柴油车尾气处理液中尿素与缩二脲含量的测定

2023-08-08杨照生耿晓红戴丽明郑彦宁蔡立鹏张京京

煤炭与化工 2023年6期

关键词：柱温磷酸二氢钾柴油车

杨照生，耿晓红，戴丽明，罗强，郑彦宁，蔡立鹏，李涛，张京京

（河北省产品质量监督检验研究院，河北石家庄 050227）

0 引言

环境污染已成为当今的热门话题，柴油车尾气排放已成为我国空气污染的重要来源。研究表明，重型柴油车尾气中的NOx 等主要成分危害人体健康，污染大气，破坏自然环境。

为了满足环保发展的要求，我国柴油车采用SCR 技术对车辆排放的尾气进行处理，主要通过添加柴油车尾气处理液与汽车尾气中的NOX发生反应，生成无污染的N2和H2O，从而达到环保排放要求，因此，柴油车尾气处理液的质量安全尤为重要。

尿素含量过高，会使剩余尿素在高温条件下水解产生NH3和CO2，对SCR 系统造成二次污染；而尿素含量过低，会降低对尾气中NOx 的还原效率，导致仍有部分NOx 未被还原而直接排入大气。研究表明，当尿素含量为32.5%时，产品的结晶点最低，尿素含量偏高或偏低，均会提升产品的结晶点，导致堵塞尿素输液管、喷嘴、堵塞排气管，甚至损害发动机。

另外，由于柴油车尾气处理液在SCR 系统中反应时，会直接与催化剂相接触，其中的微量缩二脲会进一步缩聚生成熔点＞300 ℃的三聚氰酸而附着在催化剂上，进而降低催化剂对NOx 的转化效率。

国家标准严格规定了柴油车尾气处理液中尿素和缩二脲含量的测定方法。尿素含量的测定方法为高温燃烧定氮法，在高温燃烧条件下，将样品中的氮全部转化为NOx，采用热导检测器进行检测，但该方法附录Ad 明确标明计算时未从氮中扣除氨，存在检测结果有未扣除氨的风险。

缩二脲含量的测定方法为分光光度法，该方法中附录C.5.1 明确表明只在氨含量≤500 mg/kg 的条件下适用，若氨含量＞500 mg/kg，则应通过蒸馏方法去除氨。尿素的高温燃烧定氮法和缩二脲的分光光度法均存在操作繁琐、前处理耗时费事、检测周期长等缺点。

高效液相色谱法是以液体为流动相，通过高压输液系统，把不同极性的单一溶剂或不同比例的混合溶剂、缓冲液等流动相泵入装有固定相的色谱柱中，在柱内的各成分被分离后，再进入检测器进行检测，从而实现对试样的分析。高效液相色谱法具有较高的灵敏度与准确度，具有操作简单、快速、重现性好等优点，是柴油车尾气处理液中尿素和缩二脲含量检测的一种理想的分析方法。

1 实验部分

1.1 主要仪器与装置

（1）高效液相色谱仪：UltiMate3000 型（DAD 二极管阵列检测器，Chromeleon7.1 色谱工作站），美国Thermo Fisher Scientific 生产。

（2） C18 型色谱柱：4.6 mm×250 mm，5μm，美国Waters 公司生产。

（3）超纯水器：UPT-I-10T 型优普系列，四川优普超纯科技有限公司生产。

（4）电子天平：AL104 型，梅特勒- 托利多仪器（上海）有限公司生产。

（5）超声波清洗器：KQ5200B 型，昆山市超声仪器有限公司生产。

（6）一次性注射器：5.0 mL。

（7）有机系滤膜：0.45 um。

1.2 主要试剂

（1）柴油车尾气处理液样品：购于当地加油站。

（2）缩二脲标准品：纯度为98.5%，购于坛墨质检科技股份有限公司。

（3）尿素标准品：纯度为99.3%，购于天津阿尔塔科技有限公司。

（4）甲醇：色谱纯，购于韩国德山药品工业（株）。

（5）磷酸二氢钾：优级纯，购于天津市科密欧化学试剂有限公司。

（6）实验室用水：超纯水。

1.3 色谱条件

（1）流动相：A- 甲醇，B- 0.074 mol/L 磷酸二氢钾溶液，pH=6.0。

（2）流速：1.0 mL/min。

（3）柱温：30 ℃。

（4）检测波长：197 nm。

（5）进样量：10 μL。等度洗脱条件见表1。

表1 等度洗脱条件Table 1 Equilibrium elution conditions

1.4 样品处理

（1）精密称量1.0 g（精确至0.000 01 g）柴油车尾气处理液样品于100 mL 容量瓶中，用流动相稀释至刻度，摇匀。

（2）分取10 mL 试液于100 mL 容量瓶中，用流动相稀释至刻度，摇匀。

（3）过0.45 μm 滤膜，弃去初滤液，收集流出液，待测。

1.5 样品检测方法原理

在1.3 色谱条件下，对照标准溶液与柴油车尾气处理液中色谱峰的保留时间进行定性分析。在1.3 色谱条件下，用外标法进行定量分析，求出尿素和缩二脲浓度分别与相应峰面积的校准曲线，根据校准曲线及样品质量即可求出柴油车尾气处理液样品中尿素和缩二脲的含量。

