人体润滑剂是干什么用的_润滑剂生物降解性能试验方法研究进展

　　摘要：介绍了现行的润滑剂生物降解性试验方法，分析了这些测定方法的原理、应用范围和发展方向。综合比较了各种方法的优、缺点，直接测定CO2方法重复性较好，但测试物浓度要求高,不适用于难溶、挥发性物质；测定DOC试验环境影响较大；BOD/COD测定试验适用于难溶、挥发性测试物，但测试生物降解的潜能低，灵敏性较差；红外光谱测定方法，适用于液压油等挥发性润滑油，但重复性和再现性不好。��
　　关键词：润滑剂；生物降解；试验方法 中图分类号：TE626.3 文献标识码：A��
　　
　　0 前言�
　　
　　环境是人类及其他生命赖以生存的基础，随着日益严格的环保要求，国际社会对润滑剂排放措施控制越来越严。虽说润滑剂使用技术在不断进步，但仍造成很多油污染［1］。例如在欧洲润滑油总量的13%进入了环境，而在美国32%的润滑油进入环境，它们对环境造成很大影响［2］。世界各国都相继开始环境友好润滑剂的研究，以达到环境保护和可持续发展的要求。所谓环境友好润滑剂是指润滑剂除满足润滑剂的使用性能外，其组分及耗损产物对生态环境不造成危害, 或在一定程度上为环境所容许。润滑剂的生物降解性能是其环境友好性最主要的指标。�
　　研制开发可生物降解润滑剂，首先要有适合的考察生物降解性能的试验方法。目前，评价润滑剂的生物降解性还没有国际通用的方法，但有多种试验方法可用于测定化合物或混合物的生物降解性。最常用的有OECD 301系列、ISO、ASTM以及CEC L-33-A-93等较成熟的方法。本文对这些试验方法进行了对照比较，说明各种试验方法的优势和不足，以及发展研究方向，为开发环境友好润滑剂选用适合的生物降解试验方法提供参考。�
　　
　　1 润滑剂生物降解试验测试机理�
　　
　　润滑剂生物降解性即润滑剂受生物作用分解化合物的能力。润滑剂生物降解过程实际上就是在微生物作用下油品氧化的过程，常伴随着与降解有关的现象，如：物质损失，生成二氧化碳（CO2）、水(H2O)，耗氧（O2），能量释放（产生热量）和微生物增加。生物降解试验方法就是基于测量原物质损失和新物质产生的现象，通过量化表征生物降解过程中产生的现象来衡量生物降解性能。根据测试指标的不同，主要分为以下几种：�
　　（1）检测生物降解过程中产生的CO2，以其为度量指标来评判生物降解能力，代表性的方法有改进的STURM法、ISO标准方法、ASTM标准方法等。�
　　（2）检测生物降解过程所消耗的O2，以其BOD/DOC为度量指标来评定生物降解能力，如改进的MITI法。�
　　
　　（3）检测生物降解过程前后被降解化合物的变化，以其为度量指标来评定生物降解能力，如CEC L-33-A-93法。�
　　
　　2 润滑剂生物降解试验方法�
　　
　　国外在开发环境友好润滑剂的同时，对润滑剂生物降解性能试验方法做了大量研究。国外先后发展出欧洲经济合作发展组织OECD系列方法、欧洲协作委员会CEC L-33-A-93方法、国际标准化组织ISO系列方法、美国材料试验协会ASTM方法等较成熟的试验方法。但到目前为止，还没有一个普遍接受的测定润滑油生物降解性的标准。�
　　从80年代开始, 为了评定舷外二冲程发动机油的生物降解性能, 欧洲协作委员会制定了CEC L-33-T-82 试验方法, 1993年欧共体正式批准为CEC L-33-A-93试验方法, 目前已成为润滑油行业的标准测试方法。欧洲经济合作发展组织1981年提出的OECD 301系列以及其后发展的系列方法也被欧洲所接受，可用于测定有机化合物生物降解性的试验方法。国际标准化组织（ISO）针对生物降解性测试方法也制定了一些标准，如ISO 9408、ISO 9439、ISO 14593。美国材料试验协会（ASTM）在参照ISO和OECD标准的基础上，制定了一系列的生物降解性测定试验方法，如ASTM D5864、ASTM D6139、ASTM D6731等。下面分别对这些试验方法进行说明，对照比较各种试验方法的优势和不足，以及改进、发展方向。�
　　2.1 OECD系列生物降解试验方法�
　　欧洲经济合作发展组织1981年提出的OECD 301A、301B、301C、301D、301E、301F［3-8］以及其后升级的系列方法是被广泛接受的生物降解测试方法。�
　　试验方法的基本原理就是测试物的溶液或悬浮液在菌种培养介质中，有氧状态下，在黑暗或微弱光线条件下进行震荡孵化。孵化分为三个阶段：初期（延迟期）、降解期和高原期，如图1所示。孵化期间，在微生物作用下，测试溶液中溶解的有机碳（DOC）不断减少，测试容器中的氧不断消耗，测试物质生物降解生成二氧化碳(CO2)和水（H2O）。通过测定DOC的减少、O2消耗或CO2变化等指标，来测试化合物的生物降解性能。同时，进行不加测试化合物的空白平行试验。测试一般进行28天，但对于生物降解性能好的测试物，降解速度快，会较早到达高原期，提前结束试验；而对于到28天时已明显出现降解现象，但是仍未达到高原期的试验可以延长1～2周完成试验，但是这种情况则说明此物质不具有快速生物降解性。
　　根据所测试化合物的物化性质，如水溶解性、挥发性和吸附性等来选择适当的测试方法。如水溶性强（>100 mg/L）的化合物可选用任一种方法，但规定是非挥发和非吸附性的物质。对于不溶、难溶于水、非挥发物质的测试方法选择如表1所示。�
　　
　　对难溶于水的物质的测试可选用301B、301C、301D和301F，但要注意测试容器的均匀性。而对于中度挥发的物质可选用301F测试方法，而此情况下需要选用合适的塞子，做好非生物控制，防止物理性损失而造成测试误差。�
　　2.1.1 改进的STURM试验�
　　将待测物置于装有矿物基质和菌种培养介质的试验烧瓶中，用超声波震荡使试验物充分摇匀，在规定的温度条件下进行孵化试验。试验瓶通入不含CO2的空气，并用不含试验物质的试验瓶做参比试验。生物降解过程中产生的CO2由装有氢氧化钡的试验瓶吸收，未消耗的氢氧化钡用盐酸滴定，由此确定生物降解过程中产生的CO2。生物降解性由被测物质与参比试验在试验期间产生的CO2之差值占被测物质碳含量所能产生的CO2的百分比来确定。试验在室温下进行，用苯胺作标准参比液，检验菌种培养介质的活性。试验时间为28天。�
　　快速生物降解的通过指标是CO2产生率大于60%理论CO2量。要达到通过值，必须在28天时间内，达到试验10天窗口，[JP2]即其生物降解率必须大于10%理论CO2量时开始，第10天时生物降解率10天必须大于60%理论CO2量，否则认为试验不能通过。�
　　2.1.2 改进的MITI（Ⅰ）试验�
　　将待测物置于装有矿物基质和菌种培养介质的试验容器中，用磁波震荡使试验物充分摇匀，在规定的温度条件下进行孵化试验。试验容器密闭并通入氧气，同时用不含试验物质的试验容器做参比试验。氧气消耗量用一个自动封闭系统氧气测定仪连续测定。生物降解性以被测物质与参比样在试验期间内所耗氧的差值与试验样品完全氧化所需氧的比值的百分率计算。快速生物降解的通过指标是CO2产生率大于60%理论BOD/DOC量，10天窗口概念不用于MITI试验。�
　　2.1.3 压力呼吸计量法�
　　将待测物置于装有矿物基质和菌种培养介质的试验容器中，密封测试瓶。震荡充分摇匀，在规定温度条件下进行孵化试验。同时，用不含试验物质的空白菌种试验容器做参比试验。试验中，氧气的消耗既可通过测试保持呼吸计瓶体积恒定的氧的数量来测定，也可通过测试仪器中体积变化或压力变化，或二者综合变化来表征。产生的CO2可用KOH溶液吸收。[JP2]生物降解期间菌群消耗的氧量表述为理论耗氧量（ThOD）百分比，也可表示为COD。测试物最终的生物降解性也可通过分析BOD来计算。试验时间为28天。快速生物降解的通过指标是CO2产生率大于60%理论BOD量，10天窗口概念同样适用。�
　　2.1.4 OECD几种生物降解方法的优势和不足�
　　
　　OECD 301系列几种生物降解试验方法，已被广泛接受，重复性和再现性较好，但多数方法要求测试物浓度都较高［9］。这种高计量浓度不适于考察抑制性和菌种微生物种类的影响。301D封瓶试验法需要测试物浓度较小，但是此试验方法测试生物降解的潜能低，限制了此方法的应用。301F压力呼吸计法，可减低测试物计量进行测试，但理论耗氧量至少大于2.5 mg/L才能检测到生物降解发生。此外，测试CO2变化和O2的消耗，受外界空气中CO2和O2影响较大，因而测试准确性受到影响。如301B改进的STURM法测试,容器中存留CO2作为溶解的无机碳（DIC）其浓度会加速生物降解过程。当有机碳完全消除，CO2被吸收，溶解的无机碳的浓度渐渐下降，并在孵化结束时近于达到0。表2介绍了OECD方法的测试条件。
　　2.2 CEC试验方法�
　　2.2.1 方法概述�
　　将装有矿物基质和菌种培养介质的试验瓶孵化0～21天，将另一个装有有毒样品的试验瓶（不含培养介质）和装有参比测试物的试验瓶进行参比试验。试验温度为（25±2） ℃。在孵化结束时，测试瓶放入摇床，样品用超声震荡，酸化，并用1，1，2－三氯乙烷萃取，萃取物用IR光谱分析，测定CH3-CH2-基团中C-H键在波数为2930 cm-1处的吸收。生物降解性表示为有毒测试瓶和各个测试瓶之间残余测试油百分比差别。润滑剂生物降解性能可参照试验样品与污染样品结果计算。试验有效性要求：参考油的平均值必须在控制溶液的95%～110%之间；参考油的生物降解结果数值必须在CEC参考标油数据标准再现范围内；参考油和测试油的有毒测试瓶测试结束后剩余油的含量都必须大于80%。表3给出了CEC L-33-A-93的试验条件。�
　　2.2.2 CEC试验方法的优点和缺点�
　　欧共体正式推出CEC L-33-A-93［10］试验方法, 最初是用于评价二冲程舷外机油在水中生物降解性的试验方法，后也用于测试含有C-H结构液压油，已成为润滑油行业中应用广范的生物降解性测试方法，[JP2]但CEC建议不要把这方法用于任何其他方面。此方法测定残余油的含量, 因此可测定有能量产生、释放CO2和有细菌生长的物质, 还可用于测定生物降解的生化过程等。另外，此方法反应的重复性和再现性不好，重复性测试差别在14.8%以内即可，而再现性差别更扩至25.2%，因而可比性较差。��
　　2.3 ISO标准方法�
　　
　　国际标准化组织制定的生物降解标准试验方法，按照测试表征方法的不同，制定了ISO 7827［11］，表征DOC值；ISO 9408［12］，呼吸计计量法；ISO 9439［13］，测试CO2的变化；ISO 10708［14］，封瓶试验法；ISO 14593［15］，顶部空间CO2测试等。�
　　2.3.1 ISO 9439方法�
