Hydrogen content determination by picoSpin NMR

Význam tématu

Stanovení vodíkového obsahu v ropných palivech je zásadní pro posouzení energetického výdeje a kvality destilátů. Vyšší podíl vodíku na uhlíku snižuje oxidační stav uhlíků a zvyšuje množství uvolněné energie při spalování. Tradiční NMR metody nabízí neinvazivní a opakovatelné měření, avšak vysokofrekvenční přístroje jsou nákladné a časově náročné na údržbu. Benchtopový NMR picoSpin 80 Series II představuje cenově efektivní a prostorově úspornou alternativu k time-domain i high-field NMR.

Cíle a přehled studie / článku

Cílem studie bylo ověřit přesnost a přesnost stanovení obsahu vodíku pomocí přenosného 82 MHz pulzního FT 1H NMR spektra s permanentním magnetem 2 T. Analyzovány byly referenční sloučeniny s různým obsahem vodíku a tři ASTM palivové standardy. Výsledky byly porovnány s teoretickými hodnotami a s daty z high-field NMR.

Použitá metodika a instrumentace

Pro stanovení obsahu vodíku byla zvolena vnitřní standardní látka hexamethyldisiloxan (HMDSO) díky chemické inertnosti, vysokému bodu varu a signálu mimo oblast vzorků.

• Spektrometr: picoSpin 80 Series II benchtop NMR (82 MHz, FT 1H), permanentní magnet 2 T, temperování na 36 °C, kapilární kazeta 40 µl.
• Sběr dat: 16 skenů, 4000 akvizičních bodů, recyklační zpoždění 40 s.
• Příprava vzorků: vážení HMDSO (~45 mg) a vzorku (~300 mg), rozpuštění, pětkonstrukce a injekce pomocí 1 ml stříkaček a 22G jehel.
• Výpočet: procento vodíku určeno podle poměru integrací signálů vzorku a standardu a známého %H ve HMDSO (11,17 %).

Hlavní výsledky a diskuse

Referenční sloučeniny (diethyl malonát, toluen, mesitylen, cyklohexanon, 2-nonanon, dodekan) s obsahem vodíku 7–15 % vykázaly relativní standardní odchylku <1 % (průměr 0,44 %). Chyba oproti teoretickým hodnotám se pohybovala mezi 0,56 % a 2,59 %, v průměru 1,58 %, což je na úrovni high-field NMR (2,75 %).
Analýza tří ASTM palivových standardů (D5307, D5580, D5134) přinesla průměrné hodnoty H 15,33 % (±0,98 %), 14,40 % (−1,43 %) a 14,32 % (−0,39 %) s RSD 0,4–0,8 %. Tyto výsledky potvrzují srovnatelnou přesnost a opakovatelnost oproti high-field instrumentům.

Přínosy a praktické využití metody

• Nákladově efektivní alternativa k high-field NMR.
• Nízké náklady na provoz a údržbu, malá stopa v laboratoři.
• Nevyžaduje specializované NMR laboratoře.
• Možnost rychlého a opakovatelného měření ve výrobních a QA/QC podmínkách.

Budoucí trendy a možnosti využití

• Rozšíření aplikace na další heteroatomy a strukturální analýzu nízkofrekvenčním spektrem.
• Integrace do on-line procesní kontroly a automatizovaná měření ve výrobně.
• Zvýšení magnetické indukce benchtop přístrojů díky materiálovým inovacím.
• Využití pokročilé datové analýzy a strojového učení pro zpracování spekter.

Závěr

Přenosný NMR spektrometr picoSpin 80 Series II nabízí podobnou přesnost a přesnost stanovení obsahu vodíku v referenčních sloučeninách a palivových standardech jako drahé high-field zařízení, přičemž poskytuje významné úspory nákladů a prostoru.

Reference

• Mondal S.; Kumar R.; Bansal V. et al. J. Anal. Sci. Technol. 2015, 6: 24
• ASTM-D5291, ASTM-D3701, ASTM-D4808, ASTM-D7171; Khadim M. A.; Wolny R. A.; Al-Dhuwaihi A. S. Arab. J. Sci. Eng. 2003, 28(2A): 147–162