《Journal of Separation Science》：Evaluating the Limitations of One-Dimensional High-Temperature Gas Chromatography - FID for Wax Solution Analysis: A Systematic Study
评估一维HTGC-FID在石蜡溶液分析中的局限性：系统性研究
1 引言
石蜡沉积是石油和天然气工业面临的主要流动保障挑战之一。在最坏的情况下，生产管道会完全被蜡堵塞，必须进行机械清除，从而导致严重的生产和经济损失。蜡沉积过程本身非常复杂，受两组主要变量影响。第一组与环境因素有关，包括流动状态和系统所承受的温度梯度。第二组涉及含蜡流体的固有性质，如蜡析出温度、其流变行为以及流体组成。
在流体组成方面，表征其中的石蜡时需要特别注意。石蜡是碳数高于18的烃类，在饱和烃、芳香烃、胶质和沥青质分析中被归类为“饱和烃”。石蜡流体的碳数分布谱定义了系统的结晶行为。如果大多数化合物是碳数在18-40范围内的直链石蜡，则该系统被称为粗晶系统。在此类系统中，石蜡可以高效堆积，倾向于形成细长的板状晶体，增加体系粘度。相反，非线性石蜡（如异链烷烃或环烷烃）的存在会破坏粗晶系统的有效堆积。这种破坏导致微晶系统的形成，其中石蜡形成更小的球形晶体，产生的体系粘度比粗晶系统低得多。微晶结构的另一个相关来源是碳数（及分子量）的高度多分散性。在同时含有轻质石蜡和重质石蜡的系统中，链长的显著差异阻碍了有效的晶体堆积，促进了微晶结构的形成。
烃类通常是挥发性化合物；然而，石蜡包含分子量较高的较大分子，因此表现出中等到低的挥发性。这一特性需要使用高温气相色谱来获得流体表征中足够的分析性能。尽管文献中许多涉及原油和蜡沉积的研究使用HTGC进行石蜡表征，但只有一小部分工作将重点放在流体的详细化学表征上。在大多数情况下，HTGC被用作辅助技术，其结果的讨论有限。设备、工具和技术的重大进步显著提高了色谱分析在石油系统中的效率。全二维气相色谱提供了更大的色谱空间，能够检测和量化在一维GC中会共流出的多种化合物。将GC×GC或HTGC×GC与质谱联用，可以对石油烃中不同的分子族进行更深入的分析，而使用软电离技术则能够表征和量化含有杂原子的极性分子，这对于防止设备腐蚀和乳液形成是相关信息。
从实际角度来看，大部分石蜡表征仍然使用一维HTGC进行，因为这是ASTM D5442规定的方法。在这种情况下，文献中一个常见的疏忽是忽略了非线性石蜡和碳数超过粗晶范围的重质石蜡。这种简化通常导致将石蜡视为碳数仅在18-40之间的直链石蜡。这种方法构成了一个重要的限制，因为详细的石蜡组成直接影响系统的结晶行为，进而影响其流变和热学性质。
使用一维HTGC时，必须考虑两个主要误差来源。第一个源于仪器在实现足够高的温度以定量表征石蜡（特别是非挥发性的重质石蜡）方面的局限性。第二个与样品制备有关，因为包括ASTM D5442规定的传统方法，在进样前依赖于溶剂基的石蜡溶液。Ashbaugh等人通过小角中子散射测量证明，即使在蜡溶解温度以上，石蜡分子在溶液中仍可能保持聚集状态。因此，虽然不再处于固态，但不能被认为是完全溶解的。
在这项工作中，我们定量评估了一维HTGC在量化石蜡蜡方面的局限性。采用了与ASTM D5442相似的实验设置。色谱结果与使用成熟的差示扫描量热法获得的结果进行了比较，后者通常用于测定原油中的石蜡含量。基于此比较分析，我们提出了关于影响HTGC分析误差的主要因素的相对贡献的解释。鉴于石蜡组成对含蜡系统物理化学性质的重大影响，我们相信这项工作将有助于石油和天然气行业选择合适的石蜡表征实验设置，理解方法的固有限制，并更准确地解释从一维HTGC-FID分析中获得的结果。
2 方法/应用
2.1 材料与样品制备
使用以下溶质制备储备溶液：正十六烷、正二十烷、正三十烷、正四十烷、正五十烷、异十六烷、癸基环己烷和癸基苯。从Solven获得粗晶蜡和微晶蜡。所有样品使用环己烷作为溶剂。
