氣相色譜儀在化工生產(chǎn)中的應(yīng)用

李亞歡 (中國平煤神馬集團(tuán)尼龍科技有限公司，河南 平頂山 467000)

0 引言

在化工生產(chǎn)當(dāng)中，經(jīng)常需要對氣體、液體、固體等進(jìn)行成分分析，氣相色譜儀(GC)，是當(dāng)前分析氣體、液體和固體成分的有效設(shè)備之一。與傳統(tǒng)分析檢測技術(shù)相比，氣相色譜法的主要優(yōu)勢表現(xiàn)為能夠快速、高效地實(shí)現(xiàn)組分分離和測定，靈敏度相對較高，對于樣品的需求量較少，而且該技術(shù)有著極強(qiáng)的選擇性，在化工生產(chǎn)當(dāng)中可以發(fā)揮巨大作用。因此，加強(qiáng)對于化工生產(chǎn)中氣相色譜儀的應(yīng)用研究是十分有必要的。

1 氣相色譜儀

1.1 原理

氣相色譜儀的檢測原理是利用氣體的流動本質(zhì)，以及待測樣品不同組分之間理化性質(zhì)的差異，使得不同組分在固定相與氣相中的分配系數(shù)不同，進(jìn)而達(dá)成分離檢測的目的。在實(shí)際檢測的過程中，待測樣品有載氣系統(tǒng)進(jìn)入到色譜柱之后，各組分將根據(jù)自身理化性質(zhì)在兩相之間不斷分配，而且由于不同組分的吸附和溶解能力不同，其在相同管柱當(dāng)中的移動速度也存在明顯差異。將色譜柱當(dāng)中的組分輸送到檢測系統(tǒng)當(dāng)中，不同組分所呈現(xiàn)出的電信號特點(diǎn)不同，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)物質(zhì)檢測和定量測定[1]。氣相色譜儀示意圖如圖1所示。

圖1 氣相色譜儀示意圖

1.2 組成

氣相色譜儀主要結(jié)構(gòu)組成包括載氣系統(tǒng)、進(jìn)樣系統(tǒng)、分離系統(tǒng)、檢測系統(tǒng)以及記錄系統(tǒng)。

(1)載氣系統(tǒng)。載氣系統(tǒng)主要包括載氣和檢測器，該結(jié)構(gòu)的主要設(shè)置目標(biāo)在于控制氣體流速，凈化源氣體。實(shí)際檢測過程中，應(yīng)根據(jù)檢測物質(zhì)，科學(xué)選擇載氣種類，加強(qiáng)對于載氣流速的控制，并根據(jù)不同檢測器的優(yōu)勢特點(diǎn)，合理選擇載氣系統(tǒng)。

(2)進(jìn)樣系統(tǒng)。主要包括氣化室和進(jìn)樣器，該系統(tǒng)的主要功能在于對不同狀態(tài)樣品進(jìn)行氣化處理，并將其導(dǎo)入到分離系統(tǒng)當(dāng)中，是氣相色譜儀的主要機(jī)構(gòu)。氣相色譜儀進(jìn)樣系統(tǒng)主要分為填充柱進(jìn)樣口和毛細(xì)柱進(jìn)樣口兩種。其中毛細(xì)柱較為適合不需要?dú)怏w分析的檢測當(dāng)中，在液體檢測當(dāng)中有著更好的應(yīng)用效果。

(3)分離系統(tǒng)。該系統(tǒng)是氣相色譜儀的重要部分，主要組成為色譜柱，常見的色譜柱有氣液填充柱、毛細(xì)管柱以及填充毛細(xì)管柱。色譜柱對于樣品檢測結(jié)果有著直接的影響，因此，為保障檢測效果，需要結(jié)合樣品特點(diǎn)以及檢測目的，科學(xué)選擇色譜柱。此外，還應(yīng)加強(qiáng)對于柱溫度控制的重視，根據(jù)樣品和吸收液的特點(diǎn)，確定檢測溫度。例如：若樣品組分之間的沸點(diǎn)差異較為明顯，則可通過逐漸升溫的方式進(jìn)行分離。

