柴油車尾氣處理液中尿素與縮二脲含量的測定

楊照生，耿曉紅，戴麗明，羅 強，鄭彥寧，蔡立鵬，李 濤，張京京

（河北省產(chǎn)品質(zhì)量監(jiān)督檢驗研究院，河北 石家莊 050227）

0 引 言

環(huán)境污染已成為當今的熱門話題，柴油車尾氣排放已成為我國空氣污染的重要來源。研究表明，重型柴油車尾氣中的NOx 等主要成分危害人體健康，污染大氣，破壞自然環(huán)境。

為了滿足環(huán)保發(fā)展的要求，我國柴油車采用SCR 技術(shù)對車輛排放的尾氣進行處理，主要通過添加柴油車尾氣處理液與汽車尾氣中的NOX發(fā)生反應(yīng)，生成無污染的N2和H2O，從而達到環(huán)保排放要求，因此，柴油車尾氣處理液的質(zhì)量安全尤為重要。

尿素含量過高，會使剩余尿素在高溫條件下水解產(chǎn)生NH3和CO2，對SCR 系統(tǒng)造成二次污染；而尿素含量過低，會降低對尾氣中NOx 的還原效率，導(dǎo)致仍有部分NOx 未被還原而直接排入大氣。研究表明，當尿素含量為32.5%時，產(chǎn)品的結(jié)晶點最低，尿素含量偏高或偏低，均會提升產(chǎn)品的結(jié)晶點，導(dǎo)致堵塞尿素輸液管、噴嘴、堵塞排氣管，甚至損害發(fā)動機。

另外，由于柴油車尾氣處理液在SCR 系統(tǒng)中反應(yīng)時，會直接與催化劑相接觸，其中的微量縮二脲會進一步縮聚生成熔點＞300 ℃的三聚氰酸而附著在催化劑上，進而降低催化劑對NOx 的轉(zhuǎn)化效率。

國家標準嚴格規(guī)定了柴油車尾氣處理液中尿素和縮二脲含量的測定方法。尿素含量的測定方法為高溫燃燒定氮法，在高溫燃燒條件下，將樣品中的氮全部轉(zhuǎn)化為NOx，采用熱導(dǎo)檢測器進行檢測，但該方法附錄Ad 明確標明計算時未從氮中扣除氨，存在檢測結(jié)果有未扣除氨的風險。

縮二脲含量的測定方法為分光光度法，該方法中附錄C.5.1 明確表明只在氨含量≤500 mg/kg 的條件下適用，若氨含量＞500 mg/kg，則應(yīng)通過蒸餾方法去除氨。尿素的高溫燃燒定氮法和縮二脲的分光光度法均存在操作繁瑣、前處理耗時費事、檢測周期長等缺點。

高效液相色譜法是以液體為流動相，通過高壓輸液系統(tǒng)，把不同極性的單一溶劑或不同比例的混合溶劑、緩沖液等流動相泵入裝有固定相的色譜柱中，在柱內(nèi)的各成分被分離后，再進入檢測器進行檢測，從而實現(xiàn)對試樣的分析。高效液相色譜法具有較高的靈敏度與準確度，具有操作簡單、快速、重現(xiàn)性好等優(yōu)點，是柴油車尾氣處理液中尿素和縮二脲含量檢測的一種理想的分析方法。

1 實驗部分

1.1 主要儀器與裝置

（1） 高效液相色譜儀：UltiMate3000 型（DAD 二極管陣列檢測器，Chromeleon7.1 色譜工作站），美國Thermo Fisher Scientific 生產(chǎn)。

