کاربرد آنالیز ICP در شناسایی عناصر روغن و مواد نفتی

آنالیز ICP یا طیف سنجی پلاسما القایی یکی از تکنیک های بسیار قدرت عنصری است که می تواند غلظت عناصر را حتی در محدوده ppb نیز تشخیص دهد. در این مقاله ابتدا به صورت خلاصه با مبانی روش آشنا می شوید و سپس به موضوع اصلی مقاله که کاربرد این روش در شناسایی عناصر روغن و مواد نفتی است، پرداخته می شود. نوع و غلظت عناصر در نفت و مایعات بر اساس مکان استخراج نفت متفاوت است. همچنین عناصر ناخالصی بر خواص نفت و روغن اثر گذار است. چنانچه ناخالصی هایی مانند گوگرد، فسفر و نیتروژن بر خاصیت روانکاری روغن ها اثر می گذارد. در مقاله فوق به موارد فوق پرداخته شده است.

یکی از روش های طیف سنجی، آنالیز ICP یا طیف سنجی پلاسما القایی می­باشد که از یک پلاسمای القایی در جهت یونیزاسیون نمونه استفاده می­کند. این روش در محلول­های مایع با غلظت خیلی کم، توانایی شناسایی عناصر فلزی، تعداد زیادی از عناصر غیر فلزی و همچنین قابلیت تشخیص ایزوتوپ های مختلف یک عنصر را دارا می ­باشد. اساس این روش برپایه  اندازه گیری شدت امواج از بازگشت اتم ها از حالت برانگیخته می­باشد. توانایی تشخیص تمامی عناصر را دارد، همچنین تداخل شیمیایی عناصر پایین بوده، حساسیت بسیار بالا در گستره ppb دارد و تداخل یونی به دلیل کم بودن چگالی الکترون های ناشی از یونیزاسیون نسبت به الکترون­های گاز آرگون خیلی کم است.

این آنالیز قابلیت آنالیز گازهای نجیب را ندارد و فقط در حضور خلأ بالا توانایی آنالیز هالوژن­ها را دارد، توانایی تشخیص آن برای عناصر قلیایی مانند روبیدیم ضعیف است و اگر غلظت­های اسیدی و یا حلال­های آلی زیادی حضور داشته باشند، خطا در آنالیز به وجود می­ آید. نمایی از دستگاه در شکل زیر نشان داده شده است.

شکل ۱: طیف سنجی جرمی پلاسمای جفت القایی (ICP-MS).

 این آنالیز دارای دو دسته طیف سنجی جرمی (MS) و تابش اتمی (OES) می­باشد.

طیف سنجی جرمی پلاسمای جفت شده القایی (ICP-MS): یک تکنیک تحلیلی است که می­تواند برای اندازه گیری عناصر در غلظت های بسیار پایین در حد ppb در نمونه مورد بررسی استفاده شود. این روش در صنایع مختلفی مانند محیط زیست، نفت و گاز و پتروشیمی، متالورژی، دارویی و تحقیقات بالینی کاربرد دارد. در این روش یون ها به یک طیف سنج جرمی منتقل می­شوند. یون ها بر اساس نسبت جرم به بار آنها جدا می­شوند و یک آشکارساز، سیگنال یونی را نسبت به غلظت عناصر مختلف دریافت می­ کند.

آنالیز ICP-MS

طیف‌سنجی نشر نوری پلاسما جفت شده القایی (ICP-OES): برای شناسایی  عناصر یک نمونه خاص استفاده می­شود. این تکنیک همانند روش ICP-MS می باشد با این تفاوت که حد تشخیص آن در حد ppm می باشد. در این روش از سیگنال های فوتوفیزیکی منحصر به فرد هر عنصر برای تشخیص موفقیت آمیز نوع و مقدار نسبی هر عنصر در یک ترکیب استفاده می­کند. ICP-OES کاربرد خاصی در تجزیه و تحلیل نمونه های پیچیده دارد و در کاربردهایی مانند عناصر کمیاب در مغز انسان، تعیین عناصر در صنعت دخانیات، سموم و صنایع دارویی استفاده می­شود.

