氣相色譜法定量分析氧氣中氣體雜質方法研究

單 靜 陰 杰 王偉清 童 偉 吳 鵬

(中國酒泉衛星發射中心，甘肅 732750)

1 引 言

氧氣是一種重要的資源，在醫療、保健、污水處理、金屬冶煉及航空航天等諸多領域都有十分廣泛的應用。隨著高科技的迅猛發展，人類已經成功踏進太空領域。距離遠、時間長、乘員多的載人飛行、太空探測及星球定居是未來航空航天事業發展的必然趨勢。上述宏偉計劃的實現依賴于大量關鍵技術的解決，其一就是必須建立合適的生命保障系統。而該系統中最重要的就是要供給航天員呼吸所必需的氧氣[1]，因而對氧氣中的雜質成分進行定量分析成為必需。

氣體分析是依據氣體的理化性質，利用各種儀器或化學分析方法進行鑒定分析的過程[2～6]。常量氣體(含量≥10%(V/V))的分析一般采用燃燒法或吸收法；微量氣體(含量<10%(V/V))的分析通常采用量熱法或化學法。這些方法的分析時間通常比較長，并且操作流程及限制條件也比較多，較易引起誤差。本文采用氣相色譜法對O2中的CO，CO2，CH4，C2H2進行測定，并用外標法定量，達到了快速、準確、操作簡單的效果，從而為航天發射用氧氣技改提供了準確及時的相關數據指導。

2 分析方法現狀

新的氧氣及空混氣標準中，技術指標將CO、CO2定性檢測改為儀器定量檢測。以往發射場用氧氣、空混氣化驗一直采用GB8986、醫用及航空呼吸用氧氣檢驗方法，該標準規定采用化學比色方法對CO、CO2及C2H2進行定性檢測。實驗室現有測定高純氮中總碳含量的7890F氣相色譜儀，采用柱前催化加氫的方法，使樣品氣通過柱前鎳觸媒，催化加氫為甲烷，然后通過FID檢測器進行檢測[1]：

測定流程圖如圖1所示，該色譜在結構和流程上不滿足新標準要求，因而不具備CO、CO2定量檢測的能力。

本文希望尋找一種快速簡便的分析方法，能準確定量氧氣中雜質組份，并實時監測其含量的變化，擬考慮采用具備催化加氫功能的安捷倫7890B氣相色譜儀進行實驗研究，進樣方式為氣體直接進樣。

1-氮氣鋼瓶；2-氫氣鋼瓶；3-空氣鋼瓶；4-氧壓表；5-氫壓表； 6-穩壓閥；7-流量計；8-干燥凈化管；9-甲烷轉化器10-TDX色譜柱； 11-火焰離子化檢測器圖1 7890F流程圖Fig.1 Flow chart of 7890F

3 實驗部分

3.1 儀器和設備

主要儀器：7890B氣相色譜儀，配有FID檢測器及相應的十通閥、六通閥、四通閥；柱1(HAYESEPQ不銹鋼色譜柱，0.91m×2mm(內徑))；柱2(HAYESEPQ不銹鋼色譜柱，1.82m×2mm(內徑))；柱3(5A分子篩不銹鋼色譜柱，2.44m×2mm(內徑))，安捷倫科技有限公司。

載氣：體積分數大于99.999%的高純氮氣，90#陣地。

標準氣體：O2中CO、CO2、CH4、C2H2組份及含量見表1，北京氦普北分氣體工業有限公司。

表1 標準氣體濃度

3.2 實驗方法

為保證準確分析O2中的CO、CO2、CH4、C2H2氣體雜質，需要設計氣路，使被測雜質組份完全進入檢測器的同時避免氧氣進入檢測器，分析氣路切換流程圖如圖2所示。通過閥1、閥2切換，閥3控制進入檢測器的物質，利用標準氣體，確定各閥的切換時間，使雜質出峰完全。

