区域16×16 像素区域的颜色矩阵(颜色矩阵大小可通过“取样框大小”进行改变)，得出对应的R(Red红)、G(Green 绿)、B(Blue 蓝)值及其标准偏差。当标准偏差大于3时报错，此时可能有异常点出现，重新选取感兴趣区域。标样浓度需在“样品信息面板”内输入。标准曲线建立后可在“分析”-“拟合测量”中选择通过线性插值、样条插值以及多项式插值等插值方式计算出未知样品的含油率。计算结果可导出为excel表格形式。

2 结果与讨论

2.1 超声时间的考察

按1.2节描述取30 g左右含油污泥样品制备20份。将比色管在(50±5) ℃恒温超声仪上分别加热超声5，10，15，20，25 min，每个时间点4份样品。萃取结束后过滤，采用分光光度计对滤液进行油浓度测定，结果见图2。

图2 超声萃取时间的考察Fig.2 Investigation of ultrasonic extraction time

由图2可知，当超声时间在15 min时测量的油浓度趋于饱和，当超声时间在20 min时达到饱和。因此取超声萃取条件为20 min。

2.2 颜色通道的选取

为了建立油浓度与数字图片中提取出的测量参数R、G和B的关系，以石油醚为溶剂，使用标准油样配制了0.1～0.7 mg/mL的不同浓度的标准溶液。采用智能手机进行拍照，拍照条件白平衡值WB为6 500 K、感光度ISO值为200、曝光时间为1/100 s。 使用自主开发的图片比色含油率分析软件对其进行RGB数据提取，结果见图3。

图3 油浓度与R、G、B的关系Fig.3 Relationship between oil concentration and R,G and B

由图3可知，随着溶液油浓度的增加，R、G、B值均呈减小的趋势，样品的浓度越高，颜色越深，其R、G、B的数值也就越小，但其减小的速度不同。其中B值下降得最快，在油浓度约为0.4 mg/mL时降至最低并保持平稳，而R、G曲线的减幅则小了许多。R值减小的速度最慢，G值次之。因此应根据测量样品的浓度选用适当的测量参数。另外，由于污油泥的组分十分复杂，即使同一油田不同批次的污油泥其组分也可能不同。不同的组分会导致样品的吸光系数不同。因此对于每一批次的污油泥都应该重新制作标准油样并建立R、G及B曲线，确定其具体的测量参数。针对本实验中所测量样品，R值的变化太小，导致灵敏度低，相对标准偏差大。B值在低浓度时线性较好，灵敏度也较高，但高浓度时则几乎没有变化导致无法测量。因此我们最终选取定量曲线的颜色通道为G值。

2.3 快门时间的选取

快门时间影响的是曝光的时间。快门时间越长，进入相机内部的光就越多，因此来自样品颜色的信息就越多，信号就越强。为了研究快门时间的影响，找出最优的测量参数，分别选取1/50，1/100，1/200 s 的曝光时间对上述标准溶液进行拍照测量，以G值作为测量值绘制标准曲线，结果见图4。

图4 曝光时间对G值的影响Fig.4 Effect of exposure time on G

由图4可知，其快门时间1/50 s时，曝光时间过长。过度曝光使浓度在小于0.25 mg/mL时完全无法测量。在过度曝光区域外，不同曝光时间的G值曲线变化趋势基本相同。1/100 s曲线的G值基本为1/200 s曲线的G值的2倍。在相同的浓度范围内(0～0.8 mg/mL)，1/100 s曲线的G值变化131约为1/200 s曲线的G值变化值68的2倍。其灵敏度更高，相对偏差更小。因此对于本实验中所测量样品，1/100 s曝光时间为最优。根据此结果，最优曝光时间的选择原则为在非过度曝光的前提下，曝光时间越长越好。另外当测试时，标准油样的吸光系数过高或过低，可以通过调节曝光时间来调节G值范围，提高灵敏度。

