Fuel Blend Analysis using the Cary 630 Spectrometer and 5 Bounce ZnSe ATR accessory

Význam tématu

Vzhledem k nutnosti snižovat závislost na fosilních palivech se bioethanol a biodiesel staly běžnými aditivy do benzinu a nafty. Butanol jako potenciální náhrada vykazuje výhodnější vlastnosti včetně nižší hygroskopičnosti, vyšší energetické hustoty a lepší kompatibility s konvenčními motory. Pro efektivní řízení kvality palivových směsí je nezbytná rychlá a přesná analytika složení a interakcí bioaditiv, což FTIR spektroskopie umožňuje poskytovat na molekulární úrovni.

Cíle a přehled studie

Studie se zaměřila na stanovení koncentrace butanolu v modelech palivových směsí (butanol n-dekán a butanol nafta) a na pochopení strukturálních interakcí mezi složkami. Cílem bylo vyvinout kvantitativní metodu založenou na FTIR spektroskopii a multivariátní regresi PLSR, která by umožnila rychlou a reprodukovatelnou analýzu v laboratorních i terénních podmínkách.

Použitá metodika a instrumentace

Byly připraveny binární směsi butanolu s n-dekánem (v molárních poměrech po 10 mol procent) a s komerční naftou (v hmotnostních krocích 10 procent). Měření probíhala na spektrometru Agilent Cary 630 FTIR vybaveném 5 odrazovou ZnSe ATR optikou. Spektra byla po předchozím očištění ATR modulu získána v rozsahu 4000 až 650 cm-1 s rozlišením 2 cm-1. Kvantifikace složení byla provedena částečnými nejmenšími čtverci PLSR.

Hlavní výsledky a diskuse

• Spektrální změny se systematicky posouvaly s růstem obsahu butanolu. U pásu OH strečingu došlo k neobvyklému modrému posunu, signalizujícímu zesílení interního vodíkového vazání butanolu a slabší vazby mezi butanolem a uhlovodíkovým prostředím.
• Region C=O při 1750 cm-1 ukázal červený posun a vznik dalšího pásu kolem 1730 cm-1, což odráží vodíkovou vazbu esterových skupin naftových složek s hydroxylovými skupinami butanolu.
• PLSR model poskytl vynikající korelaci mezi naměřenými spektry a skutečným podílem butanolu, s malými odchylkami a vysokou reprodukovatelností ve všech koncentracích.

Přínosy a praktické využití metody

• Rychlý a neinvazivní záznam spekter bez nutnosti spotřebního materiálu.
• Molekulární otisk umožňuje detekci a kvantifikaci bioaditiv v komplexních palivových matricích.
• Kompaktní přístrojové řešení s intuitivním softwarem vhodné i pro terénní měření.

Budoucí trendy a možnosti využití

• Integrace FTIR senzorů přímo do palivových systémů pro on-line monitorování složení.
• Rozšíření detekce dalších druhů pokročilých biopaliv a jejich směsí pomocí pokročilé chemometrie.
• Vývoj prediktivních modelů simulace mísení a výkonových parametrů motorů na základě spektrálních dat.

Závěr

FTIR spektrometr Agilent Cary 630 s 5 odrazovou ZnSe ATR optikou umožnil rychlou, spolehlivou a kvantitativní analýzu koncentrace butanolu v modelových palivových směsích. PLSR regresní model prokázal vynikající shodu naměřených a skutečných podílů, čímž ta metoda představuje efektivní nástroj pro kontrolu kvality paliv a výzkum bioaditiv.

Reference

• Anja I Lampe, Anna K Dittmar, Carina Heyen, Johannes Kiefer Butanol as potential biofuel A spectroscopic study of its blends with n-decane and diesel Fuel Volume 222 312-318 2018