一种非单一降解因素下合成润滑油的室内降解分析方法

摘要

一种非单一降解因素下合成润滑油的室内降解分析方法，该方法是在光照和微生物两种降解因素共同作用下，采用一个降解周期样品和0天样品降解培养方法完成全合成酯类润滑油的降解过程；其中，一个降解周期样品包括两种降解因素共同作用下的测试样品和单一因素光降解作用下的光降解样品，两类降解样品分别降解培养一个周期；0天样品包括中性样品和毒性样品，分别于一个降解周期样品降解培养结束时配制；对上述四种样品同步进行超声波破碎细胞操作、干燥、取样，通过红外检测确定润滑油残余含量，根据降解前后润滑油含量的变化值计算确定其降解率。参照降解率计算结果及平行测定的最大误差范围考察数据的重复性和稳定性。该方法逻辑严密、科学实用。

说明书

技术领域

 本发明属于润滑油降解技术领域，涉及利用非单一降解因素，特别是利用自然光照和微生物两种主降解因素降解全合成酯类润滑油的室内降解及分析方法。

背景技术

近年来，润滑油的降解成为国内外的研究热点，已有人开展将微生物应用于润滑油的生物降解研究。目前利用微生物对润滑油的可降解性进行评价的方法较多，包括：测定基本生物降解率的欧盟润滑油生物降解标准方法(CEC-L-33-A-93实验方法)、测定最终生物降解率的OECD方法和以检测降解过程中所产生的CO₂为度量指标的STURM法；以及以BOD / COD为度量指标，测试生物降解过程中O₂的消耗量的MITI法等。对于润滑油的可降解性分析而言，上述方法均为单一降解因素-生物降解实验方法，这类实验方法的共同特点是主降解因素单一，受到的干扰较少，实验和分析相对简单，易于得出该实验条件下的降解结论。缺点是与润滑油自然条件下的实际降解情况有一定误差。自然条件下润滑油的降解并非单一因素作用的结果。然而非单一降解因素作用下的全合成酯类润滑油的室内降解实验目前尚未形成完整的方法体系。

发明内容

本发明的目的是针对上述存在的问题，提供一种更具科学性、逻辑更严密、准确性更高且具有良好重复性和稳定性的非单一降解因素作用下全合成酯类润滑油的室内降解及分析方法。

本发明的技术方案：

一种非单一降解因素下合成润滑油的室内降解分析方法，该方法是在光照和微生物两种主降解因素共同作用下，采用一个降解周期样品和0天样品两类样品降解培养方法完成全合成酯类润滑油的降解过程，经预处理后分别检测并计算残余润滑油的含量，根据降解前后润滑油含量的变化值计算确定其降解率，具体方法如下：

第1、实验准备；

在两类样品降解培养法中，实验用水的可溶性总有机碳应少于1×10^-3 g/L；所用试剂的纯度为分析纯至色谱纯；实验用玻璃容器均用洗液洗涤干净以确保容器内壁不含有碳氢化合物；微生物菌种来源于从污水处理厂生化池取得且经过滤去除杂质的新鲜活性污泥滤液，其优势菌包括生枝动胶菌(Zoogloearamigera)、丝状动胶菌(Zoogloea filipendula)，睾丸酮丛毛单胞菌(Comamonas testosteroni)，食醋丛毛单胞菌(Comamonas acidovorans)，水生丛毛单胞菌(Comamonas aquatica)，荧光假单胞菌 (Pseudomonas fluorescens)，铜绿色假单胞菌(Pseudomonas aeruginosa)，浮游球衣菌(Sphaerotilus natans)，藤黄微球菌(Micrococcus luteus)和粪产碱杆菌(Alcaligenes feacalis)共计10个常见菌种，接种菌液的活菌浓度为1.0×10⁴ ~ 1.0×10⁵ CFU/mL；无机盐基础培养基溶液是由以下组分构成的水溶液，各组分的含量按g/L水溶液计分别为 KH₂PO₄ 3.4、Na₂HPO₄ 1.5、(NH₄)₂SO₄ 4.0、MgSO₄·7H₂O 0.7、酵母粉 0.01，余量为水，培养基的pH值为7.2~7.6，以全合成酯类润滑油作为微生物生长的唯一碳源； 

