Bestimmung des FAME-Gehalts von Biokraftstoffen mit FTIR
Abb. 1: FTIR Spektren zum Vergleich von Diesel und 10%igem Biodiesel in einer Oyster-Küvette mit 50 µm Schichtdicke
Die Verwendung von Biomaterialien als Kraftstoff ist eine Möglichkeit unsere Abhängigkeit von fossilen Energieträgern zu reduzieren. Bei der Umwandlung von Biomaterial in Biodiesel entstehen Fettsäuremethylester (FAME), die mit Diesel gemischt werden können. In höheren Konzentrationen können FAME/Biodiesel jedoch (vor allem ältere) Motoren beschädigen. Um solche Beschädigungen zu vermeiden gelten strikte Obergrenzen für Biodiesel. In Deutschland liegt der max. zulässige Anteil an Biodiesel bei 7%, mit ähnlichen Obergrenzen in anderen Ländern.
Abb. 2: FTIR Spektren zeigen die Carbonylregion für Kraftstoffe mit geringem FAME-Gehalt; aufgenommen in einer Küvette mit 500 µm Schichtdicke
Daher sind präzise Methoden zur Bestimmung des FAME-/Biodiesel-Gehaltes im Kraftstoff unerlässlich.
Methode
Kalibrierstandards von bekannten FAME-Gehalten wurden mit Peter Cremer Nexsol Biodiesel erzeugt. Die Norm EN 14078 legt bei drei verschiedenen Konzentrationen drei Messbereiche für den FAME-Gehalt fest. Dabei erfordern stärker verdünnte Proben größere Schichtdicken.
Spektren mit Schichtdicken von 50, 100 und 500 µm wurden mit Specac Oyster-Küvetten und der Pearl-Einheit aufgenommen, in Verbindung mit einem handelsüblichen Spektrometer.
Abb. 3: Kalibrierkurven zeigen die Absorption vs. bekannten FAME-Gehalt für die drei in EN 14078 spezifizierten Bereiche
Zum Erstellen der Kalibrierkurven wurde ein geeigneter Basis-Kraftstoff als Grundlage verwendet.
Analyse
Die IR-Spektren von Mineraldiesel und Biodiesel sind in Abb. 1 dargestellt. Das Band bei 1747 cm-1 wird der C=O Streckschwingung im FAME zugeordnet und ist im Mineraldiesel gar nicht vorhanden. Abb. 2 zeigt Spektren aufgenommen in einer Küvette mit 500 µm Schichtdicke in der CO-Region. Wie in Abb. 3 dargestellt, steigt die Carbonylbande erwartungsgemäß mit ansteigendem FAME-Gehalt. Ebenfalls dargestellt sind Kalibrierkurven von Küvetten mit Schichtdicken von 50 und 100 µm, bei höherem FAME-Gehalt. In allen Fällen, wurden sehr hohe R2-Werte erreicht, was ein Beleg dafür ist, dass die eingegebenen Parameter gut gepasst haben.
Die Kalibrierung unterscheidet sich je nach verwendetem Rohmaterial, daher sollten Standards verwendet werden, die dem unbekannten Probenmaterial möglichst nahe kommen. Da sich die genaue Schichtdicke von Küvette zu Küvette unterscheidet, ist es empfehlenswert, entweder die Kalibrierkurve jedes Mal neu zu berechnen, wenn die Oyster-Küvette getauscht wird, oder die jeweils genaue Schichtdicke zu verwenden.
Zusammenfassung
Die Ergebnisse zeigen deutlich, dass die Specac Systeme Pearl und Oyster dafür geeignet sind, Kalibrierkurven für FAME-Gehalte nach EN 14078 zu erstellen. Wird eine Oyster-Küvette mit parallelen Fenstern verwendet, kann mit Hilfe der Interferenzmethode [1] die exakte Schichtdicke, wie sie in der Norm gefordert wird, bestimmt werden.
Das System hat gegenüber herkömmlichen Flüssigzellen, die für die Bestimmung von FAME-Gehalten eingesetzt werden, mehrere Vorteile: Oyster erlaubt schnellste Messungen, ist leicht zu reinigen und gewährleistet einen hohen Probendurchsatz. Im Gegensatz zu einer konventionellen Küvette, bei der sich mit jedem Auseinanderbauen die Schichtdicke ändert, bietet Oyster kontinuierlich die gleiche Schichtdicke. Das vereinfacht die Reinigung und minimiert Messfehler, die wegen unvollständiger Reinigung auftreten.
Herkömmliche Flüssigzellen neigen aufgrund ihrer Bauweise zu Undichtigkeiten. In so einem Fall muss die Zelle auseinander gebaut, gereinigt und wieder zusammengebaut und anschließend aufwändig rekalibriert werden. Das horizontale Design der Oyster-Küvette reduziert die Gefahr einer Leckage auf ein Minimum.
Danksagung
Die hier dargestellten Spektren wurden freundlicherweise von John Coates von Coates Consultancy LLC zur Verfügung gestellt.
Referenzen
[1] Specac Anwenderbericht AN18-04: Determining Pathlength in Parallel Window Liquid Cells
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