胡樹(shù)國(guó) 樊俊顯
(中國(guó)計(jì)量科學(xué)研究院,北京 100013) (平頂山市質(zhì)量技術(shù)監(jiān)督檢驗(yàn)測(cè)試中心,平頂山市 467000)
硫化氫(H2S)是無(wú)色、有臭雞蛋氣味的毒性氣體,在大氣中被視為污染物。近些年來(lái),硫化氫得到人們?cè)絹?lái)越多的關(guān)注,在環(huán)境[1,2]、安全[3,4]、電力[5,6]、地質(zhì)[7,8]、生物[9,10]、衛(wèi)生醫(yī)療[11,12]、計(jì)量[13,14]等領(lǐng)域都有對(duì)硫化氫的研究。隨著各領(lǐng)域?qū)α蚧瘹潢P(guān)注度的不斷提高,硫化氫標(biāo)準(zhǔn)的制備以及檢測(cè)方法成為研究的熱點(diǎn)。不同領(lǐng)域?qū)α蚧瘹錁?biāo)準(zhǔn)的濃度和檢測(cè)方法要求不盡相同。硫化氫分子是V型分子,具有較強(qiáng)極性,由于其易吸附,所以制備和準(zhǔn)確定量分析低含量硫化氫就成為一個(gè)難題。
硫化氫標(biāo)準(zhǔn)的制備有兩種方法:當(dāng)硫化氫含量較高時(shí),通常采用重量法制備,標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)一般儲(chǔ)存在內(nèi)壁處理過(guò)的氣瓶中;當(dāng)硫化氫含量較低(1×10-6mol/mol)時(shí),一般會(huì)采用動(dòng)態(tài)法制備,如采用硫化氫的滲透管,通過(guò)滲透裝置發(fā)生低含量的硫化氫氣體標(biāo)準(zhǔn)。滲透法是國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)ISO 6145[15]動(dòng)態(tài)體積法制備校準(zhǔn)用混合氣體中的一種方法,此方法應(yīng)用范圍廣,但考慮到其需要一個(gè)滲透管裝置以及在操作上較為繁瑣,本實(shí)驗(yàn)采用ISO 6145國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)中給出的另外一種快速、簡(jiǎn)單的方法——質(zhì)量流量控制器(Mass Flow Controller, MFC)法,通過(guò)高濃度有證標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)制備含量低于1×10-6mol/mol的硫化氫氣體標(biāo)準(zhǔn),計(jì)劃將其用于口腔氣體檢測(cè)儀的校準(zhǔn)。
高精度數(shù)字式質(zhì)量流量控制器:SEC-Z500型,標(biāo)稱(chēng)精度為±1%(不低于滿(mǎn)量程25%),±0.25%(不大于滿(mǎn)量程25%),線(xiàn)性度0.5%,重復(fù)性0.2%,日本Horiba公司;
氣體活塞式流量計(jì): ML-800-24型,美國(guó)BIOS公司;
硫化氫分析儀:AO2020型,德國(guó)ABB公司;
總硫分析儀:TS3000型,荷蘭Thermo公司;
H2S/N2:2 998 μmol/mol,工作標(biāo)準(zhǔn),中國(guó)計(jì)量科學(xué)研究院;
H2S/N2:30.06 μmol/mol,編號(hào)GBW(E)081525,中國(guó)計(jì)量科學(xué)研究院;
H2S/N2:10.29 μmol/mol,編號(hào)GBW(E)081525),中國(guó)計(jì)量科學(xué)研究院;
高純N2:BIP,99.999%,北京氦普北分氣體工業(yè)有限公司。
為了確保由兩個(gè)MFC組成的稀釋裝置的可靠性,首先對(duì)稀釋裝置進(jìn)行了驗(yàn)證。分別使用皂膜流量計(jì)和氣體活塞式流量計(jì)對(duì)兩個(gè)高精度MFC進(jìn)行了測(cè)試,結(jié)果表明其流量控制的準(zhǔn)確度偏差均在±0.5%以?xún)?nèi),重復(fù)性和線(xiàn)性度符合其出廠指標(biāo)規(guī)定。為了驗(yàn)證稀釋裝置的可靠性,使用硫化氫分析儀通過(guò)對(duì)稀釋后硫化氫和重量法制備的標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)含量進(jìn)行了比對(duì),結(jié)果見(jiàn)表1。
表1 2 998 μmol/mol氣體稀釋后在硫化氫分析儀上的分析結(jié)果
表1中稀釋后理論濃度值與儀器示值之間呈線(xiàn)性關(guān)系,線(xiàn)性方程為Y=0.994 2X+0.031 5,r2=1.000(其中Y為儀器示值,X為稀釋后濃度)。
