GM592色譜儀在高純氣分析中的應(yīng)用

楊毅坤

(河鋼集團(tuán) 邯鋼公司 氣體廠，河北 邯鄲 056015)

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GM592色譜儀在高純氣分析中的應(yīng)用

楊毅坤

(河鋼集團(tuán) 邯鋼公司 氣體廠，河北 邯鄲 056015)

介紹了使用氦離子化檢測(cè)器的色譜儀的工作原理，以及使用氦色譜儀分析不同種類高純氣體中微量雜質(zhì)的具體方法。

氦離子化檢測(cè)器；高壓放電氦離子化檢測(cè)器；高純氣體

隨著氣體行業(yè)的發(fā)展，氣體種類增多，純度提高，越來越多的高純氣體應(yīng)用于工業(yè)生產(chǎn)過程中，高純氣體的品質(zhì)優(yōu)劣純與否依賴于其檢測(cè)結(jié)果，而純氣的分析技術(shù)則直接影響著檢測(cè)結(jié)果。

高壓放電氦離子化檢測(cè)器(DID)做為一種非選擇性的，通用性很強(qiáng)的檢測(cè)器越來越多的被應(yīng)用于各種高純氣體的微量乃至痕量的雜質(zhì)組分分析。

1　儀器簡(jiǎn)述1.1　DID檢測(cè)器工作原理

GM592色譜儀配置的檢測(cè)器為高壓放電氦離子化檢測(cè)器(Discharge Ionization Detector)簡(jiǎn)稱DID。DID是一種通用性檢測(cè)器，檢測(cè)器分上下兩室，上為放電室，下為電離室，兩室之間有一狹路相通，在放電室的放電電極施以適當(dāng)電壓，從而獲得一束高能紫外光，通過高能光激發(fā)氦原子使其成為亞穩(wěn)態(tài)氦離子，之后,高能紫外光和He+通過狹縫進(jìn)入電離室，與來自色譜柱的氦載氣及已分離的雜質(zhì)分子發(fā)生非彈性碰撞使其電離，產(chǎn)生了與濃度成正比的電流，將此電流信號(hào)放大輸出到色譜工作站上，即得到被測(cè)組分的譜峰。

圖1　高壓放電氦離子化檢測(cè)器示意圖

1.2GM592氣相色譜儀的特點(diǎn)

美國(guó)GOW-MAC公司生產(chǎn)的592-31S型氣相色譜儀配備了DID檢測(cè)器和三柱四閥切割氣路系統(tǒng)。三根柱分別為Hayesep S柱(預(yù)處理柱)、Hayesep S柱(柱1)和13X MS柱(柱2)。該系統(tǒng)能夠通過閥的開關(guān)切換將樣品的主組分吹出，避免大量主組分進(jìn)入檢測(cè)器，從而避免由于主組分峰過大將微量雜質(zhì)峰掩蓋，同時(shí)，切割氣路避免主組分進(jìn)入檢測(cè)器也有效地保護(hù)了檢測(cè)器。

圖2　色譜儀閥切割系統(tǒng)示意圖

2　分析方法

2.1儀器工作條件

載氣：高純氦≥99.999%(接純化器)；載氣流量：30 mL/min；載氣壓力：0.6 MPa；柱溫：80 ℃；檢測(cè)器溫度：60 ℃。

2.2高純氧的分析

GB/T 14599—2008中要求分析高純氧中H2、Ar、N2、CH4、CO2和H2O，GM592可完成除水以外其他5種雜質(zhì)的分析。

2.2.1分析高純氧中的Ar、N2和CH4

將脫氧阱的TRAP MODE閥扳至CCW位置，使樣品氣經(jīng)過脫氧阱進(jìn)行脫氧。閥2由CCW位跳至CW位，使樣品氣通過LOOP2，閥3置CW位，在此分析方法中無用，閥4置于CW位置，使氣樣通過Column 2 13X MS柱分離后進(jìn)入檢測(cè)器，完成Ar、N2和CH4組分的分析。

