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        GC-126PDD氦離子氣相色譜儀在特氣分析中的應(yīng)用

        2015-12-25 03:21:52
        低溫與特氣 2015年3期
        關(guān)鍵詞:氣路硅烷流程圖

        李 聰

        (杭州克柔姆色譜科技有限公司,浙江杭州 310012)

        特種氣體隨著我國(guó)的工業(yè)氣體的發(fā)展,越來(lái)越多地得到眾多行業(yè)的應(yīng)用,產(chǎn)品的進(jìn)口數(shù)量與品種不斷地增加;市場(chǎng)的需求促使國(guó)內(nèi)一些具備研發(fā)、生產(chǎn)能力的氣體生產(chǎn)單位紛紛上項(xiàng)目,來(lái)滿足國(guó)內(nèi)市場(chǎng)的使用。因此,特氣生產(chǎn)工藝參數(shù)的檢測(cè),產(chǎn)品質(zhì)量的控制,決定著配備一臺(tái)特種氣體專用的色譜儀十分重要。

        本文依據(jù)電子用工業(yè)氣體標(biāo)準(zhǔn)的規(guī)定,采用了VICI公司的PDHID檢測(cè)器,按特氣分析要求專門配置了一種特氣樣品取樣裝置,并設(shè)計(jì)了一套能完成對(duì)特氣雜質(zhì)組分分離檢測(cè)的色譜分析流程;該流程分離系統(tǒng)較好地解決了特氣中微量O2的色譜法測(cè)定,且O2峰的靈敏度高、峰面積重復(fù)性好;儀器使用了本公司自主研發(fā)制備的第二代高純氣5A分子篩柱子,是解決雜質(zhì)O2分析的重要核心技術(shù)。

        1 取樣方法

        特種氣體由于其化學(xué)性質(zhì)不同,會(huì)表現(xiàn)在遇空氣中的氧自燃污染并堵塞氣管、遇空氣中的水分發(fā)生水解生成HF等腐蝕管路;部分特氣具有較強(qiáng)的毒性,在樣品閥門與色譜計(jì)量針閥連接處容易泄漏或者有殘留擴(kuò)散到環(huán)境中危害人身安全。因此,需要正確取樣來(lái)保證樣品的真實(shí)可靠,防止樣品被氧化或水解;同時(shí)要確保樣品能在一個(gè)全封閉的惰性保護(hù)氣(He)氛圍氣管中置換與吹掃。

        1.1 氣路工藝流程圖

        本儀器配置了一套專用于特種氣體取樣的裝置,其氣路工藝流程見(jiàn)圖1。

        圖1 特種氣體取樣氣路工藝流程圖Fig.1 Process flow sheet of specialty gases sampling

        1.2 取樣氣路的置換與吹掃作用原理

        1.用惰性氣體(He)反復(fù)多次對(duì)氣路增壓、卸壓來(lái)置換出氣路中的空氣;2.同樣用樣品多次對(duì)氣路增壓、卸壓來(lái)置換出氣路中的惰性氣體;3.等樣品分析完成后,再用第一次的方法置換走氣路中的樣品。4.為確保高純氣體分析的氣路純凈,可封閉取樣計(jì)量針閥樣品接口處,讓氣路用保護(hù)氣以低流量吹掃之。

        1.3 取樣系統(tǒng)的氣密性試驗(yàn)

        用He避開取樣系統(tǒng)直接進(jìn)樣分析置換用的惰性氣體(He),考查雜質(zhì)O2、N2的峰高值與氣體供應(yīng)商產(chǎn)品質(zhì)量數(shù)據(jù)相同;再將取樣裝置的氣路串聯(lián)切換到分析的氣路中來(lái),用第一次的方法置換出管路的空氣,再次分析置換用的惰性氣體(He),雜質(zhì)O2、N2的峰高值沒(méi)有增加,表明氣路中的氣密性完全符合高純氣分析的要求。

        2 實(shí)驗(yàn)

        2.1 儀器設(shè)備

        GC-126PDD氦離子氣相色譜儀,配置PDHID檢測(cè)器,載氣用VICI公司HP-2純化器凈化去除雜質(zhì),安裝Chrom特氣取樣裝置;并采用了Chrom自主研發(fā)制備的色譜分離柱子。