柴油车尾气处理液中尿素、缩二脲含量X 均按式（1）计算：

式中：X 为柴油车尾气处理液中尿素和缩二脲的含量，%；c 为从标准工作曲线查出的试样溶液中尿素和缩二脲的浓度，mg/mL；V 为试样最终的定容体积，100 mL；m 为试样的质量，g。计算结果保留至小数点后两位。

2 结果与讨论

2.1 色谱条件优化

2.1.1 DAD 检测波长优化

尿素和缩二脲在紫外光谱区有较强的吸收，使用DAD 检测器在190～400 nm 光谱范围内分别对尿素和缩二脲标准溶液进行全扫描分析。尿素全波长光谱图如图1 所示。

图1 尿素全波长光谱Fig.1 Full wavelength spectrum of urea

缩二脲全波长光谱图如图2 所示。

图2 缩二脲全波长光谱Fig.2 Full wavelength spectrum of biuret

由图3 可以看出，两种物质在197 nm 处的信噪比最高，最终选定197 nm 作为尿素和缩二脲的检测波长。

图3 不同波长下尿素和缩二脲的信噪比Fig.3 Signal to noise ratio of urea and biuret at different wavelengths

2.1.2 流动相优化

通过改变流动相中水相（0.074 mol/L 磷酸二氢钾水溶液）和有机相（甲醇）的比例，研究不同比例的流动相中尿素和缩二脲的保留时间、分离度及峰宽，确定最佳的流动相比例。

当流动相中甲醇:磷酸二氢钾溶液（0.074 mol/L）的比例由5:95 向25:75 逐渐变化时，不同流动相下的实验结果如图4 所示。

图4 不同流动相下的色谱图Fig.4 Chromatogram at different mobile phases

由图4 可以看出，在流动相中，当甲醇:磷酸二氢钾（0.074 mol/L） =5:95 时，尿素和缩二脲可以得到有效的分离，色谱图的峰型与基线最好。因此，流动相比例选择甲醇∶磷酸二氢钾水溶液=5∶95。

2.1.3 流速优化

使用C18 色谱柱，以比例甲醇:磷酸二氢钾水溶液（0.074 mol/L） =5:95 为最佳的流动相，研究流速对尿素和缩二脲的影响，实验结果见图5。

图5 不同流速下的色谱图Fig.5 Chromatogram at different flowrates

由图5 可以看出：

（1）当流速越高时，尿素和缩二脲的分离度越低，出峰时间不断提前，峰宽不断减小。

（2）当流速越低时，尿素和缩二脲的分离度越高，出峰时间不断靠后，峰宽不断增大。

（3）在流速为1.0 mL/min 时，分离度较高，峰宽较小，出峰时间适中。

因此，选用1.0 mL/min 为最佳流速。

2.1.4 柱温优化

使用C18 色谱柱，以甲醇:磷酸二氢钾水溶液（0.074 mol/L） =5:95 为最佳流动相，流速为1.0 mL/min 时，研究柱温对尿素和缩二脲的影响。考虑色谱柱的使用温度，以25 ℃为最低温度，逐步提高柱温，40 ℃为最高温度，实验结果见图6。

图6 不同柱温下的色谱图Fig.6 Chromatogram at different column temperatures

由图6 中的测定结果可知，柱温对出峰时间和峰面积影响较小，当柱温在30 ℃时，色谱峰的峰型比较好，峰宽较小。所以，选择30 ℃为最佳柱温。

2.1.5 最优色谱条件

由以上实验结果确定最优色谱条件：流动相为甲醇:磷酸二氢钾溶液（0.074 mol/L） =5:95；流速为1.0 mL/min；检测波长为197 nm；柱温为30 ℃；进样量为10 μL。

尿素和缩二脲标准溶液的实验结果如图7所示。

图7 尿素和缩二脲标准溶液的色谱图Fig.7 Chromatogram of urea and biuret standard solutions

2.2 标准曲线与线性范围

分别采用流动相配制尿素和缩二脲的混合标准溶液，其中尿素浓度为0.00、0.10、0.20、0.40、0.60、0.80、0.90 mg/mL；缩二脲浓度为0.00、0.01、0.02、0.04、0.06、0.08、0.10 mg/mL。按照1.3 的色谱条件进样，分别以浓度和峰面积为横、纵坐标绘制标准曲线，并计算线性回归方程和相关系数，结果见表2。

表2 尿素与缩二脲的线性范围、回归方程、检出限（S/N=3）、定量限（S/N=10）Table.2 Linear ranges,regression equations,detection limit(S/N=3)and quantification limit(S/N=10)of urea and biuret

由表2 可以看出，尿素和缩二脲的线性关系良好，相关系数R2分别为0.999 4、0.999 6。