(4)檢測系統(tǒng)。檢測系統(tǒng)的主要功能就是將分離出來的樣品轉(zhuǎn)化為電信號，并記錄在系統(tǒng)當(dāng)中。當(dāng)前常用的檢測器包括以下兩種類型。第一，熱導(dǎo)池檢測器，該設(shè)備屬于濃度型檢測器，根據(jù)樣品成分、氣源導(dǎo)熱率等實(shí)現(xiàn)信號轉(zhuǎn)換，該檢測器的主要優(yōu)勢表現(xiàn)為結(jié)構(gòu)簡單、定量精準(zhǔn)，但是靈敏度偏低；第二，電子俘獲檢測器，該檢測器主要是根據(jù)電副物質(zhì)的選擇性進(jìn)行檢測的，因此在電場作用下，該設(shè)備有著較好的檢測效率，能夠?qū)崿F(xiàn)快速響應(yīng)，其主要優(yōu)勢就是靈敏度較高。

(5)記錄系統(tǒng)。記錄系統(tǒng)就是將檢測得到的電信號以及電位差等，詳細(xì)記錄下來，能夠明確色譜峰型，并計算峰高和峰的面積，進(jìn)而得到樣品檢測結(jié)果。

2 氣相色譜儀在化工生產(chǎn)中的應(yīng)用

2.1 物質(zhì)成分檢驗(yàn)

隨著當(dāng)前化工生產(chǎn)作業(yè)復(fù)雜性的提升，對于現(xiàn)場物質(zhì)成分檢驗(yàn)的要求越來越高，相關(guān)技術(shù)措施也得到了廣泛研究和應(yīng)用。尤其是對于化工產(chǎn)品種類較多的企業(yè)，不僅包括己內(nèi)酰胺、硫酸銨，還包括環(huán)己烷、環(huán)己酮等。物質(zhì)成分的檢驗(yàn)?zāi)軌驇椭ぷ魅藛T明確化工生產(chǎn)實(shí)際情況以及效果，并有針對性地調(diào)整生產(chǎn)方案，對于降低企業(yè)成本，提高企業(yè)生產(chǎn)效率方面有著積極作用[2]。

2.2 氣體成分分析

氣體成分分析是氣象色譜儀在化工生產(chǎn)過程中的主要應(yīng)用方向之一，能夠?qū)崿F(xiàn)對于化工生產(chǎn)過程的監(jiān)控和有效分析，在簡化操作、降低生產(chǎn)成本方面有著積極作用。本文以環(huán)境空氣揮發(fā)性有機(jī)物的連續(xù)監(jiān)測為例展開分析。

環(huán)境空氣揮發(fā)性有機(jī)物質(zhì)的連續(xù)監(jiān)測，需要通過分析一定梯度濃度的標(biāo)準(zhǔn)氣體，形成標(biāo)準(zhǔn)曲線，并建立標(biāo)準(zhǔn)氣體濃度與系統(tǒng)響應(yīng)之間的關(guān)系，以此繪制相關(guān)監(jiān)測曲線。然后將該標(biāo)準(zhǔn)曲線作為參考，在系統(tǒng)正常工作時，能夠通過氣相色譜儀實(shí)現(xiàn)對于待測物質(zhì)的定量分析。此外，還應(yīng)確定方法檢出限、精準(zhǔn)度、精密度以及分離度等相關(guān)數(shù)據(jù)。其中檢出限測定過程中，可按照如下公式進(jìn)行計算：

式中：MDL為每個系統(tǒng)當(dāng)中全部揮發(fā)性有機(jī)物中任一組分的方法檢測限(mg/L)；S為任一組分的多次重復(fù)分析標(biāo)準(zhǔn)偏差(mg/L)；t為n-1自由度以及99%置信水平的t值(t=3.143)[3]。

實(shí)際應(yīng)用氣相色譜儀的過程中，包括以下關(guān)鍵步驟：

(1)明確采樣地點(diǎn)以及采樣時間。化工生產(chǎn)企業(yè)產(chǎn)品種類較多，因此其環(huán)境空氣當(dāng)中的揮發(fā)性有機(jī)物質(zhì)來源廣泛，種類較為豐富。為保障檢測結(jié)果的可靠性體積有效性，實(shí)際檢測過程共計7天，設(shè)計采集次數(shù)為168次。

(2)經(jīng)過檢測可知，案例區(qū)域環(huán)境空氣揮發(fā)性有機(jī)物的總濃度實(shí)際情況并不穩(wěn)定，有時候甚至超標(biāo)。