第2、两类样品降解培养法；

全合成酯类润滑油室内降解实验分为两类样品，即一个降解周期样品和0天样品：

第2.1、一个降解周期样品

A.测试样品双因素降解过程：取90 mL上述第1步中的无机盐基础培养基溶液，加入2.0 mL全合成酯类润滑油，接种上述微生物菌种即新鲜活性污泥滤液5.0 mL，再用上述无机盐基础培养基溶液定容至100 mL，于自然光照下以180 r/min ~ 200 r/min振荡培养28天，培养温度为30℃±1℃，降解培养结束后将样品按以下第3步所述方法进行预处理及检测；

B.光降解样品的单一因素降解过程：取90 mL上述无机盐基础培养基溶液，加入2.0 mL全合成酯类润滑油，再接入0.03 M HgCl₂溶液1.0mL，以抑制杂菌生长，不接种上述微生物菌种，再用上述无机盐基础培养基溶液定容至100 mL，于自然光照下以170 r/min ~ 200 r/min振荡培养28天，培养温度为30℃± 1℃，降解培养结束后将样品按以下第3步所述方法进行预处理及检测；

第2.2、 0天样品配制

C. 0天中性样品配制：在配制测试样品和光降解样品溶液时，同步取上述微生物菌种即新鲜活性污泥滤液5.0 mL置于4℃密闭保存，于测试样品和光降解样品降解结束时，取出此4℃保存的菌液立即按下述方式配制中性样品溶液：

取90 mL上述无机盐基础培养基溶液，接种上述4℃保存的微生物菌种5.0 mL，不加润滑油，再用上述无机盐基础培养基溶液定容至100 mL，摇匀，立即将样品按以下第3步所述方法进行预处理及检测；

D. 0天毒性样品配制：于上述一个降解周期样品降解过程结束时，取90 mL上述无机盐基础培养基溶液，加入2.0 mL全合成酯类润滑油和0.03 M HgCl₂溶液1.0 mL，不接入微生物菌种，再用上述无机盐基础培养基溶液定容至100 mL，配制完成后立即将样品按以下第3步所述方法进行预处理及检测；

第3、样品预处理及检测；

将上述A、B、C、D四组样品同步进行超声波破碎细胞，破碎时间3 min ~ 5 min，用100 mL CCl₄进行萃取，剧烈振荡5 min ~8min，静置分层，收集萃取液下层有机相，加入10 g无水Na₂SO₄干燥24 h，取样，进行红外光谱分析，于C-H键的红外波数2930 cm^-1±10 cm^-1处分别定量检测各C-H化合物的剩余含量；

对上述A、B、C、D四组样品的超声波破碎细胞操作必须同步进行，相应的取样和检测操作也分别同步进行；

第4、非单一因素作用下全合成酯类润滑油的降解率计算分为两部分；

第4.1、两种主降解因素作用下的润滑油总降解率计算：

 

第4.2、单一因素-光作用下的润滑油光降解率计算：

 

其中，

I_样,光—A组测试样品的C-H化合物残余含量的红外光谱值，

I_毒,光—B组光降解样品的C-H化合物残余含量的红外光谱值，  

I_中,光—C组中性样品的C-H化合物含量的红外光谱值， 

I_毒,避—D组毒性样品的C-H化合物含量的红外光谱值。

 

本发明的优点是：

在降解方案设计及实施过程中，首次将非生物降解因素-光照引入全合成酯类润滑油的可降解分析中，实现了非生物降解因素与生物降解因素联合降解全合成酯类润滑油；建立了非单一降解因素-生物因素和非生物因素联合作用下的全合成酯类润滑油室内降解实验方法，该方法逻辑严密，科学实用；实验过程中，毒性样品、中性样品两类样品与测试样品、光照样品的不同步培养进一步减少了实验误差，提高了实验精度；样品的预处理采用超声波细胞破碎法是基于最终生物降解理论进行的，此处理方法可以将高聚物不完全降解转化成的中间代谢产物保留在处理液中，测定的降解率仅涉及完全转化为CO₂和H₂O的部分润滑油。综上，本实验方法更为科学、逻辑性更严密。