2.4 插值方法的选取

插值可以平滑地估算出基准数值之间其他点的函数数值。对于图像比色法，由于线性范围相对较窄，另外定量曲线的相关系数也较分光光度法低，因此对于定量曲线有一定弯曲度的部分，插值是一个很好的选择。自主开发的软件中提供了线性插值、样条插值以及多项式插值3种插值方法。为了评估3种插值方法对测量结果的影响，我们在最优条件下，拍摄了3个模拟样品的照片(每个样品测量6次)，并分别用上述3种插值方法计算其含油率。其相对误差见表1。

表1 3种不同插值方法的对比Table 1 Comparison of three different interpolation methods

由表1可知，3种插值方法计算出的浓度均和配制浓度相符较好，其中样条插值的误差相对较大。线性插值和多项式插值的计算结果没有太大区别，这可能是因为标准曲线的线性相对较好，弯曲程度较小。因为多项式插值需要3个基准点，可能使临近测量范围两端的样品产生测量数据异常的情况。因此针对本实验中所测量样品，我们选用线性插值法进行浓度的计算。对于G值曲线弯曲的样品，应选用多项式插值进行测量。

2.5 标准曲线、检出限及回收率

取0.10，0.20，0.30，0.40，0.50，0.60，0.70，0.80 mg/mL 7个质量浓度的含标准油的溶液以及参比溶液石油醚于50 mL比色管中超声20 min后过滤，在最优条件下(G值，快门时间1/100 s)进行拍照，所得的G值为纵坐标，横坐标对应含油率为1%～8%，绘制标准曲线。测得标准曲线为G=255.18-23.17 油，式中油为含油率，单位%，相关系数R2=0.994。以石油醚作为空白样本，进行21次空白试验，测得检出限LOD(3SD空白/斜率)为0.07%，定量限LOQ(10SD空白/斜率)为0.23%。

取一实际样品经高速搅拌使其均匀，准确称取每份0.500 0 g共8份。在最优条件下(超声5 min，测量G值，快门时间1/100 s，线性插值)测出其含油率及相对标准偏差。再往比色管中加入1 mL 10 mg/mL， 等待其挥发至50 mL时盖上塞子再次测量其含油率，进而算出回收率。测量相对标准偏差为3.5%，回收率在92%～106%之间。结果说明该方法的准确度及精密度均较高。

2.6 溶剂回收试验

含油污泥测量时会使用大量的萃取溶剂，无论是石油醚，四氯化碳，还是甲苯作溶剂，排放到环境中均会造成污染。因此，溶剂的回收可以提高溶剂的利用率，减少环境的污染，另外也降低了溶剂的使用成本。为解决这个问题，本文对测定结束后的含油石油醚废液进行了回收，并通过常压蒸馏装置收集90～120 ℃的馏分。分别对回收石油醚与分析纯的石油醚，以及以他们为溶剂配制0.5 mg/mL的溶液进行G值测量，结果见图5。

图5 回收石油醚检测实验Fig.5 Detection experiment of recovered petroleum ether1号为分析纯石油醚；2号为回收石油醚;3号为分析纯石油醚为溶剂的0.5 mg/mL溶液;4号为回收石油醚为溶剂的0.5 mg/mL溶液

由图5可知，回收石油醚测量出的G值与分析纯的石油醚没有差别，以其为溶剂配制的含油溶液也与分析纯配制的几乎没有差别。对于半定量或精度要求不是特别高的时候完全可以用回收石油醚进行含油率测量。另外本实验过程中除了加标回收实验需要蒸发一定量的溶剂，正常测量时溶剂损失很小。因此使用本方法测量含油率后可以对溶剂进行回收，更加绿色、经济、环保。

3 结论

(1)本文以手机为测量装置，G值为测量通道，线性插值为插值方法将超声萃取与数字图像比色法相结合应用于测量含油污泥的含油率。

(2)该方法实现了1 h内含油率的快速测量，且所用的溶剂可以回收，对环境几乎没有危害。

(3)该方法在确定参数的条件下，有较好的测量准确度和精密度，操作简单、性价比高。

(4)该方法在现场测量及油泥清洗剂开发方面有广阔的应用前景。