DRI-2001A型有機碳/元素碳分析儀日常維護及故障排除

(工業煙塵污染控制湖北省重點實驗室，武漢 430056)

1 前言

有機碳(OC)和元素碳(EC)是大氣顆粒物的重要碳質組分，對氣候變化、光化學反應和人體健康均有重要影響，因此大氣顆粒物中有機碳和元素碳含量的分析對揭示碳質組分的形成機制和顆粒物源解析具有非常重要的現實意義，大氣顆粒物中有機碳和元素碳的含量及其比值被廣泛用于顆粒物源解析研究[1-4]。DRI 2001A型有機碳/元素碳分析儀是由美國沙漠公司生產，應用熱光法原理測量有機碳和元素碳含量的儀器，適用于美國環?？偸鹣聦僖曈X環境保護協作監測網絡項目推薦的IMPROVE(Interagency Monitoring of Protected Visual Environment)法和美國國家職業安全衛生研究所推薦的NIOSH(National Institute for Occupational Safety and Health)等方法，可同時進行熱光透射法和熱光反射法的分析，被廣泛應用于有機碳和元素碳的檢測分析[5-8]。

本文介紹該儀器的工作原理，闡述了日常維護方法，并詳細分析了常見故障以及排除方法。

2 DRI-2001A型有機碳/元素碳分析儀結構及工作原理

2.1 DRI-2001A型有機碳/元素碳分析儀的組成

DRI-2001A型有機碳/無機碳分析儀主要由分析爐系統(樣品爐、氧化爐、還原爐)、激光探測系統(He/Ne激光源、激光探測器)、檢測器及控制系統(FID火焰離子檢測器、數據采集卡、電腦及分析控制軟件)和氣路系統(氣瓶、鋼瓶減壓閥、進氣控制閥)組成，DRI-2001A型有機碳/元素碳分析儀的主要技術參數見表1。

表1 DRI-2001A型有機碳/元素碳分析儀主要技術參數

2.2 工作原理

DRI-2001A型有機碳/元素碳分析儀主要應用的原理是熱光法，熱光法分為熱光反射法和熱光透射法，儀器可以同時進行熱光反射法和熱光透射法的分析。

具體的工作原理：首先通入氦氣，樣品中的OC在無氧條件下經催化氧化爐轉化生成CO2，同時有一部分OC在無氧環境下轉變為裂解碳(OPC)，然后通入含氧2%的氦氧混合氣，EC在有氧條件下生成CO2，有氧和無氧條件下生成的CO2均在還原爐中被還原成甲烷(CH4)，再由FID火焰離子檢測器定量分析，檢測出樣品中的碳含量。在檢測中，全程用633nm激光照射樣品，檢測加熱過程中透射光強或者反射光強的變化，當反射光強或者透射光強回到初始光強時，這個時間點定義為OC和EC的分割點，這點即為EC的起始點，此前檢測的碳為OC，此后為EC。

3 DRI-2001A型有機碳/元素碳分析儀的日常使用及維護

3.1 DRI-2001A型有機碳/元素碳分析儀的使用

DRI-2001A型有機碳/元素碳分析儀的主要運行參數見表2。儀器操作分為開機、調試、樣品檢測、待機和關機5個步驟，以使用Improve A方法進行測定為例介紹該儀器的使用：

表2 DRI-2001A型有機碳/元素碳分析儀運行參數

(1)開機：檢查空氣、氫氣、氦氣、氦氧混合氣和甲烷標準氣5個氣瓶總壓力，要求總壓力大于200Psi。打開5個氣瓶氣閥后，先打開電腦，然后打開儀器電源，運行電腦桌面上的OC/EC分析儀控制軟件DriCarb，將氣瓶輸出壓力和轉子流量計調到表2所示的規定數值，通氣20分鐘，然后調節FID火焰離子檢測器、氣路連接加熱器(LINE HEATER)、氧化爐(OXYGENATOR)和還原爐(METHANATOR)四個部件的溫度控制儀，對其進行升溫，升到最終工作溫度。

(2)儀器調試：使用電火花打火器點燃氫氣，在DriCarb分析軟件的Analysis運行菜單中，選擇cmdBakeOven方法烘烤樣品倉，烘烤后選擇cmdImproveA方法檢測儀器空白值，空白值要低于可接受的限定值0.5μgC/cm2，空白檢測通過后，選擇cmdAutoCalibCheck方法，對儀器進行三峰檢測，檢測結束后的數據文件中，FID信號漂移要小于3，同時對Calibration peak area、OC3和EC1 3個數據計算偏差，偏差值要小于5%，才可開始檢測。當天的樣品檢測結束后，要再次進行三峰檢測，第二次檢測結果的偏差也要小于5%，則儀器穩定性良好，此分析結果可靠。如果偏差大于5%，樣品需要重新分析?？芍匦路错樞騺頊y試樣品，直到與第一次樣品測試結果相差在5%以內為止。

