中紅外光譜法測定車用尿素含量

＊譚良鋒 鄒國雁 黃俊源

（廣東省茂名市質(zhì)量計量監(jiān)督檢測所 廣東 525000）

1.引言

機動車排放的治理成為日益緊迫的任務(wù)[1]。車用尿素是柴油車SCR系統(tǒng)的尾氣凈化液，是柴油車達到國四排放標準的必備產(chǎn)品，車用尿素溶液的規(guī)范使用對于柴油車尾氣排放控制具有深刻影響[2]。重型卡車、客車等柴油車要達到國四排放標準，在尾氣處理上就要選用適合的SCR系統(tǒng)，而這項系統(tǒng)就是利用尿素溶液對尾氣中的氮氧化物進行處理。車用尿素溶液中的尿素濃度對SCR系統(tǒng)的NOx轉(zhuǎn)化率有直接影響[3]。

車用尿素術(shù)語是柴油發(fā)動機氮氧化物還原劑 尿素水溶液（AUS32），在我國執(zhí)行GB 29518-2013[4]。標準規(guī)定尿素含量（質(zhì)量分數(shù)，%）為31.8～33.2。國標附錄A規(guī)定了尿素含量的測定方法。該方法通過將樣品燃燒，使樣品的氮全部轉(zhuǎn)化為氮氧化物，去除干擾成分后，氮氧化物被定量還原成分子氮，再通過熱導(dǎo)檢測器來定量，同時需扣除縮二脲中的氮計算出結(jié)果。呂飛建立杜馬斯燃燒法檢測進出口尿素中氮的含量[5]。該測試方法對儀器靈敏度要求高，儀器開機升溫需要2～3h才能達到恒定溫度，同時需要經(jīng)常維護灰化管，還原管，成本較高。應(yīng)強先[6]通過對車用尿素產(chǎn)品中尿素含量測定方法進行研究和系列實驗.建立了新的車用尿素中尿素含量的測定方法（甲醛法）[6]。該測試方法步驟相對復(fù)雜，操作不方便。

本文利用中紅外光譜法進行識別并建立校正模型，從而可以快速對車用尿素的含量進行分析。

2.實驗部分

(1)儀器與試劑

傅立葉變換紅外光譜儀，iS10，美國賽默-飛世爾；

電子分析天平，BSA224S，德國賽多利斯；

杜馬斯燃燒法定氮儀，D100，濟南海能；

尿素標準品，純度99.99%；

超純水。

(2)標準溶液標準

采用超純水和尿素標準品，配制尿素含量25%、30%、35%、40%的標準溶液。

(3)紅外光譜條件及譜圖采集

以空氣為背景，掃描次數(shù)32次，分辨率2，最終格式“吸光度”，衰減全反射（ATR）附件，使用分析軟件TQ Analyst進行光譜數(shù)據(jù)的出來。

3.結(jié)果與討論

(1)尿素水溶液特征峰識別

尿素CO(NH2)2水溶液紅外光譜如圖1所示，由圖1中可以看出水的吸收峰在3600cm-1～3100cm-1，覆蓋了伯胺基（-NH2）在3500cm-1～3350cm-1反對稱伸縮振動的吸收峰和3400cm-1～3250cm-1對稱伸縮振動的吸收峰；1630cm-1～1690cm-1酰胺（-CO-N）吸收峰；1460cm-1是C-N伸展振動吸收；1157cm-1是NH2的平面搖擺振動。隨著濃度的逐漸增大，1460cm-1和1157cm-1兩處紅外譜圖的吸光度也逐漸增大，因此我們可以通過對1460cm-1和1157cm-1兩處紅外譜圖出峰位置進行識別，從而達到定量的目的。

圖1 尿素CO(NH2)2水溶液紅外光譜圖Fig.1 IR Spectrum of urea CO(NH2)2 aqueous solution

(2)校正模型的建立

采用超純水和尿素標準品，配制尿素含量（質(zhì)量分數(shù)）為25%、30%、35%、40%的工作曲線進行紅外光譜分析。使用傅立葉變換紅外光譜儀進行光譜數(shù)據(jù)的采集，利用配套的數(shù)據(jù)處理軟件TQ Analyst對采集好的數(shù)據(jù)分析處理。在1460cm-1和1157cm-1分別以尿素含量（質(zhì)量分數(shù)）與對應(yīng)的吸收峰強度，根據(jù)Lambert-Beer定律建立校正模型實現(xiàn)定量。采用相關(guān)系數(shù)（Corr.coeff）來檢驗?zāi)蛩囟糠治瞿Ｐ偷暮脡?，理想的校正模型相關(guān)系數(shù)是1，因此相關(guān)系數(shù)是越接近1說明校正模型的定量結(jié)果就越準確。本方法在1460cm-1和1157cm-1兩個波段附近建立的校正模型，其相關(guān)系數(shù)（Corr.coeff）分別為0.9997和0.9997，表明該定量模型在進行尿素含量（質(zhì)量分數(shù)）時準確性很好。在1460cm-1和1157cm-1波數(shù)的線性校正結(jié)果見圖2。

圖2 在1460cm-1和1157cm-1波數(shù)的線性校正結(jié)果Fig.2 Linear correction results at wave numbers 1460cm-1 and 1157cm-1

(3)精密度分析

為驗證方法的精密度，選用四個含量樣品在不同濃度進行測試，平行測定7次，重復(fù)性試驗結(jié)果見表1，由表1可見，尿素在25%(m/m)～40%(m/m)范圍內(nèi)，在1460cm-1和1157cm-1波數(shù)的相對標準偏差（RSD）在0.38%～0.76%之間，表明該方法的重復(fù)性好，能達到日常分析的要求。

Tab.1 Precision verification單位：%表1 精密度驗證

(4)實際尿素樣品測試

Tab.2 Comparison of infrared method And dumas method表2 紅外法和杜馬斯法測定結(jié)果比較

在市面上購買了20個尿素水溶液，同時進行紅外光譜分析和按GB 29518-2013附錄A的杜馬斯法的進行檢測，結(jié)果如表2所示，20個樣品中紅外法和杜馬斯法測定結(jié)果相差大的是0.704%，小于GB 29518-2013附錄A中規(guī)定的再現(xiàn)性1.0%的要求，因此紅外法測定結(jié)果準確度能滿足日常分析要求。

4.結(jié)論

利用紅外光譜法的原理，建立了尿素含量的分析方法，尿素含量的定量相對標準偏差（RSD）在0.38%～0.76%之間，與杜馬斯法測定結(jié)果相差最大的是0.704%，小于GB 29518-2013附錄A中規(guī)定的再現(xiàn)性1.0%的要求，證明本方法具有良好的精密度和準確性。