Characterization of chemical composition of fuel biofractions by different analytical techniques

Show full item record



Permalink

http://urn.fi/URN:NBN:fi-fe201206156009
Title: Characterization of chemical composition of fuel biofractions by different analytical techniques
Alternative title: Biopolttoaineiden bio-osuuksien karakterisointi erilaisia analyyttisiä tekniikoita käyttäen
Author: Pesonen, Antto
Other contributor: Helsingin yliopisto, Matemaattis-luonnontieteellinen tiedekunta, Kemian laitos
University of Helsinki, Faculty of Science, Department of Chemistry
Helsingfors universitet, Matematisk-naturvetenskapliga fakulteten, Kemiska institutionen
Publisher: Helsingfors universitet
Date: 2012
Language: eng
URI: http://urn.fi/URN:NBN:fi-fe201206156009
http://hdl.handle.net/10138/34540
Thesis level: master's thesis
Discipline: Analytical Chemistry
Analyyttinen kemia
Analytisk kemi
Abstract: The increased use of liquid biofuels has created a need for an accurate and a reliable technique for determining blend ratios of biofuel and fossil fuel due to technical reasons related to car engines and due to legislative reasons. The true portion of biological carbon in a fuel can be determined reliably only by radiocarbon measurement. Radiocarbon is created in upper atmosphere by cosmic radiation and is transferred to flora and fauna via photosynthesis. When an organism dies, the radiocarbon in its body starts do decay. Because the half-life of radiocarbon is very long and because biofuels are manufactured from relatively young feedstock materials, it is possible to calculate the biofraction of a fuel sample by determining its radiocarbon contents. The most popular techniques for determining this are, to date, accelerator mass spectrometry and liquid scintillation counting. Liquid scintillation counting is cheaper and easier to use, but in low concentrations the accuracy is not as good. In addition, the technique has the drawback of quenching effects. Accelerator mass spectrometry is the most accurate method, but the disadvantages are the price and size of the equipment and labor-intensive sample preparation process, which can take several days. In addition to the radioanalytical techniques, the biofractions of biofuels have been determined by infrared, Raman, nuclear magnetic resonance, X-ray and fluorescence spectroscopy and by gas and liquid chromatography, but these techniques have more limited applicability. In these techniques, the determination is usually based on direct or indirect detection of fatty acid methyl ester groups. However, the newer generation biofuels do not anymore contain these groups and their chemical composition is similar to fossil fuels. In addition, by using these techniques one cannot determine e.g. whether the ethanol in petrol blend is in fact manufactured from biological or fossil sources. In the experimental section of the thesis an elemental analyzer -based sample preparation method was developed, by which the time spent on sample preparation for accelerator mass spectrometer was decreased when compared to previous method, described by standard ASTM D6866-10. The biodiesel samples were combusted in the elemental analyzer and the carbon dioxide collected cryogenically. The carbon dioxide was reduced to graphite and their radiocarbon contents was measured by accelerator mass spectrometry. In addition, the results from elemental analyzer method were compared to previous results by closed-tube-combustion method. It was noticed that the elemental analyzer method was more accurate, faster and easier to use.Biopolttoaineiden lisääntynyt käyttö on luonut tarpeen menetelmälle, jolla määrittää tarkasti ja luotettavasti biopolttoaineen ja fossiilisen polttoaineen sekoitussuhteet moottoriteknisistä ja lakiteknisistä syistä. Polttoaineiden todellinen biologisen hiilen osuus voidaan määrittää luotettavasti vain radiohiilimääritykseen perustuvalla mittauksella. Radiohiili syntyy yläilmakehässä kosmisen säteilyn vaikutuksesta ja siirtyy fotosynteesin kautta kasvi- ja eläinkuntaan. Eliön kuollessa sen sisältämän radiohiilen määrä alkaa laskea. Koska radiohiilen puoliintumisaika on hyvin pitkä ja koska biopolttoaineet valmistetaan suhteessa varsin tuoreista raaka-aineista, voidaan biopolttoaineen bio-osuus määrittää mittaamalla sen radiohiilipitoisuus. Tällä hetkellä suosituimmat menetelmät tähän ovat kiihdytinmassaspektrometria ja nestetuikelaskenta. Nestetuikelaskenta on halvempi ja helppokäyttöisempi menetelmä, mutta hyvin alhaisilla radiohiilipitoisuuksilla sen tarkkuus on huonompi. Lisäksi menetelmä kärsii sammutusvaikutuksista, joka hankaloittaa määritystä. Kiihdytinmassaspektrometrian tarkkuus on parempi, mutta menetelmän haittapuoli on laitteiston hinta ja koko sekä raskas näytteiden esikäsittelyprosessi, joka kestää useita päiviä. Radioanalyyttisten menetelmien lisäksi polttoaineiden bio-osuuksia on määritetty infrapuna-, Raman-, ydinmagneettinen resonanssi-, röntgensäde- ja fluoresenssispektroskopisesti sekä kaasu- ja nestekromatografisesti, mutta nämä menetelmän ovat rajoittuneempia sovellusalueiltaan. Näitä menetelmiä käyttäen määritys yleisimmin perustuu rasvahappometyyliesteriryhmien suoraan tai epäsuoraan detektointiin. Uudemman sukupolven biopolttoaineet eivät kuitenkaan enää sisällä näitä ryhmiä, vaan niiden kemiallinen koostumus vastaa pitkälti fossiilista polttoainetta. Lisäksi näitä menetelmiä käyttäen ei voida todeta, onko esimerkiksi polttoaineessa käytetty etanoli todellisuudessa biologisesti vai fossiilisesti tuotettua. Pro gradu -työn kokeellisessa osassa kehitettiin alkuaineanalysaattoriin perustuva näytteenpoltto- ja keruumenetelmä, jonka avulla kiihdytinmassaspektrometrin radiohiilinäytteiden esikäsittely nopeutui verrattuna aiempaan, standardin ASTM D6866-10 mukaiseen käsittelyyn. Biodieselnäytteet poltettiin alkuaineanalysaattorissa ja hiilidioksidi kerättiin kryogeenisesti. Hiilidioksidi pelkistettiin grafiitiksi ja niistä mitattiin radiohiilipitoisuus kiihdytinmassaspektrometrilla. Lisäksi työssä vertailtiin alkuaineanalysaattoriin perustuvalla menetelmällä saatuja tuloksia aiempiin suljetun putken poltolla saatuihin tuloksiin ja todettiin kehitetty menetelmä tarkemmaksi, nopeammaksi ja helppokäyttöisemmäksi.
Rights: This publication is copyrighted. You may download, display and print it for Your own personal use. Commercial use is prohibited.


Files in this item

Total number of downloads: Loading...

Files Size Format View
characte.pdf 1.682Mb PDF View/Open

This item appears in the following Collection(s)

Show full item record