(3)樣品檢測：在Analysis運行菜單中選擇cmdImproveA方法，使用不銹鋼沖子從濾膜樣品上沖取膜片，用鑷子取出膜片放在膜托上，對膜片進行檢測。檢測樣品結束后，查看生成的數據文件，FID的信號漂移應小于3，內標甲烷峰的峰面積(Calibration peak area)要大于25000。

(4)待機：分析結束后，關閉儀器前板上He1、He2，GAL GAS(甲烷標準氣)和Air(空氣)開關，關閉甲烷標準氣氣瓶的氣閥，使儀器處于待機狀態。

(5)關機：在儀器待機狀態下，將氧化爐、還原爐、FID火焰離子檢測器和氣路連接加熱器的溫度直接設置為0，使其降溫。待溫度降到50℃以下，關閉所有氣瓶的總閥，待氣體壓力下降到較低的一個氣壓值時(～0.5psi)，關閉儀器前面板的所有氣路開關。關閉DRI分析軟件DriCarb，再關閉分析儀主機電源，最后關閉電腦。

3.2 日常維護

儀器的日常維護分為氣瓶檢查、前板及后板檢查、取樣工具清潔、激光源及石英棒檢查、儀器校準和數據備份及實驗記錄。

(1)氣瓶檢查：氣瓶中氣體總壓力以及氣瓶是否漏氣會對檢測結果和實驗安全造成影響，需要定期檢查空氣、氫氣、氦氣、氦氧混合氣和甲烷標準氣5個氣瓶的總壓力，氣瓶總壓力低于200psi時，要及時更換。

(2)前板及后板檢查：定期檢查前板及后板有無松動失靈的按鈕和開關，若有要及時檢修。

(3)取樣工具清潔：為保證檢測結果的準確性，需要清潔儀器配套的取樣工具。在每一個樣品取樣前，用無塵紙擦拭取樣切刀和鑷子。

(4)激光源及石英棒檢查：至少每月一次檢查激光源。儀器內的石英棒，是用來傳輸激光到濾膜上和接收信號到檢測器的光導管。在使用過程中，石英棒會因為樣品里物質吸附和因為高溫加熱而失去透明度，輸出信號就會變差。為了使儀器性能恢復，需要更換或清洗石英棒。清洗可用0.5%到1%的HF浸泡幾分鐘，再用去離子水沖洗，干燥后再安裝回去。在使用酸的時候要小心，要戴著手套和帽子。當石英棒用酸清洗后透明度還不夠的話，就需要更換或重新拋光石英棒的底部。

(5)儀器校準：配制KHP(鄰苯二甲酸氫鉀)標準溶液，向膜托上放置的空白濾膜注射一定量的KHP溶液進行檢測，使用檢測得到的數據繪制標準曲線，得到的標準曲線斜率輸入carbon.par文件，重新啟動DriCarb軟件，使用新的斜率計算有機碳和元素碳含量。每次更換甲烷標準氣后應對標準氣進行校準，至少半年校準一次儀器。

(6)數據備份及實驗記錄：檢測的樣品數據當天備份，所有檢測、校準和維修及時記錄。

要嚴格按照規定的步驟操作儀器，做好日常維護工作，減少和消除潛在的隱患，延長儀器的壽命，確保儀器的正常使用。

4 DRI-2001A型有機碳/元素碳分析儀常見故障及排除方法

4.1 輸出壓力和流量異常及排除方法

輸出壓力和流量異常是指儀器前板上的氣瓶輸出壓力和轉子流量計沒有達到表2中規定的數值。

氣瓶的減壓閥顯示的輸出壓力不正常，可能是指示錯誤或者減壓閥損壞。將總閥關閉后，把輸氣管路的氣體放空，接上管路，再將總閥打開，看輸出壓力顯示是否正確。如果正確，能正常使用，如果輸出壓力仍然不準確，需要維修或者更換減壓閥。

轉子流量計的異常現象，首先考慮長時間的檢測使得氣流不穩，導致轉子流量計中的轉子偏離規定的數值。在檢測結束后，調整轉子流量計，轉子能移動到規定數值的位置，則恢復正常。

若經過調整仍然達不到規定的數值，則可能是氣瓶漏氣所導致。氣瓶漏氣的原因有氣瓶的接口不牢導致的漏氣和輸氣管線破損導致的漏氣。首先利用肥皂水檢查鋼瓶接口是否漏氣，若氣瓶接口密封性良好，則漏氣的原因可能為輸氣管線破損，需要更換輸氣管線。