储备溶液通过分析天平称重制备，称取每种溶质和环己烷所需的量以达到所需的重量百分比。每种储备溶液用于制备稀释溶液，进行HTGC分析。在制备稀释样品之前，所有储备样品在60°C的烘箱中保持2小时，以增强储备溶液内的溶解和均一性。稀释液也在储备溶液从烘箱中取出后立即通过称重所需量的储备溶液来制备。然后，加入环己烷至所需终浓度。
2.2 高温气相色谱
所有样品使用配备DB-5 HT柱的Agilent 8890气相色谱仪进行分析。使用氦气作为载气，流速为4 mL min-1。使用氢火焰离子化检测器，氢气作为燃料，流速为30 mL min-1，合成空气作为氧化剂，流速为400 mL min-1，氧化剂-燃料流速比约为10:1。使用氮气作为补充气，流速为25 mL min-1。使用配备10 μL注射器的自动液体进样器将样品转移到色谱仪。使用不分流/分流进样器的不分流模式，隔垫吹扫流速为3 mL min-1，吹扫至分流出口的流速在1分钟时为75 mL min-1。第3.1至3.2节的实验进行三次重复。第3.3节的实验进行两次重复。
实验参数经过优化以达到最高的样品代表性。采用两个评估标准：对于同一重复进样，最佳实验条件定义为产生最大峰面积并能在最宽碳数范围内检测的条件。参数优化中获得的数据在支持信息中提供。HTGC实验中采用的优化实验条件总结在表中。
2.3 定量方法—HTGC
使用校准曲线对研究样品中的石蜡化合物进行定量。校准曲线使用来自Sigma-Aldrich的ASTM D5442定量线性标准构建，该标准含有以下碳数的直链石蜡化合物：12, 14, 16, 18, 20, 22, 24, 26, 28, 30, 32, 36, 40, 44, 50, 和 60，每种在环己烷中的浓度为0.01 wt.%。
校准曲线设计为覆盖包含稀释样品的浓度范围。每条曲线用至少七个石蜡重量百分比浓度点构建。对于C44、C50和C60，排除两个最稀的点，因为它们落在线性范围之外。所有曲线均以三次重复构建。
构建的校准曲线使用线性回归拟合，达到至少0.995的皮尔逊相关系数。为确保与数据的物理意义一致，线性拟合的截距设为零。为覆盖样品中全部的碳数范围，从校准曲线导出的实验斜率使用碳数作为自变量，通过多项式函数进行调整。得到的调整曲线和相应方程在图中呈现。多项式拟合达到0.998的皮尔逊相关系数。
2.4 差示扫描量热法
DSC实验在TA Instruments的Q2000量热仪中进行。样品装入铝盘中，然后密封并插入DSC仪器。DSC运行从70°C开始，以1°C min-1的速率冷却至-10°C，跟踪在此温度范围内发生的所有热事件。实验前，使用铟标准对量热仪进行校准。在量热仪池中使用氮气作为吹扫气体。
使用TA Universal Analysis软件处理数据。通过结晶峰的积分获得石蜡含量，使用了文献中介绍的方法。
3 结果与讨论
在这项工作中，研究了与蜡沉积研究相关的三个变量：石蜡化合物的分子量、系统结晶度和石蜡化合物的分子结构。分子量分布显著影响沉积物的老化行为。系统结晶度影响其若干物理化学性质。最后，石蜡化合物的分子结构通常被过度简化，它在决定系统结晶度方面起着关键作用。
3.1 石蜡分子量的影响
首先检查的变量是石蜡的分子量。为此，分别制备了线性烃的1 wt.%储备溶液。每种储备溶液随后稀释至5 × 10-4、2 × 10-3和5 × 10-3wt.%的浓度。然后通过HTGC分析稀释样品。使用相应的校准曲线确定实验浓度。将这些值与每种稀释溶液的理论浓度进行比较，并使用公式计算相对误差。
从图中呈现的结果可以得出几点考虑。总体趋势表明，随着碳数增加，相对误差也增加。这种行为很可能归因于石蜡的溶解度随碳数（及分子量）增加而降低。C50观察到的相对误差尤其显著，因为该化合物在采用的实验条件下几乎无法检测到。这对于未知样品的表征尤其重要，因为重质石蜡的存在显著影响含蜡系统的物理化学行为。事实上，文献中已报道了使用重量法来量化碳数高于50的石蜡的替代方法，明确承认了HTGC在有效分析此类高分子量物种方面的局限性。