閥動(dòng)作時(shí)間表：0.01 min：R2C

0.03 min：R1C

0.05 min：R4O

0.30 min：R2O

2.2.2分析高純氧中的H2和CO2

由于H2和CO可與脫氧阱中CuO發(fā)生反應(yīng)，故分析高純氧中H2組分不可使樣品氣通過脫氧阱。

將脫氧阱的TRAP MODE閥扳至CW位置，樣品氣不經(jīng)過脫氧阱。閥2由CW位跳至CCW位，使樣品氣通過LOOP1后進(jìn)入預(yù)柱Hayesep S柱和1柱Hayesep DB柱，閥3閥4置于CCW位，使樣品氣中氫組分進(jìn)入檢測(cè)器，4.5 min時(shí)，閥4跳至CW位，使樣品氣中主組分經(jīng)VENT3放空，10 min時(shí)，閥4回至CCW位，使二氧化碳組分進(jìn)入檢測(cè)器，完成H2和CO2組分的分析。

閥動(dòng)作時(shí)間表：0.01 min：R2O

0.03 min：R1C

0.05 min：R3C

0.07 min：R4C

0.50 min：R2C

4.50 min：R4O

9.95 min：R4C

2.3高純氮的分析

GB/T 8979—2008中要求分析高純氮中H2、O2、CO、CO2、CH4和H2O 6種雜質(zhì)組分，超純氮?jiǎng)t要求分析上述6種再加上Ar共7種雜質(zhì)組分，同樣，GM592可完成除水以外其他雜質(zhì)的分析。

2.3.1分析高純氮中的H2、O2和Ar

脫氧阱的TRAP MODE閥至CW位。閥2由CCW跳至CW位，使樣品氣通過LOOP2，閥4至CW位，樣品氣通過Column 2 13X MS柱分離后進(jìn)入DID，實(shí)現(xiàn)H2、O2+Ar的分析，約2.85 min，閥4跳至CCW位，將樣品氣中主組分及以后組分由VENT3放空。由于13X MS柱不能分離氧和氬，由此方法得到的是氫峰和氧氬合峰。

將脫氧阱的TRAP MODE閥至CCW位，重復(fù)上述方法，可實(shí)現(xiàn)高純氮中Ar組分的分析。

高純氮中氧峰面積可由第一種方法的氧氬合峰面積減去第二種方法氬峰面積求得。

閥動(dòng)作時(shí)間表：0.01 min：R2C

0.03 min：R1C

0.05 min：R4O

0.30 min：R2O

0.40 min：R1O

2.85 min：R4C

(測(cè)氬時(shí)4.50 min)

使用13X分子篩柱分離時(shí)，氮峰之后緊接著就是CH4和CO，使用上述方法分析高純氮時(shí)，由于氮含量高，CH4和CO無法取得理想峰形，應(yīng)另做方法分析。

2.3.2分析高純氮中的CO

脫氧阱的TRAP MODE閥至CW位。閥2由CCW跳至CW位，使樣品氣通過LOOP2，閥4至CCW位，使經(jīng)13X MS柱分離后的前半部分組分由VENT3放空，約8 min時(shí)，閥4跳至CCW位，使經(jīng)柱分離的一氧化碳組分進(jìn)入DID，實(shí)現(xiàn)CO組分的分析。

閥動(dòng)作時(shí)間表：0.01 min：R2C

0.03 min：R1C

0.05 min：R4C

0.50 min：R2O

8.00 min：R4O

2.3.3分析高純氮中的CH4、CO2

脫氧阱的TRAP MODE閥至CW位。閥2由CW跳至CCW位，使樣品氣通過LOOP1，閥3至CW位至CCW位，使樣品氣流經(jīng)Precolumn Hayesep S后再經(jīng)Column 1 Hayesep DB柱分離，閥4至CW位，使經(jīng)柱分離的前半部分組分由VENT3放空，約6 min時(shí)，閥4至CCW位，經(jīng)柱分離后的CH4和CO2進(jìn)入檢測(cè)器，實(shí)現(xiàn)CH4和CO2組分的分析。

