Determination of Free and Total Glycerol in Biodiesel Samples by HPAE-PAD Chromatography

Význam tématu

Biodiesel představuje stále významnější alternativu k fosilním palivům díky nižším emisím CO a CO₂ a obnovitelnosti surovin. Vedle ethanolových směsí se biodiesel rozvíjí především v dopravě, kde se používá ve formě B2 až B20. Jedním z hlavních nežádoucích vedlejších produktů při výrobě je glycerol, který ve formě volné i vázané může negativně ovlivňovat kvalitu paliva, způsobovat usazování, zanášení filtrů a zhoršení chování motoru, zejména při nízkých teplotách.

Cíle a přehled studie

Cílem studie bylo vyvinout a ověřit robustní, citlivou a selektivní metodu pro stanovení volného a celkového glycerolu v biodieselových vzorcích pomocí vysokotlaké aniontové výměnné chromatografie s pulzní amperometrickou detekcí (HPAE-PAD). Metoda nevyžaduje derivatizaci vzorků a dokáže měřit koncentrace v řádu µg/kg až mg/kg s dostatečnou přesností a opakovatelností v souladu s limity ASTM D6751 (<0,02 wt % volného a <0,24 wt % celkového glycerolu).

Použitá instrumentace

• Ion chromatografický systém Thermo Scientific Dionex ICS-3000 (DP/SP pumpa, AS autosampler, DC modul, ED detektor)
• Dionex CarboPac MA1 kolony: ochranná 4×50 mm a analytická 4×250 mm
• Elektrochemická celka s Au prací elektrodou a Ag/AgCl referenční elektrodou
• Refluxní destilační aparatura pro přípravu vzorků k stanovení celkového glycerolu
• Software Chromeleon pro řízení a vyhodnocování dat

Použitá metodika

• Eluční fáze: 100 mM NaOH (20 % eluenta B), průtok 0,4 mL/min, teplota kolony 30 °C
• Injekční objem vzorku: 5 µL (nastavený 5 µL PEEK vzorkový loop)
• Detekce: pulzní amperometrie se čtyřpotenciálovým uhlovodíkovým waveformem na Au elektrodě
• Příprava vzorku pro volný glycerol: extrakce 5 g vzorku vodou, 5 min míchání, filtr 0,2 µm
• Příprava vzorku pro celkový glycerol: zásaditá hydrolýza 2,5 g vzorku 1 M KOH, 1 h reflux, oddělení vodné fáze, filtr 0,2 µm, 1:100 ředění
• Korekce zaředění a výpočet obsahu wt % glycerolu podle kalibrace referenčními standardy v rozsahu 0,05–10 mg/kg (r²>0,9998)

Hlavní výsledky a diskuse

• Chromatogram 1 mg/kg glycerolu vykazoval symetrický špičkový tvar (As=1,03) a retenci ~10,9 min s dostatečným rozlišením od vedlejších látek.
• LOQ a LOD byly stanoveny na 2,4 µg/kg a 0,5 µg/kg (S/N 10:1 a 3:1).
• Opakovatelnost retence i plochy špičky prodevzorky i kalibrační standardy byla <1 % RSD pro retenci a <6 % RSD pro plochu.
• Lineární rozsah kalibrace pokrývá čtyři řády s koeficientem determinace 0,9998.
• Stanovení volného glycerolu v deseti skutečných biodieselových vzorcích B0–B100 přineslo hodnoty 0,021–12,0 mg/kg (0,00–0,01 wt %).
• Celkový glycerol se pohyboval v rozsahu 0,064–200 mg/kg (0,00–0,20 wt %), včetně vzorků směsí B6–B20.
• Spikená recoveries pro volný glycerol 93,9–104,4 % a pro celkový glycerol 92,1–100,0 % potvrzují správnost metody.

Přínosy a praktické využití metody

Metoda HPAE-PAD nabízí:

• Odstranění potřeby derivatizace glycerolu, čímž se zjednodušuje a zkracuje příprava vzorku.
• Vysokou citlivost na úrovni µg/kg pro splnění přísných regulačních požadavků ASTM D6751.
• Široký lineární rozsah pokrývající i koncentrační úrovně běžné v komerčních vzorcích.
• Robustnost díky použití odolné CarboPac MA1 kolony s dlouhodobou stabilitou selektivity.

Budoucí trendy a možnosti využití

• Implementace online přípravy vzorku pro automatizovaná pracoviště a vyšší propustnost analýz.
• Rozšíření metody na další glykoly a polyoly v biopalivech pomocí modifikovaných waveformů a kolonn.
• Integrace s hyphenovanými technikami (např. HPAE-PAD–MS) pro zlepšení selektivity a identifikace nežádoucích vedlejších produktů.
• Využití v rámci regulovaných laboratoří pro rychlý screening kvality biodieselů a zajištění souladů s legislativou.

Závěr

Vyvinutá HPAE-PAD metoda pro stanovení volného i celkového glycerolu v biodieselových vzorcích splňuje požadavky ASTM D6751 na citlivost, linearitu a přesnost. Eliminace derivatizace, robustní kolony CarboPac MA1 a spolehlivá pulzní amperometrická detekce poskytují analytikům efektivní nástroj pro rutinní kontrolu kvality biodieselů a jejich směsí. Přesnost, opakovatelnost i rozsah metody předurčují její rychlé zavedení v průmyslových i výzkumných laboratořích.

Reference

1. International Panel for Sustainable Resource Management, UNEP, "Towards Sustainable Production and Use of Resources: Assessing Biofuels", Paris 2009.
2. Evans G., "Liquid Transport Biofuels–Technology Status Report", The National Non-Food Crops Centre, York 2007.
3. Meher L.C., Sagar D.V., Naik S.N., "Technical Aspects of Biodiesel Production by Transesterification—a Review", Renewable Sustainable Energy Reviews 10 (2006) 248–268.
4. Ma F., Hanna M.A., "Biodiesel Production: a Review", Bioresource Technology 70 (1999) 1–15.
5. McCormick R.L., Westbrook S.R., "Biodiesel and Biodiesel Blends", ASTM Standardization News, April 2007.
6. ASTM International, "ASTM D6751, Specification for Biodiesel Fuel Blend Stock (B100)", West Conshohocken PA 2008.
7. Rocklin R.D., Clarke A.P., Weitzhandler M., "Improved Long-Term Reproducibility for Pulsed Amperometric Detection of Carbohydrates via a New Quadruple-Potential Waveform", Anal. Chem. 70 (1998) 1496–1501.
8. Hanko V., Rohrer J., "Determination of Carbohydrates, Sugar Alcohols, and Glycols in Cell Cultures and Fermentation Broths using HPAE-PAD", Anal. Biochem. 283 (2000) 192–199.
9. Dionex Corporation, "Optimal Settings for PAD of Carbohydrates using the Dionex ED40 Detector", Tech. Note 21 (1998).
10. Dionex Corporation, "Eluent Preparation for HPAE-PAD", Tech. Note 71 (2009).
11. Dionex Corporation, "Determination of Glycols and Alcohols in Fermentation Broths by Ion-Exclusion Chromatography and PAD", Application Note 188 (2008).
12. Dionex Corporation, "Analysis of Carbohydrates by HPAE-PAD", Tech. Note 20 (2000).
13. Dionex Corporation, "Product Manual for CarboPac MA1, PA1, PA10, PA100 Columns", Doc. 031824 (2009).
14. Dionex Corporation, "Product Manual for Disposable Gold, Silver, Platinum and Carbon Electrodes", Doc. 065040 (2009).