富氢混合气体的气相色谱分析+
郝小红郭烈锦
(西安交通大学动力工程多相流国家重点实验室,710049)
文摘:应用PLOT碳分子筛柱在}_nD6890气相色谱仪.以氮气作载气,一次进样,
单阀单柱系统.分析含有H2、CO、C02、洲4,c2H4、C2H6、C3H6、C3l:18等八组混
合气体,并且分别测定和计算各自的定量校正因子.测定出纯氢气的响应值。
关键词:气相色谱氢气校正因字
0引言
对于低分子量的多组分混合气体,经典的分析方法是奥式分析
(气体容量法).即将分析气体中的披测组分或者用某种吸收剂直接吸
收,或通过燃烧、爆炸等方式使其形成能被某种吸收剂吸收的化台物
而除去,根据气体体积的缩减,计算被测组分含量….由于受到人为
操作因囊的制约.不仅操作繁琐.精度不高,尤其在试验室中小气量
测定方面受到限制。用色谱分析法可弥补这一缺陷。
在低分子量的气体分析方面,对象既含有氢气、一氧化碳、二氧化碳等极性分
子,同时含有c,一巳烯烃和烷烃组分的混合气体,目前还没有见到文献报道有成功
使用气相色谱进行分析的范例.通常气体分析使用的5^或13X分子筛填充柱,对
氢气、一氧化碳和甲烷可以很好分离.但二氯化碳气体不出峰,也很少用于烷烯烃
的分析.炼厂气多采用多次进样,或一次进样中间切换分析法”1.这样不仅浪费人
力、物力.而且造成计算上的复杂性。降低了定量分折的精确性.
本文报道了一种使用一维单柱系统.可珏很好地获得古氢气、一氧化碳、二氧
化碳、甲烷、乙烷、乙烯、丙烷、丙烯8种成分的富氢混合气体的分析结果的方法,
得到各成分气体的摩尔和质量控正因子.并测得了纯氢气在相同条件下的响应值・
该方法适用于实验室中小气量的气体分析.
I实验仪器及原料
实验中采用美国HP公司制造的lip6890气相色谱仪,热导TCD检测器,以高
纯氮气为载气使用
・本文受973硬目G2000026402,NSF聩目.50076035和田家杰出青年科学基盒璜目59725616瓷助146‘
控制仪器所带的船D软件。校正气相色谱所用的标准混合气,由北京氨普北分气体工业有限公司配制井标定,如,c0一cll・-C0=,C扎,C地,C地.C扎的体积百分比分别为53.5,1.08,9.29,32.2。0.97,I.Ol,0.98.0.94。
1.1检铡器韵选择
目前・Gc所使用的检测器有多种,但商品化的检测器不外乎热导检浏器(TCD)、火焰离子化检测器‘FID)、火焰光度检测器(FPD)、氮磷检测器(NPD)、电子俘获检测器(E∞)、光离子化检测器(PID)、原子发射光谱检测器(A功)、红外光谱检测器(IRD)和质谱检测器(蟋D)等几种。FID对碳氢化合物灵敏度高。不适于分析不可燃烧的无机气体。FPD、NPD和ECD主要用于测定农药残余物,对含卤素和氮、磷等的化合物进行分析.PID主要用于芳烃和杂环化台物的分析.AED用于元素分析,惦D用于结构鉴定.…
热导检测器(TCD),对载气以外的其它物质都有响应。适用于各种无机气体和有机物的分析。因此,TO)为8组分富氢气体分析的最佳选择。
L2色谱柱的选择
对于炼厂气典型的3阀4柱系统.使用8P6890气相色谱议.多孔层空心毛细管柱(PLOT).选用
Q色谱柱测定c嘎,[俨-PLOT5A分子筛柱测定氧气、氮气和甲烷.HP-PLcrr/A1如柱
氩气作载气测得.这些柱子中的任何一种都无法完全分析富氢混合气体中的8种气体.而HPCARBOPLOT柱对于分离氢气和一氧化碳、甲烷、二氧化碳都没有问题,但对于烃类,最高使用温度只有11511C.只能分析cl和c2类化台物。兰州化物所的PLOTC-2000柱,柱长25米,直径0.53m。使用温度提高到200℃,C3可以出峰.是较适合的毛细色谱柱.
