由于汽油中的烯烃和二烯烃容易发生聚合和氧化影响汽油的质量和稳定性,因此需要控制,车用汽油国家标准(GB/T 17930-2011)要求烯烃含量不大于30%(体积分数)。近年来采用气相色谱-质谱(GC-MS)表征复杂样品组成的报道较多[ 8, 9, 10 ]。Soják等[ 11 ]对流化床催化裂解(FCC)汽油中的C5~C7烯烃组分进行了研究,对C5~C7烯烃组分在角鲨烷固定相和聚二甲基硅氧烷等非极性色谱柱上的保留进行了报道。Ramnäs等[ 12 ]对催化裂解汽油中的C5~C7烯烃组分在甲基硅氧烷和Al2O3/KCl色谱柱上的保留进行了研究。刘颖荣等[ 13, 14 ]和杨海鹰等[ 15 ]利用气相色谱-原子发射光谱和溴加成法联合对汽油中的单体烯烃进行了定性和定量研究。冷志光等[ 16, 17, 18 ]对裂解C5和C5烯烃产品的分离和定性进行了比较详细的研究。
MTO技术的特点是乙烯和丙烯等烯烃的选择性非常高,MTO副产汽油中也富含C5~C7烯烃组分。对MTO副产汽油的详细组成分析,特别是烯烃和二烯烃的详细表征是后续加工和综合利用的依据。本文采用GC-MS对MTO副产汽油中的C5~C7烯烃进行了详细的表征,可以为MTO副产汽油的综合利用提供依据。
Agilent 7890气相色谱仪-5975质谱检测器。HP-1毛细管色谱柱(100 m×0.25 mm×0.50 μ m)。载气(He)流量0.6 mL/min。柱温:初始温度30 ℃,保持80 min,升温速率10 ℃/min,最终温度180 ℃,保持10 min。分流比100 ∶ 1,进样体积1.0 μ L。质谱检测器离子源温度为230 ℃,四极杆温度为150 ℃,界面温度为280 ℃,电子轰击电离源的电压为70 eV,用全扫描方式采集数据,扫描范围m/z 15~550。该仪器也用于程序升温线性保留指数的测定,程序升温条件:从进样开始,炉温立即以1 ℃/min 的速度从30 ℃升温至200 ℃。
Agilent 6890气相色谱仪,氢火焰离子化检测器,HP-PONA毛细管色谱柱(50 m×0.20 mm×0.50 μ m)。进样口汽化温度200 ℃,载气(N2)流量0.4 mL/min。柱温:初始温度30 ℃,保持60 min,升温速率10 ℃/min,最终温度180 ℃,保持10 min。检测器温度250 ℃, H2 流量40 mL/min,空气流量400 mL/min,尾吹气(N2)流量20 mL/min。分流比200 ∶ 1,进样体积1.0 μ L。
C4~C8正构烷烃试剂(色谱纯,国药集团)。用正戊烷将正构烷烃C6~C8试剂配制成0.1%(质量分数)的标准样品,用于测定正构烷烃的保留时间,计算保留指数。正丁烷的保留时间通过单独进1 μ L气样测定。
2-甲基-1-丁烯、2-甲基-2-丁烯、异戊二烯和1,3-戊二烯(聚合级,上海石油化工股份有限公司);顺-2-戊烯、1-己烯、反-3-己烯、2-甲基-1-戊烯、1-庚烯、2,3-二甲基-1-丁烯和2,3-二甲基-2-丁烯(色谱纯,美国Sigma公司); 2-己烯(顺式和反式混合物)、2-甲基-2-戊烯、1,5-己二烯、1,4-己二烯(顺式和反式混合物)、2,4-己二烯(含异构体)和2-甲基-1,3-戊二烯(色谱纯,东京化成工业株式会社)标准试剂,用于测定保留指数和定性确认。
采用1.1节和1.2节的条件对MTO装置脱丁烷塔塔底所取的汽油样品a进行定性和定量表征。
HP-1毛细管色谱柱的固定相为非极性的聚二甲基硅氧烷,本工作所用HP-1毛细管色谱柱经正庚烷标准样品测试,在30 ℃时,保留因子k为3.7,有效塔板数为 192860。在1.1节条件下对MTO汽油样品a进行分析,使用低温、长柱及较低的载气流速以保证各组分的充分分离,便于定性确认。经样品分析得到各组分的保留时间,结合正构烷烃标准样品的保留时间测定结果计算各组分的保留指数和线性保留指数,计算结果见表1。