 

（四）附图说明

图1是蓖麻油基润滑油毒性避光样品的红外光谱图，

图2是蓖麻油基润滑油中性避光样品的红外光谱图，

图3是蓖麻油基润滑油测试样品的红外光谱图，

图4是蓖麻油基润滑油光降解样品的红外光谱图；

图5是参比油蓖麻油毒性避光样品的红外光谱图，

图6是参比油蓖麻油中性避光样品的红外光谱图，

图7是参比油蓖麻油测试样品的红外光谱图，

图8是参比油蓖麻油光降解样品的红外光谱图；

图9是棉籽油基润滑油毒性避光样品的红外光谱图，

图10是棉籽油基润滑油中性避光样品的红外光谱图，

图11是棉籽油基润滑油测试样品的红外光谱图，

图12是棉籽油基润滑油光降解样品的红外光谱图；

图13是豆油基润滑油毒性避光样品的红外光谱图，

图14是豆油基润滑油中性避光样品的红外光谱图，

图15是豆油基润滑油测试样品的红外光谱图，

图16是豆油基润滑油光降解样品的红外光谱图。

说明：本发明实施例中每个图表列有4种样品，每种样品列出3个平行数据，则每个图表包含12个红外光谱数据，实施例中共有4个数据图表，共计4×12=48个红外光谱数据，每个数据对应一个红外光谱图，总计48个红外光谱图。因图谱较多，限于篇幅，不再一一列出，每个图表中的每个样品仅列出一个代表性数据图谱。

 

（五）具体实施方式

实施例1：蓖麻油基润滑油及参比油的降解实验

蓖麻油基润滑油是以蓖麻油为主原料化学合成的一种新型润滑油, 其主要成分为癸二酸二-2-辛酯、癸二酸多元醇酯等；参比油为已知降解率的蓖麻油。

1.蓖麻油基润滑油的非单一因素降解实验

第1、实验准备；

在两类样品降解培养法中，实验用水的可溶性总有机碳应少于1×10^-3 g/L；所用试剂的纯度为分析纯至色谱纯；实验用玻璃容器均用洗液洗涤干净以确保容器内壁不含有碳氢化合物；微生物菌种来源于从污水处理厂生化池取得且经过滤去除杂质的新鲜活性污泥滤液，其优势菌包括生枝动胶菌(Zoogloearamigera)、丝状动胶菌(Zoogloea filipendula)，睾丸酮丛毛单胞菌(Comamonas testosteroni)，食醋丛毛单胞菌(Comamonas acidovorans)，水生丛毛单胞菌(Comamonas aquatica)，荧光假单胞菌 (Pseudomonas fluorescens)，铜绿色假单胞菌(Pseudomonas aeruginosa)，浮游球衣菌(Sphaerotilus natans)，藤黄微球菌(Micrococcus luteus)和粪产碱杆菌(Alcaligenes feacalis)共计10个常见菌种，接种菌液的活菌浓度为1.0×10⁴ ~ 1.0×10⁵ CFU/mL；无机盐基础培养基溶液是由以下组分构成的水溶液，各组分的含量按g/L水溶液计分别为 KH₂PO₄ 3.4、Na₂HPO₄ 1.5、(NH₄)₂SO₄ 4.0、MgSO₄·7H₂O 0.7、酵母粉 0.01，余量为水，培养基的pH值为7.2~7.6，以全合成酯类润滑油作为微生物生长的唯一碳源；  