1.3载气的选择
TCD通常使用He或叱作载气。因为它们的热导系数远远大于其他化合物。用He或地作载气的为了兼顾氢气以外的其它气体组分的灵敏度,使用He为载气。此时氢气的峰为负峥,利用TcD在本试验范围内,测定富氧混合气的工艺条件为:六通阀进样,TCD检测器温度设定为250"C,以氦气作载气,载气流速为10ml/min,分流进样,分流比为10:1.采用程序升温,80℃保持2分钟・
TCD是通用性较好的检测器.不同作者测得的TCD相对响应值基本上是一致的.许多文献5”引用D.M.…和DfetztA.”1在1973和1967年的文献中得到的棱正因子.这二三十年来,热导检HP-LOT/Porapack测定有机烃类“1。用FID及TCD分别检测烃类及无机气体.而氢气由上分103色谱仪.分子填充柱.TCD,其灵敏度高.且峰形正常,响应因子稳定,易于定量,线性范围宽。而用№或^r作载气,则其灵敏度低.且易出■峰,响应因子受温度影响,线性范围窄.通常不用.但若分析He或}k时-则宜用N2或Ar怍载气“1,但由于H:气与co.Ar与CO:的熟导系数非常接近,也不易出峰。笔者曾以氮气为载气进行8组分混合气体的分析,发现一氧化碳并不出峰.的负极性功能使所有的峰都为正峰,进行面积积分。为使更高浓度的lI=含量测量准确.本实验采用相同的方法,测得纯氢气的响应值.2实验过程和讨论2.1工艺条件以30"C/n日tn升至150℃,保持2分钟.再以20"C/min升至】9D℃保持5分钟,总计15分钟可将所有的8种组分全部分离。2.2归一化法校正因子Rosje
测取得了很大的发展,池体积更小,而且由双丝变为单丝结拘.因此相对响应值可能会有所变化,但很少见到相应的文献资科报道,因此本文得到的响应因子将具有一定的参考价值,表I是本实验测得的瑁对摩尔校正因子数据。
表l实验蔫定的相对摩尔技正因子
№CO汛CO=G11.C矗kC3}I。C止“
体积分额(%)53.51.089.2932.20.971.0l0.980.94
15.2781.91612.77170.7062.0072.30D2.2572.766
25.2321.90812.68970.6802.0232.3402.2602.866
34.9771.8明12.67970.9062.0542.3872.3372.772
《5.oolI.92012.83670.8572.0192.3222.2262.820
测54.938L88812.63870.9652.0562.3882.3292.798
响65.1531.鼬912.60170.75l2.0612.3942.3692.78l
应量75.1ll1_90712.76770.8922.0332.轴82.2632.680
峰e5.1991.91012.66770.8762.0362.3572.2892.666面次95.1691.90212.64870.6782.0382.3612.2982.906
积105.0781.∞212.64l70.7582.0402.3642.3022,917
份数115.3101.9韶12.6驰70.5482.0282.3512.2362.890额】2基212I.鲫212.67170.7102.0312.3轴2.2372.8s2
134.9叫1_86712.554.70.9092.0672.4172.3652.859
145.3931.95312.45670.的52.0592.4092.3552.809
155.0741.92312.84770.9902.0182.3222.1942.632
平均值5.1391.91012.67570.7862.0382.3612.2882.803
最大偏差o.o哇90.0370.017o.00340.0150.0260.0150.04i
摩尔技正园子lO.鲥0.5∞0.735o.4550.4760.4270.4290.333
相对于∞z的摩尔
校正因子22.731.24l_621.001.05O.94O.94O.73
相对于如的质量
校正因子1f030.79O.591.ooO.670.“0.900.73
质量校正因子的
文献参考值O.T3o.491,00O.64O.“O.70O.73
图l所示为混合标气的气相色谱峰,根据色谱定量分析的基本原理和相对摩尔校正因子的定义,相对摩尔(质量)校正园子fj,以c&作为标准物,i气体在热导检铡器上的相对摩尔(质量)校正因子fi(对于气体fJ=札/^。f。’=f。/f_
Ai是气体样品中“摩尔的组分i所引起的蜂面积而言.其值等于相对体积校正因子)的表达式分别为其中,M-是进入色谱仪的气体样品中组分i的摩尔(质量)教
图l混合标气的气相色谱图
图2纯氢气的气相色谱图
149
————————T一一一———丽蕊=:=;=瓦翻殂g錾可F1一一——l
2.3氢气的响应值
以氨气作载气时,氢气不是在所有的浓度范围内都星线性关系.因而在氢气的浓度接近于100%时。可以使用下面的响应值进行分析.最大偏差不超过5%,氢气典型的气相色谱峰见图2。
表2氢气的响应值
平均值测量值最大偏差
33923989l327433514345156120
3357862303315877423266018563305650700.0377
348446841332800540340244496
3结论
3.1利用HP689色相色谱仪,一维单柱热导检测器,氮气为载气.一次进样,以PLOT碳分子筛柱分析8组分富氢混合气体的方法是台理的.