在C30和C40之间观察到行为的显著变化，这恰好是文献中许多研究停止对含蜡流体进行色谱表征的碳数范围以上。对于低于C30的碳数，样品稀释导致相对误差减小。相反，对于高于C30的碳数值，增加样品浓度会降低相对误差。轻质和重质石蜡之间的这种对比行为可归因于溶解度和样品均一性的差异。对于轻质石蜡，溶液中分子聚集的程度相对较低；因此，增加浓度会促进聚集，降低样品均一性，并恶化GC分析的采样代表性。相反，重质石蜡即使在最稀释的条件下也表现出显著的聚集程度，这解释了这些样品观察到的持续高相对误差。增加重质石蜡溶液的浓度不会显著恶化聚集；相反，它增加了注射等分试样中存在的聚集体数量，从而改善了采样的统计代表性，进而降低了相对误差。这种现象在图中示意性说明。
进行了浊度测量以获得支持聚集假说的额外实验证据。浊度测量的方法和结果在支持信息中提供。在5 × 10-3wt.%的浓度下，比较纯溶剂与C16或C40溶液的浊度，未观察到显著差异。这一结果表明形成的聚集体是纳米级的，正如先前通过SANS检测到的那样。因此，具有宏观澄清溶液并不能保证胶体尺度上的均一性。
Dirand和Senra的工作研究了多分散性对溶液中正构烷烃结晶的影响。作者观察到高分子量石蜡的存在增强了低分子量石蜡的溶解度。基于这些发现，我们检查了含有C20和C40的系统中色谱分析的相对误差，结果显示在图中。结果表明，C40的存在显著降低了C20的相对误差，即使在高浓度下也是如此，因为C20溶解度的改善有助于系统更好的均质化。
正如Dirand和Senra也报道的那样，虽然轻质石蜡的溶解度因重质石蜡的存在而增强，但相反的效果不会发生。也就是说，轻质石蜡的存在不会增强重质石蜡的溶解度，这反映在图中显示的混合系统中C40相对误差的增加，其中石蜡总浓度的增加可能促进了C40的聚集，导致更高的相对误差。
3.2 系统结晶度的影响
本节评估HTGC在表征粗晶和微晶石蜡系统中的性能。每个系统的色谱图在图中给出。所有储备溶液均稀释至≈2 × 10-1wt.%的浓度用于HTGC分析。图中呈现了纯粗晶和微晶样品以及1:1混合系统中单个石蜡化合物的HTGC定量结果。
碳数分布在粗晶系统中大致呈正态分布，在微晶系统中呈双峰分布，这是石蜡流体的典型特征。对于所有三个系统，当使用最稀释的储备溶液时，可检测的碳数区间变窄。这是因为位于分布边缘的化合物浓度较低，稀释后，其浓度降至HTGC检测限以下。尽管这些物种单独存在的量很小，但忽略它们可能会在估计样品总石蜡含量时引入显著误差。在粗晶和微晶系统之间观察到一个显著差异，体现在y轴上确定的石蜡质量分数的数量级。尽管两种储备溶液具有相同的标称浓度，但微晶系统中每个单独石蜡化合物的浓度几乎是粗晶系统的五倍。由于微晶系统的平均碳数显著更高，无效溶解更为明显，导致样品均质化差，并因不规则采样而增加HTGC的相对误差。聚集的程度可能非常严重，以至于为15 wt.%微晶储备溶液确定的石蜡质量似乎高于20 wt.%溶液获得的质量。因此，如果储备浓度未知，色谱分析可能会误导性地表明15 wt.%溶液比20 wt.%溶液含有更多的石蜡。
混合系统包含与纯粗晶和微晶系统相同的总石蜡含量，组成在两组之间平均分配。每个石蜡化合物的确定浓度表现出与纯粗晶系统观察到的相似数量级。这加强了重质石蜡的存在（微晶样品的主要成分）不会促进轻质石蜡的聚集；相反，它增强了它们的溶解度的解释。检查图中的数据时，出现一个有趣的问题：10 wt.%混合系统中确定的石蜡浓度是否对应于在纯粗晶或微晶系统中观察到的浓度为5 wt.%的各自浓度之和？
这个问题的答案呈现在图中，这导致了两个关键观察结果。首先，由于混合样品中实验确定的浓度超过了相应纯样品之和，这进一步证明了重质石蜡（主要在微晶石蜡中发现）的存在增强了轻质石蜡的有效溶解度，从而提高了HTGC分析的质量。其次，纯样品浓度之和与混合样品浓度（均为实验确定）之间的偏差，在稀释情况下比在浓缩情况下更为明显。
