通过ASTM D6866测量燃料的生物质含量

Biobased
ASTM D6866是ASTM 国际标准组织(前身为美国材料试验协会)制定的标准测试方法,该方法使用放射性碳含量分析来确定固态、液态和气态样品的生物基含量。因为它可以用来分析任何类型的样品,因此被认为是一种针对不同类型的生物燃料进行分析非常好的方法。

ASTM D6866于2004年首次发布,此后版本经过多次修改— ASTM D6866-04, ASTM D6866-04a, ASTM D6866-05, ASTM D6866-06, ASTM D6866-06a, ASTM D6866-08, ASTM D6866-10以及ASTM D6866-11 。现行标准版本为ASTM D6866-12,于2012年5月11日开始生效。

放射性碳定年方法可能已经开始用作考古学和其他化石研究的工具,但它现在已经有其他应用,特別是应用于生物基材料的生物成分的量化。

为了说明ASTM D6866如何应用于生物燃料测试,让我们用生物柴油作为例子(参考以下解释)。

ASTM D6866结果与解释

使用ASTM-D6866来检测二氧化碳排放中“生物基含量”与碳定年的原理类似,但是不使用其计算年龄。这种检测方法是通过检测未知样品中放射性碳(C14)的相对含量与现代大气中放射性碳含量的标准进行比较完成的。报告结果的单位为”pMC”百分比含量。如果被检测材料是混合着现代材料和化石材料(不含有放射性碳),那么pMC值便直接是生物基材料的百分比含量。

混入化石碳的现代碳样品将降低样品测试的pMC值。将有105pMC的现代生物材料和0pMC的化石(石油煤炭等及其衍生物)材料混合,测量得出的pMC值将直接反应两种材料的比例。一个100%来源于现代大豆的产品测量結果接近105pMC。如果材料混入了50%的化石材料,那么测试结果应该接近53pMC。

此份报告的结果中不含有任何材料來源。这个情形可能存在于现实条件下。此份报告中引用的相关值有6%的绝对范围(+/-3%)来说明放射性碳可能存在的偏差(这是最保守的估计值)。同时, 我们假定所有材料均来自于现代生物或是化石材料,无任何“ 旧”的材料在生产过程中。最保守的解释是这个值就是此样品中含有生物基的最大值。

官方ASTM D6866页

放射性碳定年

放射性碳定年首先开始于1947年,大气上层的宇宙射线连续撞击氮气产生放射性同位素碳14或放射性碳。该同位素于氧气结合形成二氧化碳,二氧化碳随后沉降到生物圈被植物吸收,然后植物又被动物吃掉。

碳14经过放射性衰变不断流失,但是通过宇宙射线的连续生产获得平衡。一切现代生物,即植物和动物,都具有相同的碳14浓度。但是,当植物或动物死亡后,体内的碳14不再与大气更换,遗体或化石中的该同位素含量逐渐减少,最后基本上什么都不剩了,这个过程大约需要5万年。

放射性碳定年测试可以精确地测试各种材料的碳14含量。从碳定年结果可以计算出植物或动物死亡的时间。碳定年系統是考古学、地质学和其他地球科学不可缺少的工具。

放射性碳定年是核化学与物理学的一个分支。由于碳14含量很少,因此其测量技术必需是最敏感的。目前使用辐射定年和加速器质谱测量两种方法。

辐射测年和加速器质谱测试

辐射定年原理是测量碳14衰变时产生的辐射,而加速器质谱法直接测量样品中的碳14浓度。这两项技术都有很多辅助仪器,以及测量前复杂的化学样品制备。

对于辐射和加速器质谱这两种技术方法来说,样品预处理很重要。这些技术的程序有很大的不同,取决于被测量材料的类型。步骤包括各种消除多余材料的物理和化学操作。这两项技术的预处理步骤是不同的,但都涉及高真空操作。

在辐射测试中,样品在一个专门的真空系统中燃烧,产生二氧化碳。接着二氧化碳和熔融锂结合产生碳化锂。冷却后,碳化锂与水反应产生乙炔。乙炔净化后,最后使用矽铝催化剂转化为苯。这些程序都在玻璃真空系统中进行。苯,即92%的碳,与闪烁液体化学品混合,放在液体闪烁计数器上,供放射性检测。一般来说,样品将在计数器上保留两天,以累积足够的计数,反应合理的统计数字。随后现代标准材料和背景材料也将在同一计数器上进行测量。

在加速器质谱法中,样品先燃烧为二氧化碳,然后被提取。二氧化碳在一个专门的玻璃真空管中与氢反应形成石墨。石墨是100%的碳,被放置在铝靶托内,然后繁殖在粒子加速器上供測量。分析大约需要30分钟。和辐射技术方法一样樣,现代样品和背景样品随后将以同样的方式进行测量。

此外,还需对所有样品进行稳定同位素碳13的分析。这对被测量的碳14值的校正很重要。碳13的测量是放射性碳定年的一个不可分割的组成部分,虽然它不适合准确测定混合物中的可再生和化石含量。