第2、两类样品降解培养法；

全合成酯类润滑油室内降解实验分为两类样品，即一个降解周期样品和0天样品：

第2.1、一个降解周期样品

A.测试样品双因素降解过程：取90 mL上述第1步中的无机盐基础培养基溶液，加入2.0 mL蓖麻油基润滑油，接种上述微生物菌种即新鲜活性污泥滤液5.0 mL，再用上述无机盐基础培养基溶液定容至100 mL，于自然光照下以180 r/min ~ 200 r/min振荡培养28天，培养温度为30℃±1℃，降解培养结束后将样品按以下第3步所述方法进行预处理及检测；

B.光降解样品的单一因素降解过程：取90 mL上述无机盐基础培养基溶液，加入2.0 mL蓖麻油基润滑油，再接入0.03 M HgCl₂溶液1.0mL，以抑制杂菌生长，不接入上述微生物菌种，再用上述无机盐基础培养基溶液定容至100 mL，于自然光照下以170 r/min ~ 200 r/min振荡培养28天，培养温度为30℃± 1℃，降解培养结束后将样品按以下第3步所述方法进行预处理及检测；

第2.2、 0天样品配制

C. 0天中性样品配制：在配制测试样品和光降解样品溶液时，同步取上述微生物菌种即新鲜活性污泥滤液5.0 mL置于4℃密闭保存，于测试样品和光降解样品降解结束时，取出此4℃保存的菌液立即按下述方式配制中性样品溶液：

取90 mL上述无机盐基础培养基溶液，接种上述4℃保存的微生物菌种5.0 mL，不加入润滑油，再用上述无机盐基础培养基溶液定容至100 mL，摇匀，立即将样品按以下第3步所述方法进行预处理及检测；

D. 0天毒性样品配制：于上述一个降解周期样品降解过程结束时，取90 mL上述无机盐基础培养基溶液，加入2.0 mL蓖麻油基润滑油和0.03 M HgCl₂溶液1.0 mL，不接入微生物菌种，再用上述无机盐基础培养基溶液定容至100 mL，配制完成后立即将样品按以下第3步所述方法进行预处理及检测；

第3、样品预处理及检测；

将上述A、B、C、D四组样品同步进行超声波破碎细胞，破碎时间为3.0 min，用100 mL CCl₄进行萃取，剧烈振荡5 min，静置分层，收集萃取液下层有机相，加入10 g无水Na₂SO₄干燥24 h，取样，进行红外光谱分析，于C-H键的红外波数2930 cm^-1±10 cm^-1处分别定量检测各C-H化合物的剩余含量；

对上述A、B、C、D四组样品的超声波破碎细胞操作必须同步进行，相应的取样和检测操作也分别同步进行；

第4、非单一因素作用下蓖麻油基润滑油的降解率计算分为两部分；

第4.1、两种主降解因素作用下的蓖麻油基润滑油总降解率计算：

 

第4.2、单一因素-光作用下的蓖麻油基润滑油光降解率计算：

 

其中：

I_样,光—A组测试样品的C-H化合物残余含量的红外光谱值，

I_毒,光—B组光降解样品的C-H化合物残余含量的红外光谱值，  

I_中,避—C组中性样品的C-H化合物含量的红外光谱值， 

I_毒,避—D组毒性样品的C-H化合物含量的红外光谱值。

 

2.参比油的非单一因素降解实验

选择已知降解率的蓖麻油做参比油品。

参比油样的降解培养方式与上述蓖麻油基润滑油相同。所不同的是将蓖麻油基润滑油换成参比油品。

蓖麻油基润滑油检测结果及通过计算确定的降解率如下表所示：

             

其中，图1对应的红外光谱值为0.030，图2对应的红外光谱值为0.005，图3对应的红外光谱值为0.007，图4对应的红外光谱值为0.028。

则蓖麻油基润滑油的总降解率平均值为：W= (0.0300-0.0080+0.0050)/0.0300=90.0%

蓖麻油基润滑油的光降解率平均值为：R= (0.0300-0.0280)/0.0300=6.7%。

 

         

