徐廣通教授：從中石化的光譜過程分析技術到三聚氰胺

——紀念我國光譜事業30年，第十五屆全國分子光譜學學術會議專家采訪報道系列

     在這個豐收的金秋季節，我國的光譜學界也迎來了屬于自己的收獲――第十五屆全國分子光譜學學術會議在京隆重召開。此次會議的規模、參會人數以及期刊論文數堪稱歷屆會議之最。在會議召開之前，會務組、分析測試百科網、中國光譜網組成了宣傳報道小組，希望盡可能忠實地記錄和紀念我國光譜事業的30年，并展現會議的盛況。

徐廣通教授：從中石化的光譜過程分析技術到三聚氰胺

徐廣通教授

    記者：請您簡單談談您個人的研究經歷。

    徐廣通教授：談到這個話題首先應感謝在學術上給過我指導的幾位導師，上世紀80年代中后期在浙江大學讀碩士期間在陳耀祖院士、竺安教授和侯鏡德教授的指導下從事有機結構和色譜分析的研究工作，到90年代中期來到石油化工科學研究院，本想隨陸婉珍院士從事色譜的研究，陸院士則提出開展一些近紅外光譜的研究，當時近紅外光譜和現在熱熱鬧鬧的場面大不相同，儀器、軟件都沒有現成的，所以在當時我們從儀器的開發到化學計量學方法的研究到應用研究開展了一系列的工作，在當時也許我是第一個從事現代近紅外光譜分析的博士生，隨著近紅外光譜技術的日趨成熟，近年來基于研究院工作的需要，我的工作重點從油品分析逐步轉移到催化劑分析表征上來，對我而言這是個新的領域，這期間閔恩澤院士、陸婉珍院士都給過我很多的指導和幫助，在我從事過的幾個研究方向都能得到大師的指點，應當說我是幸運的，他們的做人、做事方式也對我產生很大的影響。

    這次我們是開光譜會，還是回到光譜的主體上來吧。石科院是中國石化直屬的研究機構，身在企業，我們的科研課題很多是基于生產的需求考慮，近紅外光譜這個學科在國內的引出和發展也正是基于這樣一種“適應生產需求”的思路。按常規方法，石化產品的質量控制具有分析項目多、周期長、人耗和物耗都比較高的特點，而石油化工的生產則開始大規模采用先進過程控制系統（APC），顯然傳統的分析技術滿足不了APC系統的要求，隨著計算機技術的快速發展和化學計量學方法的普及，當時近紅外光譜在國外石化和農業領域的應用已顯現出它的巨大潛力，陸院士認為，光譜的“快”是其他分析技術所不能比擬的，結合我們的生產工藝需求，做出了向光譜領域進軍的決策。

    由于當時實驗室尚沒有商品化的儀器選用，我當時所做的工作主要有三個方面，一是在當時已有的CCD實驗室樣機的基礎上進行改進以使其達到商用機的要求；二是研究近紅外光譜分析中的化學計量學問題；三是以柴油為對象研究近紅外光譜的應用。通過系列的工作使我們對近紅外光譜技術從儀器要求到軟件設計在到實際應用有了系統的認識。當時我們所做的工作對推動近紅外光譜技術在國內的發展多少起到了一點作用，孟廣政老師前些日子通報了一下《光譜學與光譜分析》雜志的論文情況，我們2000年在該雜志發表的一篇系統介紹近紅外光譜的論文有過上千次的引用和幾千次的瀏覽，陸院士還組織編寫了一本《現代近紅外光譜分析技術》的小冊子，也有很高的引用率，成為國內近紅外光譜研究和應用的經典書籍。從那時起，近紅外光譜在石化領域逐步進入實際應用階段，為企業社會和經濟效益的提高發揮了較好的作用。

    記者：請您舉例談談如何通過光譜技術提高企業的效率。

    徐廣通教授：在我們中國石化，通過光譜技術提高運行效率主要表現在兩個方面，一是在生產企業將光譜技術運用于生產裝置運行狀況和產品質量的監控，二是在流通領域，用光譜技術進行油品質量的快速評價。有一個小故事，98年我帶課題組研制的樣機在煉廠進行一些現場考察實驗，煉廠化驗室每天9點之前從不同裝置的采樣口采十幾個樣品，，每個樣品有十多個分析項目，一般情況這是一個班組一天的工作量，當我建立了汽、柴油的分析模型，十多個樣品的主要指標一個人只需半個多小時就完成了，由于沒有試劑和設備消耗，分析的成本幾乎為零，工人們戲稱我帶去了一臺能省錢的“下崗機”。當然數據的快速反饋可以對中間產品和最終產品的質量進行快速的跟蹤，減少甚至杜絕質量事故的發生。在流通領域，油品的來源和周轉是一個比較復雜的系統，一船或一車油到了，質量情況如何需要盡快進行評估，如按老辦法等一天出數據，這等候過程占船、占車、占碼頭的費用都是很高的，而有了光譜快速質量評估的手段，就可以將等候的時間縮到很短，運行的效率自然就大大提高。所以紅外光譜技術在過程在線分析、現場分析領域大有用武之地。