3.2在本试验范围内,铡定富氢混合气的工艺条件为}10=1/皿in载气流速,分流进样,分流比为10:1,采用程序升温,60"C保持2分钟,以30℃/Ⅲin升至150"C,保持2分钟,再以20"C/mj_n升至190"C保持6分钟.总计16分钟可将所有的8种组分全部分离。
3.3以氮气为载气,C啦为基准值,地,c0,C}h.CO,.C扎,C地.c拙,已fl|的定量摩尔校正因子分别为10.34,0.563,0.735,0.455,0.476,0.427,0.429,0.333,最大偏差在5%以内,能满足试验要求,具有较好的可信度。
3.4纯氢气在相同方法下的响应值为335786230,可用于高浓度氢气时的校正・
参考文献
I杭州大学化学系分析化学教研室编。分析化学手册,第二册.化工出版社,1982.2刘虎威,气相色谱方法及应用,化学工业出版社.2000,65-67
3刘嘉敏,趔盛伟,于世建,王福江,田忠.分析化学,2000,28(10):1263—1266j4吴烈钧,气相色谱检测方法,化学工业出版社,2000,56
5汪正范,色谱定性与定量,化学工业出版社,2000,148—154{i6RosieDMJ.Chrcmatog.Sci,1973,1l(57:237{7OietzW.A,J.ofGasChromatography,1967,5(2):68{
RICH.1肿ROGENM【I=跹DGASANALySISBYGAS
CHRoM噙TOGRAPHYHaoXiaohong,GuoLiejin
(StateKeyLaboratoryofMultiphaseFlowinPowerEngineering,Xi’art
JiaotongUniversity.Xi’an710049)
Abstract:Inthispaper,itisdeterminedthattherelativemolarcorrectionfactorC2H.,溉,强.汹byis10.34.0.563,0.735.0.465,0.476.0.427,0.429.0.333for融-CO,cII.,如,
HP6890gaschromatogzam.1teascarriergas.1℃Dasdetector.
Thehydrogenrespondingvalueis335786230.
一一—————————曩—,115l
l1刁f掰耵lrn一一一。一一~—j
富氢混合气体的气相色谱分析+
郝小红郭烈锦
(西安交通大学动力工程多相流国家重点实验室,710049)
文摘:应用PLOT碳分子筛柱在}_nD6890气相色谱仪.以氮气作载气,一次进样,
单阀单柱系统.分析含有H2、CO、C02、洲4,c2H4、C2H6、C3H6、C3l:18等八组混
合气体,并且分别测定和计算各自的定量校正因子.测定出纯氢气的响应值。
关键词:气相色谱氢气校正因字
0引言
对于低分子量的多组分混合气体,经典的分析方法是奥式分析
(气体容量法).即将分析气体中的披测组分或者用某种吸收剂直接吸
收,或通过燃烧、爆炸等方式使其形成能被某种吸收剂吸收的化台物
而除去,根据气体体积的缩减,计算被测组分含量….由于受到人为
操作因囊的制约.不仅操作繁琐.精度不高,尤其在试验室中小气量
测定方面受到限制。用色谱分析法可弥补这一缺陷。
在低分子量的气体分析方面,对象既含有氢气、一氧化碳、二氧化碳等极性分
子,同时含有c,一巳烯烃和烷烃组分的混合气体,目前还没有见到文献报道有成功
使用气相色谱进行分析的范例.通常气体分析使用的5^或13X分子筛填充柱,对
氢气、一氧化碳和甲烷可以很好分离.但二氯化碳气体不出峰,也很少用于烷烯烃
的分析.炼厂气多采用多次进样,或一次进样中间切换分析法”1.这样不仅浪费人
力、物力.而且造成计算上的复杂性。降低了定量分折的精确性.
本文报道了一种使用一维单柱系统.可珏很好地获得古氢气、一氧化碳、二氧
化碳、甲烷、乙烷、乙烯、丙烷、丙烯8种成分的富氢混合气体的分析结果的方法,
得到各成分气体的摩尔和质量控正因子.并测得了纯氢气在相同条件下的响应值・
该方法适用于实验室中小气量的气体分析.