(3)通過對環(huán)境空氣揮發(fā)性有機(jī)物總量日、周濃度特征的分析，能夠進(jìn)一步明確揮發(fā)性有機(jī)物質(zhì)的主要來源，能夠?yàn)榛どa(chǎn)系統(tǒng)、流程的優(yōu)化改進(jìn)提供參考。經(jīng)過對環(huán)境空氣中揮發(fā)性有機(jī)物的連續(xù)監(jiān)測發(fā)現(xiàn)，案例廠區(qū)內(nèi)空氣中有機(jī)性揮發(fā)物總量濃度會受到溫度以及風(fēng)向的影響，而且周末的揮發(fā)性有機(jī)物濃度總量并未表現(xiàn)出明顯的差異性，主要原因在于生產(chǎn)區(qū)域周末不停產(chǎn)。

3 化工生產(chǎn)中氣相色譜儀的使用要點(diǎn)

3.1 明確影響因素

在實(shí)際使用氣相色譜儀的過程中，由于該儀器的精密度較高，而且十分容易受到其他因素的影響，因此，為保障檢測結(jié)果的準(zhǔn)確性以及有效性，需要加強(qiáng)對于檢測過程的分析和研究，明確具體影響因素。

第一，溫濕度。氣相色譜儀本身精密程度較高，內(nèi)部電路較為復(fù)雜，分布密集，實(shí)際使用過程中對于外界環(huán)境要求較高。若環(huán)境溫度、濕度等不滿足設(shè)備運(yùn)行要求，將會導(dǎo)致電路板出現(xiàn)運(yùn)行故障，影響氣相色譜儀的正常使用。而且電子元件受到不良影響，也會導(dǎo)致氣相色譜儀的檢測靈敏度有所下降等不良情況，影響檢測結(jié)果的可靠性和實(shí)用性。因此，要求在使用氣相色譜儀進(jìn)行檢測工作的過程中，應(yīng)加強(qiáng)對于外界環(huán)境溫度和濕度的控制，要求環(huán)境濕度在40%～70%之間，溫度控制范圍為15～30 ℃。

第二，環(huán)境灰塵。為保障設(shè)備使用運(yùn)行的可靠性以及穩(wěn)定性，在檢測期間，應(yīng)加強(qiáng)對于環(huán)境的管理，做好防塵工作，空氣中包含大量的懸浮灰塵，尤其是化工生產(chǎn)企業(yè)環(huán)境當(dāng)中的灰塵更多，若長期不進(jìn)行處理，導(dǎo)致灰塵堆積，甚至進(jìn)入到檢測儀器內(nèi)部，影響儀器設(shè)備運(yùn)行的穩(wěn)定性，縮短儀器使用壽命。因此，在實(shí)際使用氣相色譜儀展開檢測工作的過程中，應(yīng)做好室內(nèi)清潔工作。

第三，電磁信號。氣相色譜儀檢測過程中，需要將測得的結(jié)果轉(zhuǎn)化為電信號，而且有著極高的靈敏度，因此外界電信號對于氣相色譜儀的影響和干擾相對較大，使得檢測結(jié)果存在出入，甚至可能會出現(xiàn)假熄火情況。因此，在實(shí)際檢測過程中，相關(guān)工作人員應(yīng)采取有效的抗外部電磁干擾措施，確保氣相色譜儀得以有效運(yùn)行。

3.2 控制實(shí)驗(yàn)操作

為降低檢測誤差出現(xiàn)的概率，保障氣相色譜儀的作用價值得到最大程度的發(fā)揮，在實(shí)際應(yīng)用氣相色譜儀的過程中，應(yīng)加強(qiáng)檢測操作流程的控制，明確操作要點(diǎn)以及規(guī)范要求。實(shí)際化工生產(chǎn)過程中，氣相色譜儀檢測要點(diǎn)包括以下幾個方面。

第一，加強(qiáng)樣品采集控制。由于化工生產(chǎn)環(huán)境較為復(fù)雜，產(chǎn)物較多，為避免其他物質(zhì)對于檢測結(jié)果的影響，應(yīng)加強(qiáng)對于樣品采集環(huán)節(jié)的重視。樣品采集前需要對盛放以及使用的工具、器械等進(jìn)行清理，確保其清潔度符合檢測規(guī)范要求，并對不同類型的器具進(jìn)行分類存放和保存，以免出現(xiàn)交叉污染。

