Characterization of Fischer-Tropsch Synthetic Paraffinic Kerosene and Traditional Aviation Turbine Fuel

Význam tématu

Analýza složení leteckých paliv je klíčová pro zajištění bezpečnosti, spolehlivosti a plnění emisních norem. S nástupem udržitelných leteckých paliv (SAF) vyrobených z obnovitelných surovin roste potřeba detailního charakterizování jejich chemického profilu. Komplexní informace o parafinech, aromátech i heteroatomových sloučeninách umožňují optimalizovat vlastnosti paliva, zkrátit certifikační proces a splnit požadavky ASTM D7566 a D1655.

Cíle a přehled studie / článku

Studie předkládá metodiku kombinující dvoudimenzionální plynovou chromatografii (GC×GC) s TOF hmotnostní spektrometrií (TOFMS) pro porovnání tradičních leteckých turbinových paliv s Fischer-Tropsch syntetickými parafinickými keroseny (FT-SPK). Cílem je ukázat schopnost této techniky odlišit typické hydrokarbonové eluce, kvantifikovat poměry cykloalkánů, aromátů a parafinů a demonstrovat výhody při dekonvoluci složitých směsí.

Použitá metodika a instrumentace

Vzorky paliv byly naředěny hexanem (100:1) a analyzovány pomocí termálně modulovaného GC×GC spojeného s TOFMS. Rozlišení dvou separačních rozměrů umožňuje sledovat eluační pásma n-parafinů, isoalkánů, cykloalkánů a mono- či dicyklických aromátů. Hmotnostní spektra jsou dekonvoluována v softwaru ChromaTOF a porovnávána s NIST23 knihovnou pro identifikaci jednotlivých složek.

Použitá instrumentace

• GC×GC: LECO QuadJet™ Thermal GC×GC, kolona 1: Rxi-17SilMS (30 m × 0,25 mm × 0,25 µm), kolona 2: Rxi-5MS (1,45 m × 0,25 mm × 0,25 µm)
• Přenosné podmínky: He při 1,0 mL/min, teplotní program 40→300 °C při 3 °C/min
• Modulátor a sekundární pec: +15 °C nad primární pecí, 2. dimenzionální cyklus 8 s
• MS: LECO Pegasus BTX, elektronová ionizace, rozmezí 35–900 m/z, 200 spekter/s
• Software: ChromaTOF s automatickou detekcí a dekonvolucí, knihovna NIST23

Hlavní výsledky a diskuse

Analýza tradičních leteckých paliv odhalila charakteristická pásma parafinů a aromátů s mírnými rozdíly ve spekulaci dicyklických aromátů. FT-SPK vyrobené při nízké teplotě (LTFT-SPK) je dominantně tvořeno lineárními parafiny, vysokoteplotní varianta (HTFT-SPK) vykazuje vyšší podíl větvených parafinů. Směs HTFT-SPK/A s přídavkem aromátů jasně ilustruje nárůst monoaromatických složek.
GC×GC umožňuje rozdělit souběžně eluující sloučeniny: například ve vzorku HTFT-SPK/A byly identifikovány souběžné špičky větveného parafinu, lineárního alkánu a isoalkylbenzenu s vysokou podobou knihovních spekter (>850/1000). Dvoudimenzionální separace významně zlepšuje čistotu spekter a přesnost identifikace proti jednorozměrnému GC.
Softwarové nástroje ChromaTOF odhalily přes 11 000 funkcí v tradičním palivu; pomocí filtru na podobu spekter a heteroatomové složky lze cíleně vybrat důležité analyty pro hodnocení rizika otravy katalyzátorů či emisní profil.

Přínosy a praktické využití metody

• Rychlá klasifikace a porovnání tradičních a syntetických paliv dle chemického složení
• Vyšší přesnost identifikace souběžně eluujících látek
• Podpora certifikačního procesu SAF dle ASTM norem
• Možnost cílené analýzy heteroatomových kontaminant a aromátů

Budoucí trendy a možnosti využití

• Integrace více dimenzí separace a alternativních ionizačních metod pro ještě detailnější profilaci
• Automatizované workflow založené na strojovém učení pro rychlejší vyhodnocení dat
• Rozšíření aplikace na nové zdroje SAF (biomasa, odpadové oleje)
• Využití sledování specifických markerů pro dlouhodobé monitorování stability paliva

Závěr

Kombinace GC×GC a TOFMS přináší výjimečnou schopnost komplexní i cílené charakterizace tradičních a syntetických leteckých paliv. Zvýšené rozlišení a kvalitní spektrální identifikace urychlují certifikaci SAF a poskytují hluboký vhled do vztahu chemického složení a palivových vlastností.

Reference

• Aviation Week: Bio-based aromatics for 100% SAF (2023)
• Markets and Markets: Sustainable Aviation Fuel Market Report (2023)
• US DOE AFDC: Sustainable Aviation Fuel overview
• Aviation Week: SAF market valuation to 2033
• Guidehouse Insights: Market Outlook for Sustainable Aviation Fuels
• NETL: Fischer-Tropsch synthesis technology basics
• SkyNRG: Sustainable Aviation Fuel technology basics