圖1、圖2是總硫分析儀改裝前進(jìn)樣模塊取樣和進(jìn)樣的示意圖,其中連接十通閥的管線(xiàn)均為1/16英寸的不銹鋼管,且在進(jìn)樣前還加有一個(gè)調(diào)壓閥。因此,樣品氣必須具有一定的壓力才能通過(guò)十通閥的定量環(huán)進(jìn)入儀器。
圖3是改裝后的進(jìn)樣示意圖。改裝共有3處:(1)去除了進(jìn)樣口處的調(diào)壓閥,以便樣品氣直接進(jìn)入十通閥。同時(shí),在入口處加裝三通,將多余的樣品氣放空;(2)在原來(lái)放空出口處依次連接質(zhì)量流量控制器和隔膜泵。接在最后的隔膜泵可以產(chǎn)生一定的負(fù)壓,使得樣品氣能在常壓下進(jìn)入十通閥的定量環(huán),而質(zhì)量流量控制器可以穩(wěn)定控制流量,確保每次進(jìn)樣量一致;(3)去除多余的定量環(huán),減少樣品氣流經(jīng)管線(xiàn)的長(zhǎng)度。
圖1 TS3000總硫分析儀進(jìn)樣模塊改裝前的取樣示意圖
圖2 TS3000總硫分析儀進(jìn)樣模塊改裝前進(jìn)樣示意圖
圖3 TS3000總硫分析儀進(jìn)樣模塊改裝后進(jìn)樣示意圖
使用改裝后的儀器分別對(duì)稀釋裝置發(fā)生的含量為10.29 μmol/mol的硫化氫氣體與通過(guò)重量法制備的10.29 μmol/mol的硫化氫氣體標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)進(jìn)行比對(duì),它們?cè)趦x器上對(duì)應(yīng)的峰面積分別為1 856.2和1 855.9,相對(duì)偏差小于0.1%,由此可知,改裝后儀器的性能沒(méi)有受到影響。
利用改裝后的總硫分析儀對(duì)稀釋裝置發(fā)生含量范圍在0.1~0.9 μmol/mol的硫化氫氣體進(jìn)行測(cè)試,測(cè)試結(jié)果見(jiàn)表2和圖4。
表2 總硫分析儀改裝后對(duì)低含量H2S/N2分析結(jié)果
圖4 H2S稀釋后濃度與在儀器上對(duì)應(yīng)峰面積的線(xiàn)性關(guān)系
由圖4可知,H2S稀釋后的理論濃度與在儀器上對(duì)應(yīng)的峰面積呈良好的線(xiàn)性,線(xiàn)性方程為Y=2 746.733 2C+7.1191,r2=1.000 0,其中Y為峰面積,C為稀釋后H2S濃度。
通過(guò)裝置稀釋后得到氣體濃度的不確定度主要有兩方面來(lái)源:混合氣(標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì))的不確定度;稀釋裝置的不確定度??梢愿鶕?jù)式(1)進(jìn)行評(píng)價(jià)。
(1)
式中:C——稀釋后氣體濃度,mol/mol;
C0——混合氣的濃度,mol/mol;
L——控制混合氣的MFC的流量,mL/min;
K——控制稀釋氣的MFC的流量,mL/min。
(1)本研究改裝的稀釋裝置是依據(jù)國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)ISO 6145動(dòng)態(tài)法制備校準(zhǔn)混合氣中的第7部分:質(zhì)量流量控制器中的原理和方法研制的。由表1數(shù)據(jù)可知,在相同稀釋比例下,MFC在一定范圍內(nèi)設(shè)定不同流量時(shí),稀釋結(jié)果不會(huì)受到影響;稀釋裝置的準(zhǔn)確度以及線(xiàn)性均很好。
(2)目前實(shí)驗(yàn)室中最常見(jiàn)的可以準(zhǔn)確定量檢測(cè)硫化氫的儀器主要是帶有FPD檢測(cè)器的氣相色譜儀,而含量低于1 μmol/mol的硫化氫氣體的檢測(cè)就相對(duì)比較困難。本研究改裝使用的TS3000總硫分析儀的靈敏度高,檢測(cè)限可達(dá)20 nmol/mol。從表2實(shí)驗(yàn)結(jié)果可以判斷,改裝后的總硫分析儀仍然具有很好的線(xiàn)性,說(shuō)明改裝后的總硫分析儀能很好地檢測(cè)低含量的硫化氫氣體,未影響儀器的性能。
(3)目前市場(chǎng)上有許多氣體檢測(cè)儀器都采用類(lèi)似本研究中總硫分析儀的氣體進(jìn)樣模式,參照本方法,根據(jù)儀器的具體情況,經(jīng)過(guò)簡(jiǎn)單改裝后,儀器均可以增加檢測(cè)范圍,提高儀器的使用率。該改裝方法不會(huì)損壞儀器,而且易于恢復(fù)儀器原來(lái)的狀態(tài),是對(duì)現(xiàn)有儀器進(jìn)行改進(jìn)的一種實(shí)用且簡(jiǎn)便的方法。
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