Entwicklung verschiedener ICP-OES Methoden zur quantitativen Untersuchung von Spurenelementen in Mineralölprodukten

Abstract

Mineralölprodukte sind Fraktionen des Erdöls, welche durch Destillationsprozesse erhalten werden. In Verbrennungsprozessen geben diese Produkte Energie ab, welche zum Heizen oder für Antriebszwecke eingesetzt werden kann. In Erdöl sind je nach Herkunft verschiedene Metalle enthalten. Diese werden bei der Destillation zum Teil in die verschiedenen Fraktionen mitgetragen. Der Gehalt an mittransportierten Metallen ist zwar sehr gering, doch wird dieser bei der Verbrennung an die Umwelt abgegeben, weshalb dessen Gehalt bestimmt werden muss, um maximale Grenzwerte einzuhalten. Der Hauptanteil der im Erdöl enthaltenen Metalle verbleibt in den Rückständen, wodurch in den schweren Fraktionen deutlich mehr Metalle zu finden sind. Metalle bringen aber nicht nur negative Eigenschaften mit sich, ganz im Gegenteil. Einzelne werden extra zugesetzt, um dessen verbessernde Eigenschaften z. B. auf den Verbrennungsprozess miteinzubringen. Ein übliches Verfahren zur Bestimmung von Spurenelementen in wässrigen Proben ist die ICP OES (inductively coupled plasma optical emission spectrometry). Das Verfahren kann aber nicht eins zu eins auf die Analyse organischer Proben umgelegt werden, da Probleme durch die organische Matrix auftreten. Zur Analyse von Mineralölprodukten auf Spurenelemente gibt es keine Standardmethode, weshalb verschiedene Methoden getestet wurden. Nach umfassenden Vorversuchen wurde in dieser Arbeit eine universell anwendbare Methode zur simultanen Bestimmung von Spurenmetallen in verschiedenen Mineralölprodukten mittels ICP OES entwickelt. In einer zweiten Aufgabe wurde eine Methode zur Quantifizierung einer zugesetzten Metallverbindung, genannt Additiv, entwickelt. Bisher konnte nur der Gesamtgehalt an dem entsprechenden Element im Mineralölprodukt bestimmt werden. Um aber die Wirkung des Additivs garantieren zu können, muss dessen Gehalt separat von eventuell enthaltenen Verunreinigungen bestimmt werden.In dieser Arbeit wurde am Beispiel von Ferrocen, das als verbrennungsförderndes Additiv in Benzin eingesetzt wird, eine auf dem Prinzip der Elektro-thermischen-Verdampfung basierende Methode zur Trennung des Ferrocen-Eisens von restlichen anorganischen Eisen entwickelt, welches in weiterer Folge auch zur Bestimmung von Silikonöl-Zusätzen in Diesel verwendet wurde.

Mineral oil products are fractions of crude oil, which can be separated through distillation. In burning processes mineral oil products can deliver a lot of energy and due to this they can be used for heating and the propulsion of vehicles. Depending on the origin of the crude oil several metals can be found. These metals can be transported in the distillation process partially with the fractions. The transported amount of metal is very low, most of them stay in the heavy residues. However, they have to be quantified to ensure to be under maximum limits, because during burning these metals can be released into the environment. Contrary, some non-hazardous metals are added to use their enhancing properties, e. g. on the burning process. A usually used method to determine the concentration of trace metals in aqueous samples is the ICP OES (inductively coupled plasma optical emission spectrometry). But, the technique cannot be adapted one to one to organic systems, because of appearing problems due to the organic matrix. A standard measuring method for the analysis of trace metals in mineral oil products has up to now not been available, so several different methods were tested. After extensive experiments a universally applicable method for a simultaneous determination of trace elements in different mineral oil products with ICP OES was developed. In a second part the concentration of an added metal compound, named additive, was determined. Up to now, only the whole metal content in mineral oil products was determinable. To guarantee the effect of the used additive its concentration in the mineral oil product has to be determined. Additives are in many cases of organometallic nature to be soluble in the mineral oil product. These compounds normally vaporise at lower temperatures than inorganic metal compounds. With the use of an electro-thermal-vaporisation procedure a separation of the different compounds could be achieved through a temperature program and the separated signals could be quantified. In this work the method was developed on the additive Ferrocen, which enhances the burning process, and the measurement of silicon oil in diesel.