圖2 7890F氣路流程圖Fig. 2 Gas circuit flow Chart of 7890F

色譜儀中各個閥的運行時間表如表2所示。

表2 閥運行時間參數

初始狀態，閥1打開，閥2、閥3關閉。0.02min，閥3打開，樣品氣從定量環依次進入柱1、柱2、柱3(串聯)。1.8min，N2、O2、CO、CH4到達柱3，CO2、C2H2到達柱2，其余大分子量碳氫化合物仍在柱1。此時閥2打開，柱3被隔斷，形成閉環，CO2、C2H2首先經過鎳觸媒被檢測器檢出。3.5min，閥3關閉，柱1中駐留的大分子量碳氫化合物經Vent#1放空。4.4min，閥1關閉，4.5min，閥2關閉，柱3中駐留的N2、O2流經Vent#2放空。5.8min，閥1打開，柱3中駐留的CH4、CO依次經過鎳觸媒被檢測器檢出。

3.3 樣品中氣體雜質的分析

對氧氣中氣體雜質進行分析時，CO、CO2、C2H2、CH4雜質含量的計算采用外標法，按式(1)計算

φi=φ0(R/R0)

(1)

式中：φi——樣品氣中被測組份的體積分數，10-6；R為樣品氣中被測組份的峰面積；φ0——標準氣中相應已知組份的體積分數，10-6；R0——標準氣中相應已知組份的峰面積。

4 結果與討論

4.1 標準氣體分析結果

色譜分析條件設置如表3所示。對標準氣體分析的結果如圖3、圖4所示，分析數據如表4、表5所示，由圖3、圖4可以看出，CO2、C2H2、CH4、CO的保留時間分別為2.4min，3.7min，6.7min，8.1min。

表3 GC條件設置

圖3 標準氣體的氣相色色譜圖Fig.3 Gas chromatogram of standard gas

標準氣體分析峰面積(pA·s)C2H2135.90235.78335.85435.91535.78635.79平均值35.84

圖4 標準氣體的氣相色譜圖Fig. 4 Gas chromatogram of standard gas

標準氣體分析峰面積(pA·s)CO2CH4CO128.6633.74170.11228.5233.66169.98328.4333.61170.02428.6333.70170.13528.5633.70169.95628.6333.72169.96平均值28.5733.69170.00

4.2 樣品氣中氣體雜質的分析結果

相同的條件下，對樣品氣氧氣中的CO、CO2、CH4、C2H2雜質重復分析6次，所得譜圖如圖5所示，分析結果列于表6。

圖5 O2中CO、CO2、CH4、C2H2的氣相色譜圖Fig.5 Gas chromatogram of standard gas

雜質重復分析濃度(10-6)CO2C2H2CH4CO16.300.616.414.4026.260.596.354.4136.290.626.504.3246.200.596.514.3656.300.576.394.3666.250.616.504.41平均值6.270.606.444.38相對標準偏差/%0.623.161.070.83

4.3 分析方法驗證

為驗證方法的可靠性，進行重復性實驗。在相同條件下，對同一瓶氧氣氣體分析六次。由表6數據可以看出，樣品氣中CO、CO2、CH4、C2H2的相對標準偏差分別為0.62%，3.16%，1.07%，0.83%，表明分析測試精度較高。

5 結束語

本文選定的氣相色譜分析法可使氧氣中的CO、CO2、CH4、C2H2得到良好的分離，可直接進樣分析，具有用量少、簡便、快速的特點。本方法還具有定量準確，精確度高的特點。

經過多次的平壓進樣，確定了氧氣中CO2、C2H2、CH4、CO的保留時間分別為2.4min，3.7min，6.7min，8.1min，重復性實驗結果可知，此方法相對標準偏差<3.2%，精度較高，能夠滿足分析要求。

利用該方法可以實現一次進樣，準確分析氧氣中多種痕量雜質，快速簡便。