（2） C18 型色譜柱：4.6 mm×250 mm，5μm，美國Waters 公司生產(chǎn)。

（3） 超純水器：UPT-I-10T 型優(yōu)普系列，四川優(yōu)普超純科技有限公司生產(chǎn)。

（4） 電子天平：AL104 型，梅特勒- 托利多儀器（上海） 有限公司生產(chǎn)。

（5） 超聲波清洗器：KQ5200B 型，昆山市超聲儀器有限公司生產(chǎn)。

（6） 一次性注射器：5.0 mL。

（7） 有機系濾膜：0.45 um。

1.2 主要試劑

（1） 柴油車尾氣處理液樣品：購于當?shù)丶佑驼尽?/p>

（2） 縮二脲標準品：純度為98.5%，購于壇墨質(zhì)檢科技股份有限公司。

（3） 尿素標準品：純度為99.3%，購于天津阿爾塔科技有限公司。

（4） 甲醇：色譜純，購于韓國德山藥品工業(yè)（株）。

（5） 磷酸二氫鉀：優(yōu)級純，購于天津市科密歐化學試劑有限公司。

（6） 實驗室用水：超純水。

1.3 色譜條件

（1） 流動相：A- 甲醇，B- 0.074 mol/L 磷酸二氫鉀溶液，pH=6.0。

（2） 流速：1.0 mL/min。

（3） 柱溫：30 ℃。

（4） 檢測波長：197 nm。

（5） 進樣量：10 μL。等度洗脫條件見表1。

表1 等度洗脫條件Table 1 Equilibrium elution conditions

1.4 樣品處理

（1） 精密稱量1.0 g（精確至0.000 01 g） 柴油車尾氣處理液樣品于100 mL 容量瓶中，用流動相稀釋至刻度，搖勻。

（2） 分取10 mL 試液于100 mL 容量瓶中，用流動相稀釋至刻度，搖勻。

（3） 過0.45 μm 濾膜，棄去初濾液，收集流出液，待測。

1.5 樣品檢測方法原理

在1.3 色譜條件下，對照標準溶液與柴油車尾氣處理液中色譜峰的保留時間進行定性分析。在1.3 色譜條件下，用外標法進行定量分析，求出尿素和縮二脲濃度分別與相應(yīng)峰面積的校準曲線，根據(jù)校準曲線及樣品質(zhì)量即可求出柴油車尾氣處理液樣品中尿素和縮二脲的含量。

柴油車尾氣處理液中尿素、縮二脲含量X 均按式（1） 計算：

式中：X 為柴油車尾氣處理液中尿素和縮二脲的含量，%；c 為從標準工作曲線查出的試樣溶液中尿素和縮二脲的濃度，mg/mL；V 為試樣最終的定容體積，100 mL；m 為試樣的質(zhì)量，g。計算結(jié)果保留至小數(shù)點后兩位。

2 結(jié)果與討論

2.1 色譜條件優(yōu)化

2.1.1 DAD 檢測波長優(yōu)化

尿素和縮二脲在紫外光譜區(qū)有較強的吸收，使用DAD 檢測器在190～400 nm 光譜范圍內(nèi)分別對尿素和縮二脲標準溶液進行全掃描分析。尿素全波長光譜圖如圖1 所示。

圖1 尿素全波長光譜Fig.1 Full wavelength spectrum of urea

縮二脲全波長光譜圖如圖2 所示。

圖2 縮二脲全波長光譜Fig.2 Full wavelength spectrum of biuret

由圖3 可以看出，兩種物質(zhì)在197 nm 處的信噪比最高，最終選定197 nm 作為尿素和縮二脲的檢測波長。

圖3 不同波長下尿素和縮二脲的信噪比Fig.3 Signal to noise ratio of urea and biuret at different wavelengths

2.1.2 流動相優(yōu)化

通過改變流動相中水相（0.074 mol/L 磷酸二氫鉀水溶液） 和有機相（甲醇） 的比例，研究不同比例的流動相中尿素和縮二脲的保留時間、分離度及峰寬，確定最佳的流動相比例。

當流動相中甲醇:磷酸二氫鉀溶液（0.074 mol/L） 的比例由5:95 向25:75 逐漸變化時，不同流動相下的實驗結(jié)果如圖4 所示。

圖4 不同流動相下的色譜圖Fig.4 Chromatogram at different mobile phases

由圖4 可以看出，在流動相中，當甲醇:磷酸二氫鉀（0.074 mol/L） =5:95 時，尿素和縮二脲可以得到有效的分離，色譜圖的峰型與基線最好。因此，流動相比例選擇甲醇∶磷酸二氫鉀水溶液=5∶95。

2.1.3 流速優(yōu)化

使用C18 色譜柱，以比例甲醇:磷酸二氫鉀水溶液（0.074 mol/L） =5:95 為最佳的流動相，研究流速對尿素和縮二脲的影響，實驗結(jié)果見圖5。

圖5 不同流速下的色譜圖Fig.5 Chromatogram at different flowrates

由圖5 可以看出：

（1） 當流速越高時，尿素和縮二脲的分離度越低，出峰時間不斷提前，峰寬不斷減小。

（2） 當流速越低時，尿素和縮二脲的分離度越高，出峰時間不斷靠后，峰寬不斷增大。

（3） 在流速為1.0 mL/min 時，分離度較高，峰寬較小，出峰時間適中。

因此，選用1.0 mL/min 為最佳流速。

2.1.4 柱溫優(yōu)化

使用C18 色譜柱，以甲醇:磷酸二氫鉀水溶液（0.074 mol/L） =5:95 為最佳流動相，流速為1.0 mL/min 時，研究柱溫對尿素和縮二脲的影響?？紤]色譜柱的使用溫度，以25 ℃為最低溫度，逐步提高柱溫，40 ℃為最高溫度，實驗結(jié)果見圖6。