其中，图5对应的红外光谱值为0.031，图6对应的红外光谱值为0.005，图7对应的红外光谱值为0.006，图8对应的红外光谱值为0.029。

则参比油品蓖麻油的总降解率为：W= (0.0313-0.0063+0.0053)/0.0313=96.9%

蓖麻油的光降解率为：R=(0.0313-0.0287)/0.0313=8.3% 。

表1和表2数据显示：非单一降解因素作用下，蓖麻油基润滑油28天的最大降解率达到90.3%，平均降解率为90.0%，平行测定的最大误差为0.6%；而参比油品蓖麻油的最大降解率为96.9%，平均降解率为96.9%，平行测定的最大误差为0.1%；两种油品的检测数据均具有较好的重复性和稳定性；文献已报道的蓖麻油基润滑油的生物降解率公布值为88.37%，参比油品蓖麻油的生物降解率公布值为96.0%，运用本方案得到的油品降解率数据比文献报道的单一因素作用下的降解率要高，说明在微生物和光照的综合作用下，润滑油和参比油的降解效果均优于单一因素-生物降解的效果；另一方面，润滑油28天的光降解率最大值为6.8%，平行测定的最大误差为0.3%，参比油28天的光降解率最大值为9.7%，平行测定的最大误差为3.2%，两种油品的光降解检测数据均具有较好的重复性和稳定性。以上结论证明本实验方案的可行性。

 

实施例2：棉籽油基润滑油的降解实验

除了在样品培养基配制中加入的碳源改为棉籽油基润滑油外，其他如样品降解实验过程、样品预处理及红外检测、通过计算确定降解率的方法和步骤与实施例1完全相同，样品检测结果及通过计算确定的降解率如下表所示：

         

其中，图9对应的红外光谱值为0.042，图10对应的红外光谱值为0.007，图11对应的红外光谱值为0.010，图12对应的红外光谱值为0.039。

则棉籽油基润滑油的总降解率平均值为：

W= (0.0420-0.0103+0.006)/0.0420=89.8%

棉籽油基润滑油的光降解率平均值为：

R=(0.0420-0.0397)/0.0420=5.5% 。

表3数据显示：非单一降解因素作用下，棉籽油基润滑油28天的最大降解率达到90.7%，平均降解率为89.8%，平行测定的最大误差为2.9%，另外，润滑油28天的光降解率最大值为6.9%，平行测定的最大误差为2.1%，润滑油的检测数据均具有较好的重复性和稳定性；文献已报道的棉籽油基润滑油的生物降解率公布值为88.7%。运用本方案得到的降解率数据比已报道的单一因素作用下的降解率要高，说明在微生物和光照的综合作用下，润滑油的降解效果均比单一因素生物降解的效果要好，证明了本实验方案的可行性。

 

实施例3：豆油基润滑油的降解实验

除了在样品培养基配制中加入的碳源改为豆油基润滑油外，其他如样品降解实验过程、样品预处理及红外检测、通过计算确定降解率的方法和步骤与实施例1完全相同，样品检测结果及通过计算确定的降解率如下表所示：

         

其中，图13对应的红外光谱值为0.037，图14对应的红外光谱值为0.008，图15对应的红外光谱值为0.013，图16对应的红外光谱值为0.035。

则豆油基润滑油的总降解率平均值为：W=(0.0367-0.0130+0.0073)/0.0367=84.4%

豆油基润滑油的光降解率平均值为：R=(0.0367-0.0340)/0.0367=7.3% 。

表4数据显示：非单一降解因素作用下，豆油基润滑油28天的最大降解率达到85.7%，平均降解率为84.4%，平行测定的最大误差为1.5%；另一方面，润滑油28天的光降解率最大值为8.2%，平行测定的最大误差为2.5%，润滑油的检测数据均具有较好的重复性和稳定性；文献已报道的豆油基润滑油的生物降解率公布值为77.9%，运用本方案得到的降解率数据比已报道的单一因素作用下的降解率要高，说明在微生物和光照的综合作用下，润滑油的降解效果均比单一因素生物降解的效果要好，证明了本实验方案的可行性。