Analysis of inorganic impurities in lubricating oils by ICP-MS

Význam tématu

Analýza anorganických nečistot v mazacích olejích je klíčová pro monitorování opotřebení strojních součástí, ověřování kvality produktů a optimalizaci procesů v petrochemickém a automobilovém průmyslu. Tradiční techniky jako AAS, XRF a ICP-OES poskytují dostatečnou citlivost pro běžné aplikace, avšak nedokážou efektivně pokrýt široký rozsah koncentrací od ultratrace po vysoké úrovně. ICP-MS nabízí výrazně nižší limity detekce i background equivalent concentration, což umožňuje simultánní sledování až 72 prvků v rozsahu od jednotek ppt až do tisíců ppm.

Cíle a přehled studie

Cílem studie bylo demonstrovat aplikaci Agilent 7700x ICP-MS pro rutinní stanovení kovových prvků v mazacích olejích. Práce popisuje volbu ředicího rozpouštědla, optimalizaci parametrů plazmy a iontové optiky, vyhodnocení analytických parametrů (limity detekce, BEC), validační testy (recovery, dlouhodobá stabilita) a analýzu komerčních vzorků různých typů olejů.

Použitá instrumentace

• ICP-MS Agilent 7700x se všesměrným RF generátorem a 1,5 mm injektorem
• Standardní skleněný koncentrický nebulizér a křemenná sprchová komora chlazená na –5 °C
• Vzorkovací a skimmingové kužely z Pt (z důvodu vyšší odolnosti vůči uhlíkatým depozitům)
• Autosampler Agilent I-AS pro automatizaci sekvence měření
• Přídavný plyn: směs O₂ (20 %) v Ar pro rozklad organické matrix

Použitá metodika

Olejové vzorky byly váženy (~2 g) a ředěny kerosenem do celkového ředicího faktoru ≤ 100. Interní standard (Y) byl přidán manuálně ke každé vzorkové baňce. Kalibrace probíhala externě na standardech S-21 (21 kovů, 100 ppm) s dalšími jednotlivými standardy pro minoritní a ultratrace prvky. Parametry plazmy a iontové optiky byly optimalizovány automatickou autotuningovou funkcí, použit byl režim H₂ i He (kolizní a reakční buňka).

Hlavní výsledky a diskuse

• Volba ředidla: kerosen vykázal obdobné výsledky na NIST SRM 1848 jako xylén a nižší stopové kontaminace.
• Limity detekce (DL) a BEC u ICP-MS byly o 1–2 řády nižší než u ICP-OES (příklad: V 0,013 ppb DL, Al 0,096 ppb DL).
• Recovery test: většina prvků dosáhla 85–123 %; P a Ca vykázaly vyšší vliv původního obsahu.
• Dlouhodobá stabilita: pětihodinová sledovaná stabilita v 10× ředěném vzorku, RSD < 6 % pro všechny prvky.
• Analýza komerčních olejů: koncentrace prvků se pohybovaly od jednotek ppb (ultratrace Ti, V, Cr, Mn…) až po stovky ppm (P, Ca, Zn), což potvrzuje široký dynamický rozsah metody.

Přínosy a praktické využití metody

Metoda umožňuje rychlé a spolehlivé stanovení širokého spektra kovových nečistot v mazacích olejích s minimální přípravou vzorku, vysokou robustností a opakovatelností. Vhodná je pro QA/QC laboratoře, rutinní servisní analýzy opotřebení strojů i výzkum nových aditivních systémů.

Budoucí trendy a možnosti využití

• Rozšíření spektra sledovaných prvků včetně vzácných kovů a kontaminant.
• Online ochránové systémy pro kontinuální monitoring a prediktivní údržbu (Industry 4.0).
• Hyfenované techniky (chromatografie – ICP-MS) pro speciační analýzu aditiv a degradantů.
• Vyšší stupeň automatizace a miniaturizace, mikrosystémové trubičkové systémy a kapalinová chromatografie v jednom „cartridge“ modulu.

Závěr

Agilent 7700x ICP-MS nabídlo vynikající výkon pro analýzu anorganických nečistot v mazacích olejích – rozšířený rozsah detekce od ppt po ppm, vysoká robustnost při přítomnosti organické matrix a dlouhodobá stabilita signálu. Metoda je připravena pro rutinní implementaci v různých průmyslových odvětvích.

Reference

1. de Souza JR, dos Santos EF, Duyck CB, Saint’Pierre TD. Spectrochim Acta B 66:368–372 (2011).
2. ASTM D3237-12. Lead in Gasoline by AAS (2012).
3. ASTM D4628-05. Barium, Calcium, Magnesium and Zinc in Unused Lubricating Oils by AAS (2011).
4. ASTM D5863-00a. Ni, V, Fe and Cr in Crude Oils by Flame AAS (2011).
5. ASTM D5185-09. Additive Elements and Wear Metals in Used Lubricating Oils by ICP-OES (2009).
6. ASTM D7111-11. Trace Elements in Middle Distillate Fuels by ICP-OES (2005).
7. Brum DM et al. Spectrochim Acta B 66:338–344 (2011).
8. Rahmani M, Kaykhaii M. Microchim Acta 174:413–419 (2011).