MTO汽油样品a中各组分的定性根据质谱图和标准谱图的比较确定,同时根据文献[ 11, 12 ]的保留指数进行确认,部分组分还通过标准样品进行了确认。MTO汽油样品a中C5~C7烯烃的提取离子色谱图见图1,
GC-MS对FCC汽油中的C5~C7单烯烃的结构识别的可行性、定性表征均有详细的报道[ 11, 12 ]。本文研究的目的是确认MTO汽油中的烯烃异构体,尤其是对文献报道较少的二烯烃和环烯烃进行定性确认,为色谱分析MTO汽油建立保留指数数据库。
表1中列出了各烯烃组分定性的特征离子。C5烯烃的离子碎片较少,C5单烯烃的分子离子峰都比较强,主要碎片是丢失一个甲基自由基CH3.产生的m/z 55离子和McLafferty重排发生氢转移丢失双键一侧产生的碎片离子m/z 42。C5双烯烃和环烯烃的基峰都是丢掉一个H产生的[M-H]+.准分子离子峰m/z 67,主要碎片是[M-H]+.准分子离子峰进一步丢失亚甲基CH2.和乙烯基自由基C2H4.产生的离子碎片m/z 53和39。C6单烯烃主要的离子碎片是丢失CH3.和C2H5.产生的m/z 69和m/z 55,丢失双键一侧的C3H7+.(m/z 43)和保留双键一侧的C3H5+.(m/z 41)均为常见碎片,McLafferty重排发生氢转移的碎片m/z 56亦为常见离子。C6二烯烃和环烯烃的基峰均为丢失CH3.产生的离子碎片m/z 67, 1,5-己二烯的分子离子峰非常弱,说明端基双键自由基不稳定,容易发生McLafferty重排双键位置移动,m/z 67应为重排后丢失CH3.产生的离子碎片;1,5-己二烯由于分子对称,容易从中间断裂产生很强的m/z 41碎片离子。C7单烯烃碎片离子产生的机理和C6烯烃类似,容易丢失CH3.生成m/z 83碎片离子。C7环烯烃的基峰均为丢失侧链CH3.产生的离子碎片m/z 81,进一步开环丢失一个和两个亚甲基自由基CH2.产生的m/z 67和m/z 53均是常见的离子碎片。
采用1.2节色谱条件对汽油样品a进行分析,采用面积归一化法对各单体组分定量。HP-PONA柱的固定相和GC-MS分析用的HP-1柱相同,HP-PONA毛细管色谱柱在30 ℃时,正庚烷测试的保留因子为5.8,有效塔板数为 215855,和GC-MS分析用的HP-1柱效相当,分离效果和GC-MS的分离效果也相当。色谱分析的数据定性和定量结果统计采用本实验室自编的PONA软件处理。
根据GC分析的保留时间计算各组分的保留指数,然后与GC-MS测定的保留指数(见表1)对照进行定性。GC分析得到的保留指数和GC-MS定性得到的保留指数差值均小于3.0,多数组分的保留指数差值小于1.0。MTO副产汽油中除了C5~C7烯烃组分外,还有少量的C5~C7烷烃和环烷烃、含氧化合物和C8+组分。C5~C7烷烃和环烷烃组分同样由GC-MS定性。
各单体组分定性后,根据单体组分的定量结果按烃类类别和碳数归类,定量结果见表2。
利用GC-MS对MTO副产汽油中的49个单烯烃、11个二烯烃和9个环烯烃共计69个C5~C7烯烃组分在HP-1柱上的保留指数进行了测定和定性确认。一些色谱无法分离的异构体组分利用质谱的解卷积功能通过特征离子的差异得到了分离和定性。MTO副产汽油中C5~C7烯烃组分的定性和保留指数测定为色谱定性定量分析提供了依据。
结合GC-MS对MTO汽油中C5~C7烯烃组分的详细表征,利用气相色谱对副产汽油中C5~C7烯烃组分进行了定量分析。定量结果表明:MTO汽油以C5~C7脂肪族烯烃为主,含有少量的二烯烃和环烯烃,烷烃和环烷烃含量很少。