瓦斯成分色谱分析

瓦斯成分色谱分析瓦斯成分色谱分析 一、实验目的一、实验目的 1. 了解气相色谱仪的主要结构单元及各部分的功能； 2. 掌握气相色谱法的基本原理及使用方法； 3. 掌握气体采集方法； 4. 掌握运用气相色谱仪分析气体的基本步骤和操作流程； 5. 掌握利用数据分析软件处理实验数据的能力； 6. 分析影响测试结果误差的主要因素，提出减小分析误差的措施。 二、实验原理二、实验原理 气相色谱法是一种物理化学分离分析方法。分析瓦斯成分时，我们通过色 谱仪的定量管把被测瓦斯样品送进气相色谱仪的进样口内，瓦斯样品中的各种 组分，经过进样口后被载气送进色谱柱逐渐被分离，然后进入检测器，由检测 器把通过色谱柱后，按一定顺序逐个流出的各组分的浓度信号转变为电信号， 经过测量臂检测，形成按时间顺序排列的谱峰面积图，这些色谱图通过微机软 件定性分析处理和定量计算后，就可以求得被分析瓦斯样品中各组分的百分含 量。 分离原理：不同物质在固定性和流动相中具有不同的分配系数 K，当两相 做相对运动时，被测物质会在两相间依据不同的分配系数作多次分配以达到动 态平衡，从而使得各组分得到分离。 流程如下图所示： 1. 转化炉的转化原理 当分项测定一氧化碳、二氧化碳、甲烷时，试样进样后先经色谱柱分离， 再进入甲烷化转化器转化为甲烷，用氢火焰离子化检测器（FID）进行测定。转 化反应如下： 2. 色谱仪气路系统图 通过四根根特殊色谱柱完成对 H2、N2、O2、CO、CO2、烷烃、烯烃、炔烃 的常量及微量组份分析。 色谱柱 A 主要用来检测 O2、N2、CH4、CO 等气体； 色谱柱 B 主要用来检测 CO2； 色谱柱 C 主要用来检测 CH4、C2H4、C2H6、C2H2等气体； 色谱柱 D 主要用来检测 CO、CH4、CO2等气体。 因此，在检测气体成分时应根据检测目的将被检测气体通过相应的六通阀 注入色谱仪进行检测。 图 2 色谱仪气路系统图 3. 氢火焰离子化检测原理（FID-Flame Ionization Detector） 1) 特点 （1）对有机化合物灵敏度很高，对无机气体、水、四氯化碳等含氢少或不 含氢的物质灵敏度低或不响应； （2）具有结构简单、稳定性好、灵敏度高、响应迅速等特点； 2）结构 由离子室和放大电路组成，如下图所示。 （1）发射极和收集极之间加一定的直流电压（100-300V）构成加电场； （2） FID 在工作时需要载气（N2、H2） 、燃气（H2）和助燃气（Air） 。 测试时需要调整三者之间的比例关系，以使检测器灵敏度打到最佳。 3）工作原理 当氢气在空气中燃烧时，火焰中的离子是很少的，但如果有碳氢化合物存 在时，离子就大大增加了。从柱后流出的载气和被测样品与氢气混合在空气中 燃烧（火焰如下图所示） ，有机化合物被电离成正负离子，正负离子在电场的作 用下就产生了电流，这个电流经微电流放大器放大后，可用记录仪或数据处理 机下来做为定量的依据（色谱图） 。具体工作原理分析如下图所示： （1）当载气含着有机物 CnHm 由喷嘴喷出进入火焰时，在 C 层发生裂解 反应产生自由基： CHHC mn （2）产生的自由基在 D 层火焰中与外面扩散进来的激发态原子氧或分子 氧发生如下反应： eCHOOCH （3）生成的正离子与火焰中大量水分子碰撞而发生分子离子反应： CHO COOHOHCHO 32 （4） 化学电离产生的正离子和电子在外加恒定直流电场的作用下分别向 两极定向运动而产生微电流。在一定范围内，微电流的大小与进入离子室的被 测组分质量成正比，因此氢焰检测器是质量型检测器。 （5）离子电流信号经放大后输出到记录仪，得到峰面积与组分质量成正比 的色谱流出曲线。 