آنالیز ICP-OES

تفاوت عمده بین ICP-MS و ICP-OES این است که اولی نسبتm/z (جرم به بار) عناصر را اندازه گیری می­کند در حالی که دومی طول موج نور ساطع شده توسط گونه­ های برانگیخته (عناصر/یون ها) را برای مشخص کردن عناصر جمع آوری می­کند. در یک ICP-MS، یون ها توسط لنز یونی متمرکز شده و به یک مجموعه چهار میله ای (چهار قطبی) هدایت می­شوند که آنها را بر اساس نسبت m/z از هم جدا می­کند.

دستگاه ICP از تکنیک طیف سنجی نشری استفاده می­نمایدکه در آن الکترون های برانگیخته در طول موج تابیده شده انرژی از خود ساطع می­کنند. این برانگیختگی در دستگاه ICP توسط پلاسمای داغ آرگون انجام می­شود. این دما بین ۶۰۰۰ تا ۱۰۰۰۰ کلوین است. از ویژگی اصلی این روش می­توان به این که هر عنصری بنا به خصوصیات خاص همان عنصر در طول موج خاصی از خود انرژی ساطع می­نماید اشاره کرد. نمایی از بخش پلاسمای دستگاه در شکل ۲ نشان داده شده است.

کاربرد آنالیز ICP در در شناسایی عناصر روغن و مواد نفتی

روغن ها و گریس های صنعتی نقش مهمی در هر صنعتی ایفا می­ کنند. یکی از کاربردهای آن­ها برای بهبود عملکرد ماشین آلات، تجهیزات صنعتی و محافظت از آنها در برابر آسیب در حین کار می­باشد. انواع روغن صنعتی و طبقه بندی آنها بر اساس منشاء و ترکیب آنها می­باشد. ساختار نفت خام ترکیبی از عناصر مختلف می­باشد و بر اساس نوع نفت و منطقه ای که از آن استخراج می‌شود، درصد هرکدام از عناصر موجود در نفت خام متغیر است.

برای اندازه گیری عناصر موجود در نفت، گاز، آزمایشگاه پتروشیمی، آزمایشگاه روغن و گریس و آزمایشگاه های تحقیقاتی از این روش استفاده می­شود. یکی از روغن های مایع، روغن معدنی می­باشد. از آنجایی که روغن ­های معدنی از منابع طبیعی سرچشمه می­گیرند، حاوی عناصر دیگری مانند گوگرد، فسفر، نیتروژن و غیره هستند که به عنوان ناخالصی­­ها از آن­ها یاد می­شود که هم بر روانکاری اثر می­گذارند و همچنین محیط را آلوده می­کنند. این ناخالصی­ها می­توانند باعث تشکیل لجن و رسوب شوند که به عنوان محصولات اکسیداسیون و سایر واکنش­هایی که در طول فرآیند روانکاری رخ می­دهد. این روغن­ها باید تصفیه شوند و هنگامی که خالص شدند، با مواد افزودنی تکمیل می­شوند تا کاستی های آن­ها جبران شود. با این وجود، روغن های معدنی در صنعت بیشترین استفاده را دارند. آنالیز ICP قابلیت انجام و اندازه گیری عناصر فوق الذکر را دارد.  .

روش انجام آنالیز ICP برای شناسایی عناصر موجود در روغن و مواد نفتی مطابق استاندارد ASTM D9451 و ASTM D5185 می­باشد. با توجه به این استاندارد، دستگاه قابلیت اندازه گیری عناصر افزودنی و فلزات ساینده و آلاینده ها از طریق رقیق سازی حلال آلی را دارد. یکی دیگر از کاربردهای این آنالیز در بررسی روان کار­های اضافه شده به روغن موتور می­باشد. سایش، اصطکاک، خوردگی و آلورگی ها منابعی برای فلزات باقی مانده هستند که با انجام این آنالیز می­توان از درصد آن ها مطلع شد و مقدار سائیدگی ناشی از این فلزات را تشخیص داد.  همچنین قادر به تجزیه ترکیبات آلی فلزدار مانند دی آلکیل دی تیوفسفات روی که به عنوان ضدسایش عمل می­کند، است. تجزیه و تحلیل روغن­ها جهت ردیابی فلزات معمولاً برای تعمیر و نگهداری موتور ها استفاده می­شود.

شکل ۲: پلاسمای جفت شده القایی (ICP).