折光率測定尿素水溶液中尿素含量的方法研究

白亞昊，夏攀登，鄒惠玲，趙偉夢，連 露

(山東省產(chǎn)品質(zhì)量檢驗研究院，山東 濟南 250100)

尿素水溶液(又稱車用尿素、柴油發(fā)動機尾氣處理液)是用不含其他任何添加物的高純尿素和純水一起配制的高純度透明溶液，有淡淡的氨水氣味，該溶液中尿素含量目標(biāo)值為32.5%(質(zhì)量分?jǐn)?shù))。用于還原柴油發(fā)動機車輛燃燒后尾氣中的氮氧化合物，使其轉(zhuǎn)換成無害的水蒸汽和氮氣。能減少柴油車尾氣中90%的氮氧化物和80%的顆粒物，并且優(yōu)化發(fā)動機性能和燃料消耗，減少柴油消耗可高達(dá)6%，顯著降低成本。

目前，GB 29518-2013《柴油發(fā)動機氮氧化物還原劑 尿素水溶液(AUS 32)》[1]規(guī)定的尿素含量的測定方法為燃燒定氮法，該方法操作繁瑣，檢測時間較長，對儀器要求過高。通常測定尿素含量的方法還有蒸餾后滴定法[2]、對二甲氨基苯甲醛(PDAB)比色法[3]和H2SO4消化比色法[4]等，這3種方法是間接測定溶液中尿素含量的方法，無法直接測定且樣品前處理耗時費事。

折光率儀是基于光的全反射原理而制成的，由于光在兩種不同介質(zhì)中的傳播速度不同，所以當(dāng)光線從光密介質(zhì)進(jìn)入光疏介質(zhì)時，入射角小于折射角，當(dāng)改變?nèi)肷浣鞘瞧錇?0°時，稱之為全反射，通過測量入射角即可求出被測物質(zhì)的折光率。據(jù)文獻(xiàn)報道[5-14]，溫度恒定時，折光率與溶液中有機物質(zhì)的含量呈線性正相關(guān)。而尿素在常溫常壓下是穩(wěn)定的有機分子，所以尿素水溶液中的尿素含量與折光率呈正相關(guān)。本實驗建立了利用折光率測定尿素水溶液中尿素含量的方法，旨在為尿素水溶液的生產(chǎn)、應(yīng)用過程中質(zhì)量控制提供更簡便、準(zhǔn)確、快速的測定方法。

1 儀器與試藥

A670全自動折光儀(濟南海能儀器股份有限公司)；D100杜馬斯定氮儀(濟南海能儀器股份有限公司)；BSA224S電子天平(賽多利斯科學(xué)儀器有限公司)；尿素(天津市科密歐化學(xué)試劑有限公司)。

2 方法與結(jié)果

2.1 溶液的配制

在50 mL量瓶中按表1中比例加入尿素和GB/T 6682-2008[15]中規(guī)定的三級水，搖勻使尿素完全溶解。當(dāng)尿素含量超過50%時，尿素晶體開始從溶液中析出。

表1 溶液配制比例

2.2 尿素水溶液中尿素含量與折光率的相關(guān)性分析

對配制的尿素水溶液進(jìn)行折光率的測定，將折光率儀調(diào)節(jié)至20℃，用蒸餾水校正后開始測定樣品。每測定一次樣品溶液后使用清洗液(無水乙醇、乙醚或其混合液)清洗，并擦拭干凈，以免影響下次測定。每個溶液測定3次，取平均值，測定結(jié)果見表2。

表2 尿素水溶液折光率的測定結(jié)果

對測定結(jié)果采用Origin8.0軟件進(jìn)行擬合：

由圖1可以看出，20℃條件下，尿素水溶液的折光率隨尿素含量的增加而增大，且兩者間呈強相關(guān)性，相關(guān)性線性關(guān)系式為y=648.72x-864.55，相關(guān)系數(shù)r=0.99978?？梢娫?0℃條件下，通過測定折光率即可準(zhǔn)確的判斷尿素水溶液中尿素含量。

圖1 尿素含量與折光率的關(guān)系曲線

2.3 折光率測尿素含量的回收試驗

準(zhǔn)確稱量不同質(zhì)量的尿素(精確至0.0001 g)若干份，溶解后加水至100 g，在20℃下測定其折光率，根據(jù)上述線性關(guān)系式可計算出尿素含量，按照下式可計算該方法的回收率：

回收率=c/m×100%

式中：c為折光率測定的尿素含量(質(zhì)量分?jǐn)?shù))/%，m為稱量尿素的質(zhì)量(g)。

從表3可以看出，在曲線范圍內(nèi)測定配制的各種濃度的尿素水溶液的折光率計算尿素含量的回收率在99%～101%之間，相對誤差在0.3%以內(nèi)。當(dāng)尿素水溶液中尿素含量較高時，回收率更高，相對誤差更小。車用尿素水溶液的尿素含量在32.5%左右，因此利用折光率測定尿素水溶液中的尿素含量可以獲得滿意的回收率，有極高的可信度。

表3 折光率測定尿素含量與理論值的比較

2.4 折光率法與燃燒定氮法測定結(jié)果的比較

對尿素水溶液分別采用GB 29518-2013中規(guī)定的燃燒定氮法和折光率法測定其尿素含量，測定結(jié)果見表4。

表4 燃燒定氮法與折光率法測定尿素含量結(jié)果的比較

對兩種方法的測定結(jié)果進(jìn)行分析，折光率法與燃燒定氮法測定結(jié)果呈強線性正相關(guān)，相關(guān)系數(shù)r=0.99024，標(biāo)準(zhǔn)方差為0.04342，配對t檢驗(t=31.62>t0.01(9)=3.205)發(fā)現(xiàn)，P值大于0.01，說明折光率法與燃燒定氮法沒有統(tǒng)計學(xué)上的差異。由此可見，折光率法測尿素水溶液中尿素含量有極高的準(zhǔn)確度，可以代替燃燒定氮法用于尿素含量的測定。

3 結(jié)論

(1)在恒定20℃條件下，尿素水溶液中尿素的含量與其折光率呈強線性正相關(guān)，線性關(guān)系式為y=648.72x-864.55。

(2)尿素含量在0～50%時，利用折光率測定尿素含量與傳統(tǒng)的燃燒定氮法無統(tǒng)計學(xué)差異。

(3)折光率法所測尿素含量的結(jié)果準(zhǔn)確度高、回收率高、誤差小、操作簡便、不需要大型儀器設(shè)備和任何其他化學(xué)試劑，可用于尿素水溶液生產(chǎn)企業(yè)中尿素含量的質(zhì)量控制檢驗，也可作為檢測機構(gòu)測定尿素含量的快速檢測方法。