　　将矿物基质、菌种和测试物置于试验烧瓶中，搅拌震荡均匀，在规定的温度、黑暗或弱光环境下进行孵化降解。试验瓶通入不含CO2的空气，并用不含测试物的试验瓶做参比试验。生物降解过程中产生的CO2导入另一容器，由装有氢氧化钠或氢氧化钡的试验瓶吸收。分别通过测定氢氧化钠溶液中无机碳的方法或用盐酸滴定剩余氢氧化钡的方法来测定生物降解过程产生的CO2。测试物的生物降解性用产生的CO2和理论产生的CO2的百分比来确定。试验用苯胺作标准参比液，检验菌种培养介质的活性。试验进行28天，开始试验时溶解的无机碳（DIC）应小于5%；到第14天时，测试瓶生物降解大于60%；试验结束时pH值在6～8.5范围内，并且空白测试瓶内CO2的浓度在40～70 mg/L，则认为试验有效。�
　　2.3.2 ISO 14593方法�
　　ISO 14593方法是通过分析密封容器中的无机碳的方法（顶部空间CO2测试）来评定润滑剂生物降解性能的方法。测试化合物作为碳和能量的唯一来源，与矿物盐介质、混合的微生物菌种一起置于带有空气的顶部空间密闭测试容器，在足够的震荡速度下和规定温度、黑暗或弱光条件下进行孵化。测试物的生物降解性通过测量产生的全部无机碳和空白测试值对照，计算差值。生物降解性通过产生全部无机碳和完全降解产生的理论无机碳的百分比表示。测试进行28天，到第14天时，测试瓶生物降解大于60%；试验结束时，空白控制瓶的总无机碳量≤15%测试物的有机碳量，则认为此测试合格。�
　　2.3.3 ISO 14593方法中无机碳的测定方法�
　　顶部空间CO2的测量，首先使用适当标准气体校准碳分析器，然后向每个测试密闭容器注入浓的正磷酸使pH2在液相和气相之间贡献的平衡常数大约等于1，即CO2气相浓度等于液相浓度，测试气体中CO2的浓度即为总无机碳的浓度。表4介绍了ISO 9439和ISO 14593的测试条件。�
　　2.3.4 ISO方法的优点和不足�
　　ISO 9439方法适用于测定水溶性好或不溶于水的化合物，非挥发性的物质；对于挥发性物质可用ISO 14593测试生物降解性，且测试物对菌种没有生物毒性和抑制性。这两种方法是基于测试生物降解过程产生CO2变化的方法，测试系统中溶解的CO2成为无机碳，加速生物降解过程［13］；同时，也不能完全排除空气中CO2的干扰，尤其在去除非生物影响过程中会产生不正确的概念。ISO 14593方法测试挥发性物质，减少顶部空间有利于减少测试物流失到测试系统外部，但顶部空间过小，会造成生物降解供氧受限，对完全生物降解形成阻碍。因而顶部空间和液体的比例为1∶2左右为佳。��
　　2.4 ASTM标准测试方法�
　　美国材料测试协会制定了ASTM D5864［16］、ASTM D6139［17］、ASTM D6731［18］三个测定润滑剂生物降解性能的标准方法，以及液压油生物降解性测试指导标准ASTM D6006［19］。�
　　2.4.1 ASTM D5864方法�
　　ASTM D5864和OECD 301B方法近似，将待测物置于装有矿物基质和菌种培养介质的试验烧瓶中，震荡摇匀，在黑暗条件和规定温度下进行孵化降解。试验通过利用氢氧化钡溶液吸收生物降解产生的CO2，然后用盐酸滴定剩余的氢氧化钡来测量产生的CO2的变化。试验温度20～25 ℃，试验时间为28天。试验结束，二氧化碳产生率为60%的液体认为是可生物降解的；如果试验结束时空白瓶测试的CO2浓度超过25 mg/L，则试验无效。�
　　2.4.2 ASTM方法的优点和不足�
　　ASTM D6139方法与ASTM D5864方法近似，测试锥形瓶由4 L改为2 L，减小了测试系统空间对测试结果精度的影响；对测试化合物的毒性做出了要求，测试物在测试浓度下对菌种无毒性和抑制性。ASTM D6731封闭呼吸计计量测试法与ISO 9408和OECD 301F方法相似，测试条件也基本相同，只是再现性和重复性指标还未确定。�
