石油产品中元素检测方案(激光诱导击穿)

智能文字提取功能测试中

使用LIBS技术检测石油产品 摘要 在燃油储存、分配、使用以及在初始添加剂加入过程中，确保适当的燃料添加剂水平，对车辆的良好性能至关重要。燃料性能的实验室分析包括至少100个ASTM特定的测试方法。这些分析系统在石油基地和运输线路的实施可以在使用该产品之前鉴定燃油质量。然而，目前所采用的方法中没有一种用于检测溶解的微粒污染物。此外，目前的检测中没有一项会评估添加剂浓度，或根据需要监测这些浓度的变化。 应用光谱对使用LIBS对各种石油产品进行了检测，成功地证明了利用LIBS识别不同石油产品的能力。LIBS测试能够实时地进行检测，并且不需要耗材。当大量的石油产品使用LIBS方法检测并与原始数据库进行比较时，一个独特的“条形信号”可以帮助确定您感兴趣的物质和它们的浓度。 过程 建立了一个专用的LIBS系统，演示了在没有样品制备的情况下，对LIBS进行实时石油分析的几个概念验证。这项工作使用了一种宽波段中阶梯光谱仪，同时可以同时识别碳、氢、氧以及其他元素。Nd:YAG激光器的基本波长(1064 nm)用光学镜将激光束传送到样品中。激光诱导等离子体通过光纤在分光计/ICCD系统的入口狭缝中成像。 在石油产品中C、H、O是主要元素，它们的LIBS谱比为分析提供了不同的特征。由于普通的谱线和波段，LIBS的信号看起来很相似，很难用眼睛去区分。然而，这些LIBS光谱可以通过计算机分析来显示差异。 Note 注解 1.石油产品的LIBS光谱 对燃料添加剂进行了初步的LIBS检测试验，以检测燃料添加剂。从加油站和NIST标准的柴油燃料中加入了燃料添加剂，包括冰阻剂、润滑油改进剂和从土壤中提取的辛烷值。柴油燃料和添加剂的标准LIBS谱线如图1所示。C、O和H值的变化可用于识别燃料类型和添加剂的差别。图2为柴油和添加剂中C、O、H的相对强度。通过建立一个光谱库和优化不同的燃料添加剂的LIBS参数，LIBS将能够确定每种燃料添加剂在军用燃料中的浓度。 图1 柴油燃料和燃料添加剂的LIBS光谱 图2 柴油燃料和燃料添加剂中C、O、H的LIBS信号强度 2.利用LIBS检测石油产品中的杂质 LIBS在NIST(RM 8505)的原油样品中很容易地检测出了钒的存在。本样品中钒的浓度为390±10μg/g(390 ppm)。图3为原油中V的实测LIBS光谱谱图，所有的V离子线都能清楚地识别出来。检测极限(DL)可以确定为40ppm。即使是这些初步实验，我们也可以测量石油中ppm级金属杂质的含量。进一步优化系统将会带来更好的性能。 图3 NIST 8505原油中心波长的LIBS光谱 3.样品鉴定 采用偏最小二乘法(PLSD)算法对不同的石油和添加剂成分进行鉴别。该表表明我们初步验证了LIBS用于识别典型的添加剂。 数据库 测试样品 乙醇 柴油 润滑油添加剂 甲醇 车用机油 十六烷 乙醇 0.597647 0.005531 -0.09782 0.29348 -0.03297 0.234125 柴油 -0.07689 1.155526 0.042903 -0.07933 -0.01942 -0.0228 润滑油添加剂 -0.31801 0.072139 0.72058 0.291005 0.077979 0.156307 甲醇 0.30008 0.062214 0.085423 0.713371 0.00651 -0.1676 车用机油 0.162648 0.066277 0.009905 -0.2451 0.966647 0.039618 十六烷 0.228905 -0.15144 0.162901 -0.40867 0.093119 1.075182 表中的数字表示测试样本与训练集的相似度，值接近1表示匹配。酒精和甲醇具有非常相似的特征(图2)，但该算法能够识别差异。识别算法仍处于发展阶段，精度会进一步提高。 4.润滑剂的LIBS信号比较 用LIBS光谱检测了新的和用过的机油，并显示了组成主要种类的分子结构的差异。使用过的石油是2003年的一辆在换油之前行驶了5000英里汽车。图4显示了宽波段LIBS光谱谱图。能够发现废旧机油中常见金属残留物。Mg在新机油中存在，但在使用的机油中，元素与Mg的强射线比例明显不同。这些数据表明，在电力系统中，LIBS作为油样性能测试和金属磨损测定的工具拥有很高的潜能。 LIBS的测量也由4个不同的商业机油样品(Chevron,Shell, Valvoline和Mobil)组成，等级为10W-30。归一化(最强烈的CN强度)光谱如图5所示。如图所示，虽然CN和C2谱峰的强度相似，但元素峰值的差异是显著的。例如，只有美孚机油含有钠，而其他三种没有。雪佛龙(Chevron)的机油O、N和H生产了最强的峰值，但不含Mg。四种机油均含钙，胜牌（Valvoline）机油的Ca峰值是最强的(几乎是其他三个品牌的两倍)。使用相同的算法，可以很容易地识别出四种不同的机油(表2)。 图4 新油和用过的机油LIBS谱图(a) 宽波段 (b) 高分辨率 图5 不同机油的LIBS谱图 数据库 测试样品 雪弗龙（Chevron） 美孚 （Mobil） 壳牌 （Shell） 胜牌（Valvoline） 雪弗龙（Chevron） 0.910115 0.030373 0.060773 -0.001260 美孚（Mobil） 0.045872 1.098783 0.136103 -0.280757 壳牌（Shell） 0.277781 -0.035519 1.162941 -0.405203 胜牌（Valvoline） -0.088101 0.124879 0.007161 0.970383 表2. 每个机油样品与数据库的匹配系数 结论 在初步测试中，应用光谱证明了LIBS可以成功检测石油产品中含量为ppm级的污染物和燃料添加剂。燃料质量可以通过LIBS技术监测用以提高车辆性能。LIBS可用于存储设备和现场车辆。 图1 柴油燃料和燃料添加剂的LIBS光谱图2 柴油燃料和燃料添加剂中C、O、H的LIBS信号强度在初步测试中，应用光谱证明了LIBS可以成功检测石油产品中含量为ppm级的污染物和燃料添加剂。燃料质量可以通过LIBS技术监测用以提高车辆性能。LIBS可用于存储设备和现场车辆。