4）影响因素 （1）各种气体流速配比 N2：H21：11：1.5 氢气：空气1：10 （2）极化电压 正常极化电压选择在 100300V 范围内。 （3）氢焰检测器的温度 检测器温度一般大于 120 （4） 其他操作条件 组件的绝缘、屏蔽、接触是否良好，管路及离子室的清洁，气体的净化等。 4. 热导检测器（TCD-Thermal Conductivity Detector） 1）特点 TCD 是目前气相色谱仪上应用最广泛的一种能用型检测器。它结构简单， 稳定性好，灵敏度时钟，线性范围宽，对所有被分析物质均有响应，而且不破 坏样品，多用于常量分析，目前应用较为广泛。 当载气（H2）混有被测样品时，由于热导系数不同，破坏了原有热平稳状 态，使热丝温度发生变化，随之电阻也就改变，电阻值的变化可以通过惠斯登 电桥测量出来，所得电信号的大小与在载气中浓度成正比，经放大后，记录下 来做为定性定量的依据（色谱图） 。 2）结构 由池体和热敏元件组成，如下图所示 池体：一般用不锈钢制成，其中有两个或四个大小相同、形体完全对称的孔道。 孔道内各固定一根长短、粗细和电阻值完全相同的金属丝作热敏元件。热敏元 件：为提高灵敏度，热敏元件一般选用电阻率高、电阻温度系数大的钨丝。 3）检测原理 4） 影响因素 （1） 电流。电流增加，热丝温度升高，热丝和池体之间的温差增大，有 利于气体的热传导，灵敏度提高。热导检测器的灵敏度和电流的三次方成正比， 因此增加桥电流可提高灵敏度。当电流太高，会造成基线不稳，噪声增大，甚 至会烧坏热丝。 （2）池体温度。池体温度与钨丝温度相差越大，可提高灵敏度。但检测器 温度不能低于分离柱温度，否则待测组分会在检测器内冷凝。 （3）载气。载气与待测组分的热导系数相差越大，在检测器两臂中产生的 温差和电阻差也越大，检测灵敏度越高。 5. 数据处理工作站 1）功能 将接收到的色谱仪检测器输出的电信号转化成数字信号并加以处理计算， 得到真实可信的检测样品的浓度或含量值并打印出分析的结果报告. 2）组成 色谱数据处理工作站是通过数据采集卡（接口板） 、信号线、计算机、打印 机及相应的软件来实现的。软件的处理即操作者通过使用软件对采集到的信号 识别、判定、选择公式计算等。 3）处理过程 处理过程是对检测样品定性和定量的过程，在分析过程中通常是通过对已 知浓度或含量的样品先分析来达到定性的目的：在工作站上表现为此标样（已 知样品）的保留时间、峰面积/峰高等结果。定量过程则是在得到标样的保留时 间、峰面积/峰高后选择相应的计算方法（内标、外标等）并据此求出相应的校 正因子后对未知样品的求解过程，这一过程在工作站上已大为简化，只要求出 标样的定性结果（即求出相应计算方法下的校正因子）后直接在色谱仪上进未 知样品，采样结束后即可得到未知样品的含量或浓度报告。 三、实验药品及仪器三、实验药品及仪器 1煤矿专用色谱仪、气相色谱工作站； 2标准气体（氮气、甲烷、氧气、二氧化碳） ； 3气体采集器（注射器、六通阀） ； 4氢气发生器； 5测试混合标准气体（瓦斯） 。 四、实验装置图四、实验装置图 主要实验装置如下图所示。 主机、氢火焰离子化检测器（FID） 、热导检测器、转化炉、四根专用色谱 柱、四气路、四套六通阀。 图 1 气相色谱 图 2 氢气发生器 图 3 气瓶 五、实验步骤五、实验步骤 1气样采集 用气体采集器采集被测气体样品，如被测气体湿度过大或含有大量粉尘时， 需用无吸附作用的干燥剂和过滤器对被测气体样品进行过滤。 2. 气体检测及色谱分析 1）启动色谱仪（此步骤由实验指导教师提前完成） 使用色谱仪进行检测时，需提前启动色谱仪进行预热或活化色谱柱。预热 需 30 分钟左右，活化色谱柱需 824h。 2）气体检测及色谱分析 a、启动工作站 b、进标准气样，用工作站