为了进一步研究样品浓度与HTGC分析相对误差之间的关系，计算了每个纯系统和混合系统中总石蜡含量的相对误差。结果呈现在图中。
对图的分析表明，对于所有三个系统，相对误差在浓度两端（最稀释和最浓缩的条件下）都有所增加，遵循近似抛物线趋势。这种行为可以解释如下。在高稀释度下，丰度较低的化合物降至检测限以下。例如，在2 wt.%的粗晶样品中，检测到的化合物比10 wt.%样品少了九种，导致相对误差增加。相反，增加储备浓度产生两种竞争效应：它扩大了可检测的碳数范围，但也促进了石蜡聚集，从而影响了HTGC定量。例如，在20 wt.%的粗晶样品中，检测到的重质化合物比10 wt.%样品多了三种；然而，10 wt.%样品的相对误差要低得多，突出了检测范围和聚集效应之间的权衡。这些发现表明，浓缩样品对定性分析有益，因为它扩大了可检测的石蜡范围，但可能在定量分析中引入显著误差。因此，对于定量目的，必须仔细选择稀释和浓度之间的最佳平衡，以最小化分析误差。
在所有浓度水平上，主要由重质石蜡组成的纯微晶系统始终表现出高相对误差，在所有情况下都超过40%。这种行为可再次归因于石蜡聚集导致的样品均一性差，即使在稀释条件下也是如此。因此，当使用当前的HTGC设置分析纯微晶样品时，结果应主要从定性角度进行解释，在可靠定量方面存在很大局限性。
有趣的是，混合系统的相对误差低于纯粗晶系统，对于三个最稀释的样品，尽管其一半组成为微晶石蜡，而单独分析时表现出较大误差。这一观察结果进一步支持了上一节得出的结论，即重质石蜡增强了轻质石蜡的有效溶解度，从而改善了样品均一性。相反，对于两个最浓缩的混合样品，相对误差超过了纯粗晶系统。这表明，在此浓度范围内，由微晶石蜡比例增加驱动的聚集超过了轻质石蜡的溶解度增强。此外，样品中高浓度的重质石蜡可能阻碍分析物的有效汽化，进一步导致相对误差增加。
为了进一步支持这些解释，将HTGC结果与使用成熟的DSC方法测定溶液中石蜡蜡浓度的结果进行了比较。比较结果呈现在图中。
从图中可以得出两个主要观察结果。首先，当比较具有相同石蜡组成但不同浓度的样品时，从DSC分析获得的相对误差也表现出在HTGC结果中观察到的近似抛物线趋势。这种行为表明，由于两种方法都依赖于基于石蜡溶液分馏的相似采样程序，样品均一性不足引起的误差会影响这两种技术。其次，与DSC方法相关的相对误差低于HTGC获得的误差。这种差异表明HTGC分析中存在另一个重要的误差来源，很可能与重质石蜡的不完全汽化有关。
基于这些结果，可以强调三个关键考虑因素：重质石蜡存在下轻质石蜡溶解度的增强，直接通过改善样品均质化影响色谱性能。对于定量分析，需要在稀释和浓度之间仔细平衡，因为两者都会引入竞争效应：过度稀释可能导致丰度较低的化合物低于检测限，而过度浓缩会促进石蜡聚集，从而降低分析准确性。对于定性分析，建议浓缩样品以最大化可检测碳数范围。影响基于ASTM D5442方法的HTGC石蜡分析的两个主要误差来源是：石蜡溶液均一性不足以及所有分析物（特别是重质石蜡）的不完全汽化。值得注意的是，这里讨论的考虑因素也适用于原油表征，原油通常涉及具有高碳数多分散性的系统。
3.3 石蜡分子结构的影响
考虑到考虑非线性石蜡化合物对于更好地理解含蜡系统的物理化学性质和改进蜡沉积预测的重要性，本节研究了使用一维HTGC-FID实验设置表征和量化这些化合物时应考虑的限制。尽管文献中的一些研究提供了原油样品中所有烃类的详细表征，但这些研究是使用全二维GC和质谱进行的，这与本工作的范围不同，本工作专注于一维HTGC-FID。
FID检测器本身无法确定检测到的烃类的分子结构，因为它依赖于外部标准将给定化合物分配给色谱峰。由于无法获得原油样品中存在的所有众多烃类的分析标准，本研究的目的是评估是否可以从HTGC-FID数据中提取系统模式，以实现非线性石蜡的表征和量化。
图中呈现了针对C16石蜡不同分子结构获得的校准曲线。所有四种异构体的拟合校准曲线斜率非常相似。这种行为是预期的，因为FID响应主要与分析物的碳数成正比，并且很大程度上与其分子结构无关。基于这些结果，在没有特定异构体的特定分析标准的情况下，可以使用另一种异构体的校准曲线作为其定量的近似，但存在方法固有的不确定性。