I实验仪器及原料
实验中采用美国HP公司制造的lip6890气相色谱仪,热导TCD检测器,以高
纯氮气为载气使用
・本文受973硬目G2000026402,NSF聩目.50076035和田家杰出青年科学基盒璜目59725616瓷助146‘
控制仪器所带的船D软件。校正气相色谱所用的标准混合气,由北京氨普北分气体工业有限公司配制井标定,如,c0一cll・-C0=,C扎,C地,C地.C扎的体积百分比分别为53.5,1.08,9.29,32.2。0.97,I.Ol,0.98.0.94。
1.1检铡器韵选择
目前・Gc所使用的检测器有多种,但商品化的检测器不外乎热导检浏器(TCD)、火焰离子化检测器‘FID)、火焰光度检测器(FPD)、氮磷检测器(NPD)、电子俘获检测器(E∞)、光离子化检测器(PID)、原子发射光谱检测器(A功)、红外光谱检测器(IRD)和质谱检测器(蟋D)等几种。FID对碳氢化合物灵敏度高。不适于分析不可燃烧的无机气体。FPD、NPD和ECD主要用于测定农药残余物,对含卤素和氮、磷等的化合物进行分析.PID主要用于芳烃和杂环化台物的分析.AED用于元素分析,惦D用于结构鉴定.…
热导检测器(TCD),对载气以外的其它物质都有响应。适用于各种无机气体和有机物的分析。因此,TO)为8组分富氢气体分析的最佳选择。
L2色谱柱的选择
对于炼厂气典型的3阀4柱系统.使用8P6890气相色谱议.多孔层空心毛细管柱(PLOT).选用
Q色谱柱测定c嘎,[俨-PLOT5A分子筛柱测定氧气、氮气和甲烷.HP-PLcrr/A1如柱
氩气作载气测得.这些柱子中的任何一种都无法完全分析富氢混合气体中的8种气体.而HPCARBOPLOT柱对于分离氢气和一氧化碳、甲烷、二氧化碳都没有问题,但对于烃类,最高使用温度只有11511C.只能分析cl和c2类化台物。兰州化物所的PLOTC-2000柱,柱长25米,直径0.53m。使用温度提高到200℃,C3可以出峰.是较适合的毛细色谱柱.
1.3载气的选择
TCD通常使用He或叱作载气。因为它们的热导系数远远大于其他化合物。用He或地作载气的为了兼顾氢气以外的其它气体组分的灵敏度,使用He为载气。此时氢气的峰为负峥,利用TcD在本试验范围内,测定富氧混合气的工艺条件为:六通阀进样,TCD检测器温度设定为250"C,以氦气作载气,载气流速为10ml/min,分流进样,分流比为10:1.采用程序升温,80℃保持2分钟・
TCD是通用性较好的检测器.不同作者测得的TCD相对响应值基本上是一致的.许多文献5”引用D.M.…和DfetztA.”1在1973和1967年的文献中得到的棱正因子.这二三十年来,热导检HP-LOT/Porapack测定有机烃类“1。用FID及TCD分别检测烃类及无机气体.而氢气由上分103色谱仪.分子填充柱.TCD,其灵敏度高.且峰形正常,响应因子稳定,易于定量,线性范围宽。而用№或^r作载气,则其灵敏度低.且易出■峰,响应因子受温度影响,线性范围窄.通常不用.但若分析He或}k时-则宜用N2或Ar怍载气“1,但由于H:气与co.Ar与CO:的熟导系数非常接近,也不易出峰。笔者曾以氮气为载气进行8组分混合气体的分析,发现一氧化碳并不出峰.的负极性功能使所有的峰都为正峰,进行面积积分。为使更高浓度的lI=含量测量准确.本实验采用相同的方法,测得纯氢气的响应值.2实验过程和讨论2.1工艺条件以30"C/n日tn升至150℃,保持2分钟.再以20"C/min升至】9D℃保持5分钟,总计15分钟可将所有的8种组分全部分离。2.2归一化法校正因子Rosje
测取得了很大的发展,池体积更小,而且由双丝变为单丝结拘.因此相对响应值可能会有所变化,但很少见到相应的文献资科报道,因此本文得到的响应因子将具有一定的参考价值,表I是本实验测得的瑁对摩尔校正因子数据。
表l实验蔫定的相对摩尔技正因子
№CO汛CO=G11.C矗kC3}I。C止“
体积分额(%)53.51.089.2932.20.971.0l0.980.94
15.2781.91612.77170.7062.0072.30D2.2572.766
25.2321.90812.68970.6802.0232.3402.2602.866
34.9771.8明12.67970.9062.0542.3872.3372.772
《5.oolI.92012.83670.8572.0192.3222.2262.820
测54.938L88812.63870.9652.0562.3882.3292.798
响65.1531.鼬912.60170.75l2.0612.3942.3692.78l
应量75.1ll1_90712.76770.8922.0332.轴82.2632.680
峰e5.1991.91012.66770.8762.0362.3572.2892.666面次95.1691.90212.64870.6782.0382.3612.2982.906