    記者：您能展望一下過程分析技術未來的應用么？

    徐廣通教授：過程分析技術應當說不是一個新名詞，不同的是我們將紅外光譜做為“軟儀表”用于過程分析，和我們過去采用直接測量的儀表不同，紅外光譜測量物料的組成和性質是一種模擬測量技術，是基于光譜儀器測量的光譜和標準方法測量的基礎數據，通過化學計量學方法建立校正模型，即建立光譜與組成或性質數據之間的關系，當快速測量未知樣品的光譜后，通過計算機來處理可快速地預測它的組成和性質。比如在汽油管道調和系統中的應用，在國內，汽油調合至少有3～4個組分，我們有90、93、97號不同規格的汽油產品，不同標號的汽油對于組成、性質的要求是不一樣的，而不同的規格的汽油調合成本也有較大的差異，為保證產品質量合格的同時盡量的減少生產成本，實現生產效益的最大化，我們有個提法叫實現“質量卡邊控制”，即必須要滿足質量要求，但質量指標不能富裕。如生產93號汽油，辛烷值達到93就可以了，你如果是94了，生產成本肯定會提高。因為一個辛烷值單位，大約相當于50多元/噸汽油的成本，如果一個煉油企業2000噸/天的汽油產量，一年因為質量富裕導致的效益損失可能達幾千萬元。光譜分析除在質量卡邊控制中發揮重要作用外，由于其快速分析的特點，能做到實時的控制，在油品“管道調合”系統中也發揮重要作用。所謂“管道調合”就是各裝置生產的調合組分，不要再進儲罐，直接通過管道調合系統生產出不同規格的產品。如果按常規，每一調合組分都搞上一個甚至幾個罐來儲運，油打到組分罐里，再從這個罐打到另個罐進行調合，罐本身要占有大量的“罐區”，不僅增加生產成本，也有了很多不安全的隱患。目前一臺光譜光譜儀器通過光纖接口可對多達8～12個通道的物料進行測量（1分鐘切換一個管道），以滿足多通道的過程分析要求。

    記者：關于過程分析，您覺得除了近紅外還有什么其它方法、儀器嗎？

    徐廣通教授：對于不同的檢測需求可能有不同的優化選擇。在我們這個部門，汽柴油是主要的產品，用近紅外的方式可能比較方便一些（液體、固體樣品且測量的不是微量信息）。對于氣體的樣品，由于靈敏度的原因近紅外的適應性差一些，采用在線色譜更適合。測量的手段一定要負載上樣品的信息，還和測量的目標有關系，有些在線分析用在線小核磁也很方便，測定氫信號。我們的實驗室有十幾個門類的分析儀器，并非最先進的才是最好的。我的觀點是，我們要解決一個特定的問題，要選擇一個最便利、信息最可靠、最適合它的分析工具，最合理的、最便利的也才是最合適、最有效的。在工業控制上，信息可靠性是最重要的。應當指出的是近年來我感覺近紅外光譜在有些部門有應用過度之嫌，甚至成了萬金油，進行了簡單的偏差評估或相關分析就認為建立了一個新的方法，缺乏對數據誤差或光譜信號的深層次分析，這是很危險的。所以我認為近紅外光譜可以作為質量監控的有效工具，不能象標準方法作為判別是非的工具，但課題提供一些參考。

    記者：您在石化領域制定過標準，不知對食品行業三聚氰胺的問題有什么看法？或有什么經驗？什么建議？

    徐廣通教授：我當時看到三聚氰胺的消息后曾在網上貼了一篇帖子，因為做過一些標準化的管理工作，又是從事分析化學專業的，對技術標準有點敏感性。我談到“這里面固然有不法企業、不法奶農的問題，但更重要的是質檢部門技術標準的缺失或缺陷。”通過凱氏定氮來推算牛奶中蛋白質的含量的前提是測量的所有氮元素均來自于牛奶蛋白質，也就是說存在一個氮形態問題，標準中如果加上這么有一句話：“所測量的氮要必須是以蛋白方式存在的氮，不允許有其它人為填加的含氮物質”，然后質檢部門建立抽查制度，不法奶農和企業也就沒有可鉆的空子。其實在標準里有這么一句話，就可以達到防微杜漸的效果。再比如前幾天我們在討論生物柴油的標準，也有類似的問題。生物柴油是把各種油脂加工生成脂肪酸甲酯，用紅外光譜的方法檢測脂肪酸甲脂的含量，但也有一些潛在的問題，因為我們國內的問題比國外來得復雜，我們整體的社會道德觀還沒有達到一個很高的層面，也就存在一些不計后果鉆空子的不法分子。對于脂肪酸甲酯，用紅外1740 cm^-1左右的這個羰基吸收來推算脂肪酸甲酯的含量。我們就討論標準中是否要加句話：“羰基必須以脂肪酸甲酯的形式存在，而不能以其它的形式存在，比如油脂”。因為油脂比如廢油不加工直接摻入柴油，也可檢測出羰基，但它不是以脂肪酸甲酯的形式存在，而沒加工的油脂可能對汽車的性能產生不良的影響。有了這么一句話，并有配套的技術措施，就可以堵住不法分子。

    記者：我們也了解一些標準制定部門，他們制定標準的困難是標準定得不能都使用昂貴的儀器，因為要考慮到推廣和普適性。

    徐廣通教授：是有這個問題，標準的級別越高，普適性越寬，技術水平可能就越低。行業標準、地方標準往往會高于國家標準，企業特別是一些優質的企業，標準會更高，會提出更苛刻的要求。

附錄：徐廣通教授簡介

主要研究方向：光譜分析、色譜分析、工業催化劑表征和油品分析技術研究
出生年月：1964年10月
職稱職位：
中國石化石油化工科學研究院分析研究室副主任
國家石油化工催化材料與反應工程重點實驗室
博士 教授級高工
中國分析測試學會理事
光譜學與光譜分析雜志常務編委
作為項目負責人曾兩次次獲中國石化科技進步二等獎，因近紅外光譜技術研究及其在石油煉制中的應用獲侯祥麟科學基金獎。

專題：第十五屆分子光譜學學術會議