德國elementar / 2024年五月份電子報 –利用元素分析儀監測廢塑轉油之品質

前言

塑膠廢棄物是世界上最大的環境挑戰之一。 將塑膠變回石油 (Plastic into oil)的化學回收方法的出現代表了此應用之重要突破。 然而，在將回收油加工成新化學物質、原始級塑膠產品或燃料之前，需要測量其碳、氫、氮、氧和硫 (CHNOS) 含量。

回收原料中的高濃度雜原子（即硫、氮和氧）是不受歡迎的，因為它們會毒害精煉過程中的觸媒，導致精煉設備腐蝕，並且在硫的情況下會導致空氣排放，從而受到影響嚴格的監管控制。此外，回收油的碳/氫比越高，生產汽油和餾分燃料所需的煉油製程就越繁瑣且成本更高。

雖然對化石原料的 CHNS 分析已經進行了數十年，但越來越多的研究顯示氧元素分析是重要的產品品質指標，與回收原料密切相關。 雖然原油的氧含量本來就很低，但回收料通常含有大量的氧。因此，在決定如何混合原油和回收油以達到煉油廠加工可接受的氧含量時，了解確切的氧含量很有幫助。

為了在經濟上可行，將回收原料加工成新材料需要在現有的化學基礎設施內進行。這意味著回收原料和化石原料都被混合並作為起始材料送入大型化工廠。 這就產生了一個問題：這些工廠生產的產品中有多少可以正確地貼上回收標籤。這個問題可以用品質平衡方法來解決1)。 為此，對原料進行 CHNOS 分析，從而計算其低熱值 (LHV)。 既然知道了真實的化學價值，就可以確定需要多少回收原料來取代一定量的化石原料。

解決方案

A.使用rapid OXY cube進行低至 10 ppm 的高度可靠的氧元素分析

透過 Elementar 的專用氧元素分析儀、rapid OXY cube可以輕鬆完成氧分析。 在分析儀內，由於 1450 °C 的極高熱解溫度，樣品中的氧氣完全轉化為目標分析物 CO。 是這種完整的轉換帶來了高度準確、高精度且與樣品基質無關的分析結果。與其他分析儀相比，rapid OXY cube透過吸脫附管柱進行氣體分離和我們專利的反沖洗技術，消除了熱解副產物的干擾。具有高靈敏度和高線性度的可選紅外線偵測器可將rapid OXY cube的 LOD 降低至 10 ppm。 這種微量氧分析也可以透過超低系統空白實現——這是由玻璃態石墨製成的無空白熱解爐和創新的樣品引入方法的結果。一般來說，由於快速熱解過程，即使是最小的氧氣濃度也會產生形狀良好的峰，可以透過軟體輕鬆整合。

圖 1. 含 125 和 1236 ppm 氧的樣品的氧峰層析圖。 第一個峰值是初始系統空白，與樣品峰值很好地分離。
此影像顯示了紅外線偵測器設定的峰值層吸圖2)。

B.使用 vario EL cube針對油樣的高 C 和 H 含量最佳化 CHNS 分析

油樣的 CHNS 分析最好使用 Elementar 的元素燃燒分析儀 vario ELcube 來完成。此分析儀高度可靠的分析結果是基於卓越的燃燒和峰值分離。 陶瓷的氧氣進氣管將氧氣直接輸送到燃燒點，確保樣品完全氧化或還原為目標分析物氣體。 此外，vario EL cube採用3個吸脫附管柱。使碳氫硫三個分析峰確實分離，它會根據每個單獨的樣品進行動態調整，並對油樣的 C-H 分析峰分離產生很大影響。 微量硫分析由可選的IR偵測器實現，其訊號可以透過預設的TCD偵測器與 CHNS 一起讀出。油的氮含量往往較低。在這裡，vario EL cube的優勢在於以專利的球型閥降低背景值將氮元素降近零。

操作者友善的設計

兩款分析儀都具有低維護設計的特點，其中包括長期穩定的校準。在軟體中，計數器會追蹤在下一個維護時程到期之前尚可分析多少個樣本。每當需要維護時，我們操作者友好的快速夾具連接可確保tool-free免工具維護體驗，而滑軌式高溫爐可以輕鬆進入儀器內所有重要部件並保證舒適的工作姿勢。自動睡眠和事件監控功可進行無人化的自動操作。 基於 Windows® 的操作軟體具有全自動洩漏檢查、LIMS 整合、自動備份等功能。

分析結果

這兩種儀器的性能透過不同回收和化石燃料樣本的分析來顯示。 樣品在固體模式下使用膠囊進行分析，在液體模式下使用 VLS 液體自動進樣器2) 進行分析。 表 2 中總結的結果表明，CHNOS 元素含量的測量精度非常高，並且在兩種進樣方法之間觀察到良好的一致性。 一般來說，大多數油樣的硫濃度低於IR的定量限度，對於本應用而言，硫濃度約為 200 ppm。為了分析液體燃料樣本中的微量硫和氮，Elementar 另提供了trace SN cube，可分析至ppb等級。

表 2. 5 次重複測量的平均 CHNOS 濃度及其標準差。 CHNS 分析是使用 vario EL cube在固體和液體模式下進行的，
氧元素分析是使用IR偵測器的rapid OXY cube2) 進行的 O/直接模式使用固體和液體進樣器。

結論

使用 Elementar 的分析儀 vario ELcube 可以輕鬆完成回收油和類似樣本的 CHNS 分析。卓越的燃燒品質以及獨特的分析峰分離機制帶來高度可靠的分析數據。 Elementar 的rapid  OXY cube代表了回收油和類似樣品氧分析的最佳解決方案。 其更高的熱解溫度（1450 °C）、低背景值和強大的紅外線偵測器2)保證了高品質數據－低至10 ppm。這兩款分析儀都具有低維護設計的特性。 此外，它們允許兩種不同類型的樣品導入分析：可以使用低成本固體自動進樣器透過錫囊導入樣品，也可以透過液體自動進樣器注入樣品。

資料來源:elementar官網