积105.0781.∞212.64l70.7582.0402.3642.3022,917
份数115.3101.9韶12.6驰70.5482.0282.3512.2362.890额】2基212I.鲫212.67170.7102.0312.3轴2.2372.8s2
134.9叫1_86712.554.70.9092.0672.4172.3652.859
145.3931.95312.45670.的52.0592.4092.3552.809
155.0741.92312.84770.9902.0182.3222.1942.632
平均值5.1391.91012.67570.7862.0382.3612.2882.803
最大偏差o.o哇90.0370.017o.00340.0150.0260.0150.04i
摩尔技正园子lO.鲥0.5∞0.735o.4550.4760.4270.4290.333
相对于∞z的摩尔
校正因子22.731.24l_621.001.05O.94O.94O.73
相对于如的质量
校正因子1f030.79O.591.ooO.670.“0.900.73
质量校正因子的
文献参考值O.T3o.491,00O.64O.“O.70O.73
图l所示为混合标气的气相色谱峰,根据色谱定量分析的基本原理和相对摩尔校正因子的定义,相对摩尔(质量)校正园子fj,以c&作为标准物,i气体在热导检铡器上的相对摩尔(质量)校正因子fi(对于气体fJ=札/^。f。’=f。/f_
Ai是气体样品中“摩尔的组分i所引起的蜂面积而言.其值等于相对体积校正因子)的表达式分别为其中,M-是进入色谱仪的气体样品中组分i的摩尔(质量)教
图l混合标气的气相色谱图
图2纯氢气的气相色谱图
149
————————T一一一———丽蕊=:=;=瓦翻殂g錾可F1一一——l
2.3氢气的响应值
以氨气作载气时,氢气不是在所有的浓度范围内都星线性关系.因而在氢气的浓度接近于100%时。可以使用下面的响应值进行分析.最大偏差不超过5%,氢气典型的气相色谱峰见图2。
表2氢气的响应值
平均值测量值最大偏差
33923989l327433514345156120
3357862303315877423266018563305650700.0377
348446841332800540340244496
3结论
3.1利用HP689色相色谱仪,一维单柱热导检测器,氮气为载气.一次进样,以PLOT碳分子筛柱分析8组分富氢混合气体的方法是台理的.
3.2在本试验范围内,铡定富氢混合气的工艺条件为}10=1/皿in载气流速,分流进样,分流比为10:1,采用程序升温,60"C保持2分钟,以30℃/Ⅲin升至150"C,保持2分钟,再以20"C/mj_n升至190"C保持6分钟.总计16分钟可将所有的8种组分全部分离。
3.3以氮气为载气,C啦为基准值,地,c0,C}h.CO,.C扎,C地.c拙,已fl|的定量摩尔校正因子分别为10.34,0.563,0.735,0.455,0.476,0.427,0.429,0.333,最大偏差在5%以内,能满足试验要求,具有较好的可信度。
3.4纯氢气在相同方法下的响应值为335786230,可用于高浓度氢气时的校正・
参考文献
I杭州大学化学系分析化学教研室编。分析化学手册,第二册.化工出版社,1982.2刘虎威,气相色谱方法及应用,化学工业出版社.2000,65-67
3刘嘉敏,趔盛伟,于世建,王福江,田忠.分析化学,2000,28(10):1263—1266j4吴烈钧,气相色谱检测方法,化学工业出版社,2000,56
5汪正范,色谱定性与定量,化学工业出版社,2000,148—154{i6RosieDMJ.Chrcmatog.Sci,1973,1l(57:237{7OietzW.A,J.ofGasChromatography,1967,5(2):68{
RICH.1肿ROGENM【I=跹DGASANALySISBYGAS
CHRoM噙TOGRAPHYHaoXiaohong,GuoLiejin
(StateKeyLaboratoryofMultiphaseFlowinPowerEngineering,Xi’art
JiaotongUniversity.Xi’an710049)
Abstract:Inthispaper,itisdeterminedthattherelativemolarcorrectionfactorC2H.,溉,强.汹byis10.34.0.563,0.735.0.465,0.476.0.427,0.429.0.333for融-CO,cII.,如,
HP6890gaschromatogzam.1teascarriergas.1℃Dasdetector.
Thehydrogenrespondingvalueis335786230.
一一—————————曩—,115l
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