然后评估了建立系统模式的可能性，该模式将允许色谱方法在没有外部分析标准的情况下将峰分配给可能的分子结构。在图中，环烷烃和芳香族C16化合物的保留时间比其直链C16对应物稍长，但仍早于直链C17洗脱。相比之下，支链C16化合物的保留时间明显短于其他C16异构体，仅略微超过直链C13。这种行为严重限制了建立基于保留时间的通用趋势以进行非线性异构体峰归属的可行性。由于支链C16的保留时间与环烷烃和芳香族C13的保留时间窗口重叠，预计在其他碳数上会有类似的趋势，使得仅基于保留时间模式来区分分子结构不可靠。
这些结果提供了重要的见解，表明假设n-C15和n-C16之间的所有组分对应于C16异构体是不准确的，这是在色谱表征中常采用的一种简化，与压力-体积-温度分析相关，压力-体积-温度分析是原油的一项重要表征，可提供其在储层条件下的物理化学性质。
进一步的观察可能会进一步削弱为非线性化合物分配色谱峰建立清晰趋势的可能性。首先，本研究仅评估了一种与C16相关的支链化合物。然而，C16存在许多其他支链异构体，这将进一步增强保留时间谱的复杂性。其次，对于更高的碳数，必须考虑额外的烃类，如多环芳烃和多环环烷烃。这些化合物的存在将进一步增加每个碳数内保留时间分布的复杂性，使得建立不与来自其他碳数的化合物重叠的保留时间模式更具挑战性。
在这种高度复杂且存在广泛峰重叠的情况下，全二维气相色谱成为提高色谱分辨率的宝贵替代方案，因为它能够更可靠地表征非线性石蜡化合物。
4 结论
在文献中，用于表征和量化来自不同基质的石蜡的常规样品制备方法包括将石蜡溶解在有机溶剂中，然后注入HTGC-FID。即使在蜡溶解温度以上，实现石蜡化合物的有效溶解仍然具有挑战性，导致溶液在胶体尺度上不均一，因此缺乏分析代表性。因此，该样品制备程序给分析引入了显著的不确定性和系统误差。
溶剂基的样品制备方法由ASTM D5442规定。在此背景下，本研究系统地调查了一维HTGC-FID在不同石蜡系统中量化石蜡化合物的能力和局限性。此外，通过比较HTGC结果与使用成熟的DSC方法测定溶液中石蜡含量的结果，检查了观察到的分析误差背后的潜在驱动因素。结果表明，当通过HTGC量化石蜡时，必须考虑两个主要误差来源：石蜡溶液缺乏有效的均一性以及分析物（特别是在含有重质石蜡的系统中）的不完全汽化。
结果进一步强调了分子量与色谱定量误差之间的明确关系。轻质和重质石蜡在溶液中都表现出聚集，这对HTGC性能产生不利影响。
然而，重质石蜡的聚集要明显得多。对于轻质石蜡，HTGC定量误差随浓度增加而增加，而对于重质石蜡则观察到相反的趋势。总体而言，与重质石蜡相关的定量误差远高于轻质石蜡，突显了通过一维HTGC-FID准确表征高碳数物种的内在困难。
关于样品中的总石蜡含量，过度稀释会增加分析误差，因为浓度较低的组分低于检测限。相反，过度浓缩也会通过增强石蜡聚集而增加误差，从而损害溶液均一性并恶化采样代表性。因此，当需要进行定量分析时，必须仔细平衡稀释和浓度的相反效应，以确定最佳工作浓度，这是系统依赖性的，并随石蜡组成而变化。当定性分析是主要目标时，建议浓缩样品。在本工作采用的实验条件下，约为≈2 × 10-1wt.%的浓度可最大化可检测碳数范围。
先前使用其他实验技术的报告已证明，重质石蜡增强了轻质石蜡的溶解度。由于HTGC定量的一个重要误差来源源于均一性不足导致的采样不良，这种溶解度效应在提高分析准确性方面起着至关重要的作用。在这项工作中，这种现象在两种不同的情况下进行了检验：具有C20和C40的模型系统以及由粗晶和微晶石蜡组成的混合系统。在这两种情况下，重质石蜡的存在提高了HTGC分析中轻质石蜡的定量准确性。
最后，没有发现一致的保留时间模式，可以在没有外部分析标准的情况下可靠地区分石蜡分子结构。鉴于非线性石蜡在定义蜡沉积物理化学性质方面的重要性，它们的准确表征和量化需要更先进的分析方法，例如将HTGC与质谱或全二维气相色谱联用。
