離子色譜法測定纖維素水解產(chǎn)物中5種酸的含量

姜麗燕，李繼文，王 川

（中國石化上海石油化工研究院，上海201208）

離子色譜法測定纖維素水解產(chǎn)物中5種酸的含量

姜麗燕，李繼文，王 川

（中國石化上海石油化工研究院，上海201208）

采用離子色譜法測定纖維素水解產(chǎn)物中乙酰丙酸、甲酸、乙酸、丙酸、硫酸等5種酸的含量。纖維素水解產(chǎn)物樣品稀釋后，以氫氧化鉀溶液為淋洗液，抑制型電導(dǎo)檢測器測定。5種酸在一定的質(zhì)量濃度范圍內(nèi)與其峰面積呈線性關(guān)系，方法的檢出限（3S／N）在0.001～0.008mg·L－1之間。方法用于纖維素水解產(chǎn)物樣品的分析，測定值的相對標(biāo)準(zhǔn)偏差（n＝5）在0.45%～4.8%之間。以空白樣品為基體進(jìn)行加標(biāo)回收試驗(yàn)，所得回收率在91.0%～109%之間。

離子色譜法；纖維素；水解產(chǎn)物；酸

不可再生的傳統(tǒng)化石能源（如石油、煤炭、天然氣等）日益枯竭，生物質(zhì)能作為一種相對清潔、豐富的可再生能源是目前比較理想的替代能源［1］。而生物質(zhì)纖維素通過化學(xué)或生化法轉(zhuǎn)化成燃料酒精、異丁醇、乙酰丙酸（LA）等液體燃料和化學(xué)品，正是生物質(zhì)能轉(zhuǎn)化利用的重要技術(shù)手段之一［2］。其中，LA可從生物基出發(fā)，加之反應(yīng)活性高和衍生物覆蓋面廣，因此有望成為一種新型綠色平臺化合物［3－4］，廣泛應(yīng)用于香料、溶劑、油品添加劑、醫(yī)藥和增塑劑等工業(yè)領(lǐng)域。目前LA的制備通常是將纖維素生物質(zhì)原料置于無機(jī)酸（如硫酸）的催化環(huán)境下，經(jīng)高溫水解直接生成，在水解過程中不可避免地會產(chǎn)生一些酸性副產(chǎn)物包括甲酸（FA）、乙酸（AA）、丙酸（PA）等。

為有效考察生物質(zhì)水解效率以及衡量無機(jī)酸催化劑的損耗，需要對水解產(chǎn)物中的酸進(jìn)行定量分析，而離子色譜法在定量有機(jī)酸或無機(jī)酸時(shí)均有高靈敏度和高準(zhǔn)確度［59］。如在文獻(xiàn)［8－9］中已有用離子色譜法測定葡萄糖或桉木水解產(chǎn)物中的LA、FA、AA，但在應(yīng)用文獻(xiàn)方法的過程中卻發(fā)現(xiàn)高濃度LA和低濃度AA（兩者質(zhì)量分?jǐn)?shù)比30∶1甚至150∶1）在IonPac AS11柱上共流出，另外文獻(xiàn)方法尚未涉及PA與硫酸溶液的分離、定量。本工作建立了定量分析纖維素水解產(chǎn)物中5種酸含量的離子色譜法。

1 試驗(yàn)部分

1.1 儀器與試劑

Dionex ICS－2100型離子色譜儀，配電導(dǎo)檢測器、柱溫箱、RFC 30型淋洗液自動發(fā)生器、AERS 500（4mm）型陰離子自身抑制器和色譜工作站；Millipore Milli－Q ELIX－Advantage A 10型超純水儀。

LA、FA、AA、PA、硫酸混合標(biāo)準(zhǔn)儲備溶液：稱取乙酰丙酸1.006 0g、甲酸銨0.704 0g、乙酸銨0.039 7g、硫酸鈉1.457 0g溶解于水中，混合均勻后定容至1L。

丙酸標(biāo)準(zhǔn)儲備溶液：稱取丙酸銨0.820 0g溶解于水中，定容至1L。

乙酰丙酸、甲酸銨、乙酸銨、丙酸銨、硫酸鈉均為分析純，試驗(yàn)用水為超純水。

1.2 儀器工作條件

1）LA－、FA－、AA－、SO42－分離體系 IonPac AS19陰離子分析柱（4 mm×250 mm），IonPac AG19陰離子保護(hù)柱（4mm×50mm）；柱溫30℃，檢測器溫度35℃；抑制器電流75mA；流量1mL· min－1；進(jìn)樣量100μL；淋洗液為氫氧化鉀溶液，梯度淋洗，淋洗程序見表1。

2）PA－分離體系 IonPac AS11陰離子分析柱（4mm×250mm），IonPac AG11陰離子保護(hù)柱（4mm×50mm）；柱溫30℃，檢測器溫度35℃；抑制器電流99 mA；流量1 mL·min－1；進(jìn)樣量100μL；淋洗液為氫氧化鉀溶液，梯度淋洗，淋洗程序見表1。

表1 梯度淋洗程序Tab.1 Program of gradient elution

1.3 試驗(yàn)方法

將纖維素水解溶液用適量的水稀釋，備用。

按儀器工條件測定稀釋后的纖維素水解產(chǎn)物樣品和混合標(biāo)準(zhǔn)溶液系列，將各組分峰面積代入標(biāo)準(zhǔn)曲線計(jì)算得各組分稀釋后的質(zhì)量濃度再乘以稀釋倍數(shù)，換算后即可得纖維素水解溶液中各組分的質(zhì)量濃度。