第二，氣體樣品存儲管理。氣體樣品組分檢測是化工生產(chǎn)過程中的常見情況，為保障樣品采集質(zhì)量，應(yīng)使用耐壓鋼瓶或者鋁箔氣袋存儲氣體樣品。為避免氣體受到污染，也可使用第三方操作工具。做好工具的清潔處理，避免發(fā)生污染，影響檢測結(jié)果的精準(zhǔn)性。

第三，進(jìn)樣壓力控制。對于氣體樣品的檢測工作而言，實(shí)際操作流程較為簡單，無需進(jìn)行氣化處理，只需要確保氣體樣品的進(jìn)樣壓力符合檢測規(guī)范，保障進(jìn)樣壓力穩(wěn)定、均勻即可。值得注意的是，在升壓過程中，不僅要控制好壓力變化，同時還應(yīng)加強(qiáng)對于氣體狀態(tài)的關(guān)注，嚴(yán)格按照相關(guān)檢測流程展開操作，全面保障進(jìn)樣質(zhì)量效果。

第四，科學(xué)處理檢測數(shù)據(jù)。氣相色譜儀具有自動展開檢測數(shù)據(jù)分析處理的功能，但同時，檢測過程中也不能完全依賴計算機(jī)，檢測工作人員也需要對氣相色譜儀輸出的數(shù)據(jù)進(jìn)行對比和校驗(yàn)，確保檢測結(jié)果的可靠性。此外，還應(yīng)根據(jù)實(shí)際情況、氣相色譜儀的特點(diǎn)，分析數(shù)據(jù)形成原因和特征，并做好相關(guān)準(zhǔn)備，全面保障數(shù)據(jù)信息的精準(zhǔn)程度。由于化工生產(chǎn)產(chǎn)品種類較多，組成成分復(fù)雜，因此在檢測過程中，得到的圖譜峰值較多，應(yīng)從定量以及定性兩個角度，對峰值展開全面、詳細(xì)地分析，計算出準(zhǔn)確的組分含量，并判斷檢測結(jié)果的可靠性。

3.3 其他注意事項

為全面保障氣相色譜儀在化工生產(chǎn)過程中的應(yīng)用效果，不僅要加強(qiáng)檢測環(huán)境、檢測過程的控制，同時還應(yīng)注意以下兩個方面。

一方面，確保檢測人員具備豐富的檢測經(jīng)驗(yàn)、操作能力以及專業(yè)知識，能夠根據(jù)實(shí)際樣品特點(diǎn)和檢測要求，選擇合理的色譜柱。同時應(yīng)確保實(shí)驗(yàn)操作過程中氣路連接良好、準(zhǔn)確，信號線端口對接無誤，確?；どa(chǎn)檢驗(yàn)結(jié)果精準(zhǔn)、可靠。

另一方面，加強(qiáng)檢測儀器的管理和維護(hù)，定期使用吹掃設(shè)備對氣相色譜儀進(jìn)行清理。在設(shè)備停機(jī)后，可直接打開儀器側(cè)面和后面的面板，并使用空氣或者氮?dú)膺M(jìn)行吹掃。對于積灰較多、空間較小的位置，可在吹掃之后，使用柔軟毛刷二次清理。在完成吹掃工作后，還需要對內(nèi)部污染區(qū)域進(jìn)行擦洗，若污染物為水溶性有機(jī)物可使用清水擦拭；對于清洗困難的部分，則可用有機(jī)溶劑擦拭。值得特別注意的是，應(yīng)避免對儀器部件等造成二次腐蝕污染[4]。

4 結(jié)語

綜上所述，化工生產(chǎn)中氣相色譜儀的應(yīng)用主要體現(xiàn)在物質(zhì)成分檢測和氣體分析兩個方面。在實(shí)際應(yīng)用氣相色譜儀的過程中，應(yīng)先明確檢測目的，結(jié)合待檢測物質(zhì)的實(shí)際情況，合理設(shè)計實(shí)驗(yàn)。同時為保障檢測結(jié)果的可靠性，應(yīng)加強(qiáng)對于實(shí)驗(yàn)環(huán)境溫濕度的控制，確保實(shí)驗(yàn)操作標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范，避免樣品遭受污染。此外還應(yīng)定期對氣相色譜儀進(jìn)行清理和維護(hù)，以此確保氣相色譜儀的應(yīng)用價值能夠在化工生產(chǎn)過程中得到最大程度的發(fā)揮。