閥動(dòng)作時(shí)間表：0.01 min：R2O

0.03 min：R1C

0.05 min：R30

0.07 min：R40

6.00 min：R4C

2.4高純氦的分析

GB/T 4844—2011中要求分析高純氦中Ne、H2、O2+Ar、N2、CH4、CO、CO2和H2O，GM592可完成除水以外其他7種雜質(zhì)的分析。

DID檢測(cè)器的分析儀本身就是使用氦氣做為載氣和放電氣的，所以分析高純氦時(shí)不存在切除背景峰的閥動(dòng)作，方法較為簡(jiǎn)單。

值得一提的是，由于氖的電離勢(shì)能較高(21.6 eV)，在DID中響應(yīng)值較低，且由于本機(jī)8′的13X MS柱的限制，氖峰與氫峰不能完全分離，所以同時(shí)分析時(shí)氖組分的不能準(zhǔn)確定量，因此建議單獨(dú)分析氖組分，使用脫氧阱輔助分析，用脫氧阱脫掉樣氣中的氫組分，從而對(duì)氖組分進(jìn)行準(zhǔn)確定量。

2.4.1分析高純氦中的Ne、H2、O2+Ar、N2、CH4和CO

分析He中H2、O2+Ar、N2、CH4和CO組分時(shí)，脫氧阱的TRAP MODE閥至CW位，閥1至CCW位，閥2由CCW跳至CW位，使樣品氣通過LOOP2，閥4至CW位，經(jīng)13X MS柱分離后的各組分進(jìn)入DID進(jìn)行分析。

分析分析He中Ne組分時(shí)，脫氧阱的TRAP MODE閥至CCW位，重復(fù)上述閥動(dòng)作即可。

閥動(dòng)作時(shí)間表：0.01 min：R2C

0.03 min：R1C

0.05 min：R40

0.30 min：R20

2.4.2分析高純氦中CO2

脫氧阱的TRAP MODE閥至CW位。閥2由CW跳至CCW位，使樣品氣通過LOOP1，閥3至CW位至CCW位，閥4至CCW位，樣品氣流經(jīng)Precolumn Hayesep S和Column 1 Hayesep DB柱后進(jìn)入DID，實(shí)現(xiàn)對(duì)CO2組分的分析。

閥動(dòng)作時(shí)間表：0.01 min：R2O

0.03 min：R1C

0.05 min：R30

0.07 min：R40

3　結(jié)　論

由于高壓放電氦離子化檢測(cè)器在放電時(shí)可釋放出高能量(24.5 eV)的He+，使該檢測(cè)器對(duì)除He以外的任何氣體都有十分靈敏的響應(yīng)，是當(dāng)今氣體分析中可以檢測(cè)到10-6～10-9級(jí)雜質(zhì)的通用型檢測(cè)器之一。筆者在此介紹了使用GM592氦色譜儀用于分析高純氧、高純氮和高純氦時(shí)的具體應(yīng)用，實(shí)際應(yīng)用中，該儀器的使用不僅僅局限于上述3種氣體，通過閥的合理組合和切割可以實(shí)現(xiàn)大部分種類高純氣體的分析。

[1] 梁漢昌．氣相色譜法在氣體分析中的應(yīng)用[M]．北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2008．

[2] GOW-MAC 592-31S氣相色譜儀用戶手冊(cè)[Z].

楊毅坤，男，工程師，畢業(yè)于北京科技大學(xué)機(jī)械電子工程專業(yè)，現(xiàn)任職于河鋼集團(tuán)邯鋼公司氣體廠技術(shù)專家。

Application of GM592 Chromatograph in Analysis of High Purity Gas

YANG Yikun

(Gas Factory, Handan Branch, Hebei Iron and Steel Company, Handan 056015, China)

This paper introduces working principle of using helium ionization detector of chromatograph and specific methods for the analysis of trace impurities in high purity gases of different kinds using helium gas chromatograph.

helium ionization detector；discharge ionization detector；high purity gases

2016-07-18

TQ117

A

1007-7804(2016)04-0034-03

10.3969/j.issn.1007-7804.2016.04.010