圖6 不同柱溫下的色譜圖Fig.6 Chromatogram at different column temperatures

由圖6 中的測定結(jié)果可知，柱溫對出峰時間和峰面積影響較小，當柱溫在30 ℃時，色譜峰的峰型比較好，峰寬較小。所以，選擇30 ℃為最佳柱溫。

2.1.5 最優(yōu)色譜條件

由以上實驗結(jié)果確定最優(yōu)色譜條件：流動相為甲醇:磷酸二氫鉀溶液（0.074 mol/L） =5:95；流速為1.0 mL/min；檢測波長為197 nm；柱溫為30 ℃；進樣量為10 μL。

尿素和縮二脲標準溶液的實驗結(jié)果如圖7所示。

圖7 尿素和縮二脲標準溶液的色譜圖Fig.7 Chromatogram of urea and biuret standard solutions

2.2 標準曲線與線性范圍

分別采用流動相配制尿素和縮二脲的混合標準溶液，其中尿素濃度為0.00、0.10、0.20、0.40、0.60、0.80、0.90 mg/mL；縮二脲濃度為0.00、0.01、0.02、0.04、0.06、0.08、0.10 mg/mL。按照1.3 的色譜條件進樣，分別以濃度和峰面積為橫、縱坐標繪制標準曲線，并計算線性回歸方程和相關(guān)系數(shù)，結(jié)果見表2。

表2 尿素與縮二脲的線性范圍、回歸方程、檢出限（S/N=3）、定量限（S/N=10）Table.2 Linear ranges,regression equations,detection limit(S/N=3)and quantification limit(S/N=10)of urea and biuret

由表2 可以看出，尿素和縮二脲的線性關(guān)系良好，相關(guān)系數(shù)R2分別為0.999 4、0.999 6。

2.3 檢出限

配制尿素濃度為0.1 mg/mL 與縮二脲濃度為0.01 mg/mL 的混合標準溶液，重復(fù)進樣進行峰高的測定。對標準溶液進行逐級稀釋，以信噪比S/N=3時的溶液濃度為檢出限，以信噪比S/N=10 時的溶液濃度為定量限，結(jié)果見表2。

實驗結(jié)果表明，尿素與縮二脲的檢出限分別為0.003 5 mg/mL 和0.000 2 mg/mL，定量限分別為0.010 2 mg/mL 和0.000 6 mg/mL。

2.4 精密度

準確稱取6 份柴油車尾氣處理液樣品，按1.4樣品處理方法進行操作，在優(yōu)化的色譜條件下進樣分析測試，計算樣品中尿素和縮二脲含量的相對標準偏差，結(jié)果見表3。

表3 重復(fù)性測定結(jié)果（n=6）Table 3 Repeatability test results(n=6)

由表3 可以看出，相對標準偏差RSD 介于0.4%～2.6%，表明該方法精密度良好。

2.5 加標回收率

將24 份柴油車尾氣處理液樣品平均分成4 組，每組6 個平行樣。其中，1 組為本底測定，另外3組按低、中、高3 個濃度水平加入混合標準品溶液，按方法要求操作并測定，分別計算尿素與縮二脲的回收率，測定結(jié)果見表4。

由表4 可知，尿素和縮二脲的回收率良好，范圍在100.1%～110.4%之間，具有較高的準確度。

2.6 市售樣品檢測

為了驗證方法的適用性，本次實驗選取市售24 份柴油車尾氣處理液樣品，采用建立的方法對尿素和縮二脲的含量進行測定，實驗結(jié)果見表5。

表5 市售柴油車尾氣處理液樣品中尿素和縮二脲的測定結(jié)果Table 5 Determination results of urea and biuret in exhaust gas treatment fluid samples of commercial diesel vehicles

由表5 可以看出，本次實驗收集的柴油車尾氣處理液樣品，由于各生產(chǎn)廠家采用工藝、原料組合和添加劑的不同，最終產(chǎn)出的柴油車尾氣處理液所含的尿素與縮二脲的含量也各不同。

3 結(jié) 語

建立了高效液相色譜法，同時測定柴油車尾氣處理液中尿素和縮二脲的含量，并對樣品的前處理及色譜條件進行了考察和優(yōu)化，適用于柴油車尾氣處理液中尿素和縮二脲的定量檢測。結(jié)果表明，尿素與縮二脲在本方法條件下能夠完全分離，線性關(guān)系良好，精密度RSD 為0.4%～1.4%，回收率為100.1%～110.4%。

本研究優(yōu)化了柴油車尾氣處理液中尿素和縮二脲含量的檢測方法，該方法具有操作簡便、靈敏度高、分離度好的特點，可準確、快速地測定柴油車尾氣處理液中尿素和縮二脲的含量，有利于質(zhì)量安全監(jiān)管和完善檢驗檢測體系。