4.2 溫度異常及排除方法

當儀器的溫度顯示數值不正確，沒有達到表2規定的數值，需要進行調試。出現溫度異常的可能原因包括熱電偶損壞、補償導線接觸不良或破損、溫度控制儀損壞等方面。

調試的方法：首先檢查測量溫度的熱電偶是否損壞，用萬用表檢查熱電偶，如果斷路，則熱電偶需要更換。如果熱電偶工作情況良好，可能是熱電偶連接的補償導線與接線端子接觸不良，或者補償導線絕緣層破損，需要修理或者重新更換。若補償導線和熱電偶均正常，則可能溫度控制儀損壞，需要更換溫度控制儀。

4.3 檢測空白值異常及其調試

DRI-2001A型有機碳/元素碳分析儀在檢測樣品前，需要進行空白值檢測。如果空白值高于0.5μgC/cm2，需要對儀器進行調試，直至空白值低于0.5μgC/cm2，方可開始樣品測試。

具體的調試方法：再次烘烤樣品倉，如果還不能達到分析要求，則可能是樣品艙積累的灰塵較多，導致有機碳和元素碳空白值過高，出現這種情況應對樣品倉進行清洗。清洗方法：采用干凈的脫脂棉花，蘸取無水乙醇，將樣品艙仔細地擦拭一遍，待乙醇揮發完全后，再進行空白值檢測。

如果空白值在多次烘烤及清洗后仍然達不到檢測要求，聯系專業人員打開儀器頂蓋，對儀器主板進行清潔，并檢查與儀器主板連接的各個線路，調試后重新檢測，直到空白值滿足要求。

4.4 FID火焰離子檢測器的信號漂移過大及排除方法

檢測結束后，生成的數據文件中FID火焰離子檢測器的信號漂移應當不超過3。當FID火焰離子檢測器的信號漂移幅度超過3，則影響數據的準確度，需分析原因后重新檢測。

首先查看數據文件，若總碳的數值超過了檢測限，則可判定是濾膜樣品中碳含量過高，使檢測時間過長，導致儀器運行不穩定。出現這種情況時需要減少濾膜樣品的采集量，使濾膜中總碳含量控制儀器的檢測限以內。如果總碳含量未超過檢測限，則可能是FID火焰離子檢測器故障，需要進一步維修。

4.5 濾膜熔化及其排除

DRI-2001A型有機碳/元素碳分析儀需要使用石英濾膜來進行檢測，檢測結束后，若發現用于檢測的濾膜熔化，則使用的濾膜并非石英濾膜，需要更換石英濾膜，重新采樣并進行檢測。

4.6 內標甲烷峰面積偏小及其調試

樣品檢測過程中，儀器會通過控制閥自動注射甲烷標準氣到樣品氣流中，作為內標檢查FID火焰離子檢測器信號是否正常。內標甲烷峰的峰面積在數據文件中的Calibration peak area一欄顯示。樣品檢測正常時，內標甲烷峰的峰面積大于25000。若峰面積小于25000，則檢測結果不準確，需要進行調試。出現峰面積小于25000的可能原因包括氫氣熄滅、控制閥故障、管路漏氣、還原爐損壞等方面。

調試的方法：首先檢查氫氣是否熄滅。如果熄滅，則可能是由于實驗室內空氣流速過快導致。需要在通風條件下，使實驗室內空氣流速平穩，重新點燃氫氣并再次截取樣品進行檢測。若是氫氣未熄滅，則檢查控制閥是否正常和管路是否漏氣。若控制閥和管路均正常，則可能還原爐損壞，失去敏感性，需要重新更換還原爐。

5 注意事項

為保證儀器的正常使用，操作儀器時應注意下列事項。

(1)開機升溫過程中，先升溫FID火焰離子檢測器和氣路連接加熱器，再升溫氧化爐和還原爐。為防止溫度過沖，升溫的溫度梯度要小于70℃，為有效地驅除爐體內水分，并保護催化劑載體在過激升溫過程中不破裂，還原爐的每一個升溫階段至少60分鐘，其他部件至少30分鐘。

(2)樣品進入樣品艙后，為了吹掃系統中因加載樣品時而進入的空氣，至少要延時90s再開始升溫進行分析樣品。儀器正在分析樣品時，不能調節各路氣體的流量或者4個溫度控制儀上的設定溫度。

(3)正在檢測樣品時遇到突然斷電，需要立即關掉儀器的電源，然后關掉前板He/O2開關。

(4)儀器待機時，不得關閉前板上的He/O2、He3和H2開關。

(5)分析樣品時會用到可燃性氣體氫氣和甲烷標準氣，實驗室內要保持通風，避免引發事故。

(6)為保證儀器性能正常，每年請專業人員清理儀器內部積灰。

6 結語

DRI-2001A型有機碳/元素碳分析儀在有機碳和元素碳檢測分析中被廣泛使用。只有重視并且做好DRI-2001A型有機碳/元素碳分析儀的日常維護和故障排除，并嚴格按照操作步驟分析樣品，才能提高檢測結果的準確度，為大氣治理政策提供可靠的數據參考。