　　相比较而言，ASTM D5864更适用于纯化合物。ASTM D6139指出润滑油及其组分的水溶性和分散性会影响测试结果，并表明以后的测试可能会限制润滑油或组分的溶解性。而且，复杂混合物的性能和那些单个组分并不总是一致的。因而组分的生物降解性可能与组分混合物的降解性是不同的。液压油生物降解性测试，测试物会在介质上部形成高蒸汽压，需要用ASTM D6731或OECD 301F类方法。表5给出了这几种标准方法的测试范围和表征方式。�
　　
　　3 生物降解试验方法分析�
　　
　　分析对照OECD 301系列、ISO、ASTM以及CEC L-33-A-93等生物降解试验方法，各种方法的测试参数见表6，其中CEC方法适用于非水溶性润滑油，OECD 301系列方法主要适用于水溶性润滑油。��
　　有人［20］认为CEC L-33- A-93试验是目前唯一被认可的评价非水溶性润滑油生物降解性的试验方法。但也有人［21-22］认为CEC生物降解性评定方法，它不能明确区别初步降解性和最终降解性。初步生物降解是降解反应的第一步，常用的初步降解测试方法是CEC L-33-A-93。CEC方法应用面较窄，除二冲程舷外润滑油和液压油，其他物质测试可能会产生过高预测最终生物降解性的结果［23］。它不适合于挥发性和水溶性的材料，而且，根据测试物化学结构和物化性质的不同（如聚合物、高挥发、难溶于水化合物）可能需要复杂难解的分析程序。这使CEC方法的应用受到了限制。不久的将来，该方法会被真正的最终降解性试验方法所取代。�
　　这些方法最初大都是为水溶性纯物质来设计的，而且这些方法的一些程序选项是不利于不溶于水的物质的，如测试物质添加到有氧溶液中，都是计算碳含量，而不是直接测定碳含量。OECD 301F等方法用BOD的测量替代CO2的变化，但是BOD和最终生物降解关联并不是很紧密。这些测试BOD的方法比较适用于测试液压油，因为液压油复杂的组成和其较高的蒸汽压，都要求直接测定其碳含量，而不是计算得来。相反，其他类的方法来测定蒸汽压较高的液压油都要失败，因为上述方法使用测试CO2变化来表征生物降解性能，都是通入不含CO2的空气来保持有氧环境。在测试体系空气中任何测试物都将被去除，而液压油在测试介质上部形成高蒸汽压，液压油的组分在未被降解转化成CO2前就从溶液中挥发了，因此测定CO2的变化只能得到较小的结果。如果371 ℃时测试物的挥发性超过5%，则需要用OECD 301F或ASTM D6731方法。�
　　ISO 15462［24］中总结了现在生物降解试验方法的应用。表明应用最多方法的是那些快速生物降解测定法，而近些年，人们对选用表征CO2变化的方法关注越来越多。另外，近年一些作者［25-26］认为因为采用非直接测试CO2的方法很困难，虽然很容易通过了DOC消失测试（OECD 301A和ISO 7827），结果却不能通过10天生物降解10%的指标（OECD 301B或ISO 9439），因此，很多研究者建议采用直接测试CO2的方法。这些建议方法包括顶部空间气体采样法、红外(IR)分析、氢氧化钾溶液捕集CO2测试KOH溶液的电传导率变化等方法，以及一种综合电解呼吸计计量和直接检测CO2的综合方法。因此开发采用综合、简便、连续、在线的检测方法是生物降解性测试方法发展的必然。�
　　
　　4 结论�
　　
　　21世纪是清洁能源时代，日益严格的环保要求必将促使生物可降解润滑剂的广泛应用。而生物降解润滑剂的研发推进测试方法不断改进和发展。本文介绍的试验方法较为成熟, 但与润滑剂污染环境的实际状况还有一定差别, 各种方法都有自身的优缺点。因此，需要对上述试验方法进行进一步的完善和发展, 同时也要探索制定、使用新的试验方法来评定润滑油的生物降解性。
　　
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