2 結(jié)果與討論

2.1 色譜柱的選擇

纖維素水解產(chǎn)物中存在多種酸性化合物，包括目標(biāo)產(chǎn)物乙酰丙酸，另有副產(chǎn)物甲酸、乙酸、丙酸等，以及無機(jī)酸催化劑（如硫酸）。鑒于這些酸性化合物在水溶液中以離子形式存在，因此可以采用高靈敏度的離子色譜法分析其中的含量。

在儀器工作條件下，以有機(jī)酸分析柱IonPac AS11分離纖維素水解產(chǎn)物。PA－＋AA－＋LA－＋SO42－混合標(biāo)準(zhǔn)溶液、LA－＋FA－＋SO42－混合標(biāo)準(zhǔn)溶液、纖維素水解實(shí)際樣品的離子色譜圖見圖1。

圖1 IonPac AS11柱分離纖維素水解產(chǎn)物的離子色譜圖Fig.1 Ion chromatograms of the hydrolysis products of cellulose separated by IonPac AS11column

纖維素水解產(chǎn)物中較難檢測到PA－，而LA－、FA－、AA－、S優(yōu)化分離條件后可以一次性給出定量結(jié)果。篩選了一系列色譜柱及流動相等條件，IonPac AS19陰離子交換柱上PA－與AA－共流出，LA－、FA－、AA－、S可以得到良好的分離。在儀器工作條件下，AS19柱只能分離LA－、AA－、FA－及，見圖2。即使是LA－、AA－的質(zhì)量比為150∶1時(shí)，LA－與AA－也能有較好的分離效果，見圖2。

圖2 LA－、FA－、AA－、PA－、SO42－的離子色譜圖比較Fig.2 Comparison of chromatograms of LA－、FA－、AA－、PA－、SO42－

試驗(yàn)選擇以IonPac AS19柱分離LA－、FA－、AA－、SO42－；以IonPac AS11柱分離PA－、FA－、SO42－。

2.2 標(biāo)準(zhǔn)曲線和檢出限

按儀器工作條件對混合標(biāo)準(zhǔn)溶液系列進(jìn)行測定，以各組分的質(zhì)量濃度為橫坐標(biāo)，對應(yīng)的峰面積為縱坐標(biāo)繪制標(biāo)準(zhǔn)曲線，各組分的線性范圍、線性回歸方程和相關(guān)系數(shù)見表2。

按3倍信噪比計(jì)算各組分的檢出限（3S／N），其結(jié)果見表2。

2.3 方法的精密度和回收試驗(yàn)

按試驗(yàn)方法將稀釋后的纖維素水解液樣品重復(fù)測定5次，其結(jié)果見表3，其中“－”表示未檢出。

表2 線性范圍、線性回歸方程、相關(guān)系數(shù)和檢出限Tab.2 Linearity ranges，linear regression equations，correlation coefficients and detection limits

表3 精密度試驗(yàn)結(jié)果（n＝5）Tab.3 Results of test for precision（n＝5）

在空白基質(zhì)中進(jìn)行低、中、高等3個(gè)濃度水平回收試驗(yàn)，其結(jié)果見表4。

表4 回收試驗(yàn)結(jié)果Tab.4 Results of test for recovery

2.4 樣品分析

按試驗(yàn)方法對稀釋后的纖維素水解樣品進(jìn)行測定，樣品分析結(jié)果見表5。樣品中均未檢出PA－。

本工作采用離子色譜法測定纖維素水解產(chǎn)物中乙酰丙酸、甲酸、乙酸、丙酸、硫酸的含量。方法精密度好，定量結(jié)果準(zhǔn)確可靠，特別適宜微量甚至痕量乙酰丙酸、甲酸、乙酸、丙酸、硫酸的分析。

表5 樣品分析結(jié)果Tab.5 Analytical results of the samples%

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IC Determination of 5Acids in Hydrolysis Products of Cellulose

JIANG Liyan，LI Jiwen，WANG Chuan
（Sinopec Shanghai Research Institute of Petrochemical Technology，Shanghai 201208，China）

IC was applied to the determination of 5acids，i.e.levulinic acid，formic acid，acetic acid，propanoic acid and H2SO4in hydrolysis products of cellulose.The sample of hydrolysis products of cellulose was diluted.Potassium hydroxide solution was used as eluant，and restraining conductance detector was used in determination.Linear relationships between values of peak area and mass concentration of the 5acids were kept in definite ranges.Detection limits（3S／N）found were ranged from 0.001to 0.008mg·L－1.The proposed method was applied to the analysis of the sample of hydrolysis products of cellulose，giving values of RSD′s（n＝5）in the range of 0.45%－4.8%.On the base of blank sample，test for recovery was made by standard addition method；values of recovery found were in the range of 91.0%－109%.

IC；cellulose；hydrolysis product；acid

O657.7

A

1001－4020（2017）05－0603－04

10.11973／lhjy－h(huán)x201705026

2016－06－20

姜麗燕（1984－），女，浙江蘭溪人，博士研究生，主要從事石油化工領(lǐng)域的分析技術(shù)開發(fā)，jiangly.sshy＠sinopec.com