油液中不同形式的的水污染状态检测方案(近红外光谱仪)

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利用红外技术进行油中水污染检测（上）：溶解水检测 油液中的水会以多种形式表现出来，从溶解水到乳化水，到游离水。油中水的存在方式取决于润滑油的性质以及制备条件。斯派超科技公司的FIuidScan中红外光谱仪可用于监测油中以各种状态存在的水。该装置通过检测水的红外谱线实现对油中溶解水的测量。通过检测散射光判断润滑油是否存在乳化现象或者是否存在自由水，一旦发现油液处于临界水平，FIuidScan便会提醒用户。在比较FIuidScan和Karl Fischer实验室滴定方法的结果时，应确保油液中水分是同质的。当水主要溶解在油中时，就可以进行定量比较。下面，我们将讨论用FIuid-Scan测量油中水含量的细节。 FIuidScan中红外光谱仪是一套非常出色的检测设备，它可以检测油液中不同形式的的水污染状态。当水与油相互作用时，水分子和油分子之间会产生特殊化学键，它可以产生强烈的中红外共振。这意味着结合的水-油分子优先吸收在特定振动频率的中红外能量。这种吸收是由于键振动的固有频率所引起的。想象一下，在集装箱内，由一个或多个弹簧与一个包裹相连所引起的震动，弹簧和包裹的结合体会产生显著的固有共振。同样的原则适用于化学键;入射的红外光在检测时向运输容器供应能量而不是震动。使用FIuidScan，我们关注的是在溶解的水和油之间产生的特别敏感的氧-氢键共振（0-H伸缩）。依据油的性质，这种共振发生在3200和3800cm -1之间，或者是波长2.63和3.125微米之间。在大多数矿物基础油中，该共振将在3400cm-1附近。图1展示了一个典型的多重机油的例子。如下图所示，随着油中溶解的水分越的增多，吸收的共振也随之增加。 由于该过程是可重复的，并且由化学键的基本化学驱动，因此可以在吸收共振和油中存在的水的量之间建立精密相关。下图显示，FluidScan对水的测定值相比Karl Fischer标准实验室滴定值有着很好的相关性。 图1：机油中的溶解水吸收共振集中在3400cm-1附近 使用FIuidScan测量油中水含量的方法： 1. FIuidScan测量油的光谱，通过嵌入式分析算法量化基于该光谱的水峰值的高度。 2. 然后使用存储在设备内的算法将该高度值转化为ppm。无论是什么类型的油（或生物柴油）， 当水与油结合时，这个特征峰值都是存在的。这就为FIuidScan测量油中的水含量提供了一种直接、可靠的方法。 3. 通过使用特定算法来确定该峰的真实高度，引起该区域光谱改变的其它情况（如油中含有烟炱）可以从真实的水测定中消除。 4. 当其他物质的红外峰出现在相同的中红外区域的情况下，例如当油中存在大量防冻液污 染时，FIuidScan会识别并标记与水污染相关的其它峰。 然而，当油存在水时，水并不总是能够与油完全结合并产生与这种溶解的水相关的红外吸收 共振。事实上，我们最常见的是 混合液体既像水也像油，这意味着他们不能很好地混合。幸运的是，在提高了流体搅动，温度和压力条件之后，水通常能够溶解或在油中达到饱和，饱和度意味着形成水-油化学键的油分子上的可用位点已经用完，饱和度水平可以在液压油为500ppm至在发动机油中为3000+ppm之间变化，一旦达到饱和，油中的水倾向于乳化并在油中形成小球。在水污染严重的情况下，水将以自由水的状态存在于设备的各个地方。水也可以由于油本身的结构而被分散成这些状态，其中油的添加剂可以用于防止油-水键形成，但在极端条件下或当油老化的时候，仍然会形成共振。 使用FIuidScan进行检测，当红外线穿过油液时，游离和乳化水会使光线发生散射。图3 显示了在耐水、合成液压油中存在乳化和自由水时的示例光谱。 散射的标志效应，不会使油-水混合物对红外光进行吸收，而是使红外吸收光谱呈现出宽且小幅的升高。红外光在所有方向上都发生散射，而不是直接透过油，红外光从系统中丢失，都会被记录为通过油的透射下降和吸收光的增加。因为油中的水本身是不均匀的，所以这种情况是不稳定的。例如乳化水，如果被搁置太久，它就可能会沉淀到容器的底部成为自由水。这将完全改变油中的散射量，使得定量测定乳化水或游离水变得困难。实际上，ASTM D6304标准Karl Fischer方法中500ppm样品的再现性上限为 700ppm，原因是由于油中的水缺乏稳定性。  图2 ：FIuidScan水测量结果与图1ASTM D6304 Karl Fischer滴定法结果对比 图3：油中乳化和游离水的红外特征：红外吸收增加，没有峰，红外光被散射 FIuidScan的嵌入式算法通过寻找吸收光谱的增加，警告用户水是否超过预设的临界值。如果超过临界值，屏幕上将显示“检测到显著的自由水”警报。因此，FIuidScan提供的是一个指示，在溶解状态达到饱和的时候向用户发出提醒，并给出溶解水的含量（PPM），而不是定量读取水量总数，因此不能与实验室卡尔费休滴定技术进行定量比较。虽然，检测结果警示用户润滑油中的水已经饱和，但是这个结果代表的并不是总水含量。 FIuidScan中红外光谱仪是一套非常出色的检测设备，它可以检测油液中不同形式的的水污染状态。当水与油相互作用时，水分子和油分子之间会产生特殊化学键，它可以产生强烈的中红外共振。这意味着结合的水-油分子优先吸收在特定振动频率的中红外能量。这种吸收是由于键振动的固有频率所引起的。想象一下，在集装箱内，由一个或多个弹簧与一个包裹相连所引起的震动，弹簧和包裹的结合体会产生显著的固有共振。同样的原则适用于化学键;入射的红外光在检测时向运输容器供应能量而不是震动。使用FIuidScan，我们关注的是在溶解的水和油之间产生的特别敏感的氧-氢键共振（0-H伸缩）。依据油的性质，这种共振发生在3200和3800cm -1之间，或者是波长2.63和3.125微米之间。在大多数矿物基础油中，该共振将在3400cm-1附近。图1展示了一个典型的多重机油的例子。如下图所示，随着油中溶解的水分越的增多，吸收的共振也随之增加。由于该过程是可重复的，并且由化学键的基本化学驱动，因此可以在吸收共振和油中存在的水的量之间建立精密相关。下图显示，FluidScan对水的测定值相比Karl Fischer标准实验室滴定值有着很好的相关性。 图1：机油中的溶解水吸收共振集中在3400cm-1附近