        2.2 儀器的實(shí)驗(yàn)條件

        預(yù)分離柱 Silica-gel(60~80目)填料1/8”×1.8 m,柱溫 60 ℃,柱流量 32 mL/min;Molecular Sieve 5A分子篩柱(60~80目)1/8”×2 m,柱溫60℃,柱流量32 mL/min;Hayesep A填充柱(60~80目)1/8”×5 m,柱溫 40℃,柱流量 30 mL/min;PDHID檢測(cè)器溫度120℃。

        2.3 標(biāo)準(zhǔn)氣體

        表1的標(biāo)準(zhǔn)氣體由中昊光明化工研究設(shè)計(jì)院有限公司配制。

        表1 標(biāo)準(zhǔn)氣體Table 1 Standards gas

        表2標(biāo)準(zhǔn)氣體由中昊光明化工研究設(shè)計(jì)院有限公司配制。

        2.4 試驗(yàn)流程圖

        試驗(yàn)流程圖見(jiàn)圖2。

        2.5 系統(tǒng)分離柱的性能評(píng)價(jià)

        2.5.1 預(yù)分離柱Silica-gel的制備

        實(shí)驗(yàn)通過(guò)對(duì)硅膠質(zhì)體作特殊的活性處理,并且在填充成色譜柱后使用一定的柱溫度活化,這里我們以Silica-gel柱檢測(cè)CO2峰形對(duì)稱、基流低于50~60 mV信號(hào)以下,認(rèn)為可以滿足電子特氣的預(yù)切分離柱條件,分離效果見(jiàn)圖3。

        圖2 試驗(yàn)流程圖Fig.2 Test flow sheet

        圖3 Silica-gel柱分離效果Fig.3 Chromatogram figure of silica-gel volume

        2.5.2 Molecular Sieve 5A分子篩柱制備后的性能與使用條件(見(jiàn)圖4、圖5)

        圖4 標(biāo)氣中無(wú)Ar組分,O2峰的靈敏度峰高試驗(yàn);5A直接進(jìn)樣標(biāo)氣Fig.4 No Ar component in calibration standard gas,O2 peak sensitivity,height experiments;calibration standard gas direct injection in 5A column

        圖5 標(biāo)氣中無(wú)Ar組分;O2峰的重復(fù)性試驗(yàn);5A前串聯(lián)Silica-gel作預(yù)切柱Fig.5 No Ar component in calibration standard gas;O2 peak repeatability experiments;before 5A column in series with a silica-gel column as precutting column

        2.6 分析的定量方法

        采用峰面積外標(biāo)法計(jì)算結(jié)果,濃度單點(diǎn)校正。

        2.7 分析特氣

        2.7.1 高純硅烷、乙硅烷流程圖(見(jiàn)圖6)

        圖6 純硅烷、乙硅烷流程Fig.6 Flow sheet of SiH4,Si2H6

        浙江賽林硅業(yè)硅烷分析見(jiàn)色譜圖7,硅烷5A中雜質(zhì)(H2,O2,N2,CH4,CO)。

        圖7 硅烷5A中雜質(zhì)(H2,O2,N2,CH4,CO)分析色譜圖Fig.7 Impurities in silane with 5A column(H2,O2,N2,CH4,CO)

        圖8 硅烷DC-200中雜質(zhì)(C2 H6,Si2H6等)Fig.8 Impurities in silane with DC-200 column(C2 H6,Si2 H6)

        圖 9 乙硅烷 5A 中雜質(zhì)(H2,O2,N2,CH4,CO)Fig.9 Impurities in disilane with 5A column(H2,O2,N2,CH4,CO)

        圖10 乙硅烷DC-200中雜質(zhì)(NH3+SiH4,C2 H6,C2 H4等)Fig.10 Impurities in disilane with DC-200 column(NH3,SiH4,C2 H6,C2 H4)

        2.7.2 超純氨流程圖(見(jiàn)圖11)

        圖11 超純氨流程圖Fig.11 Flow sheet of high purify ammonia

        蘇州金宏超純氨樣品分析見(jiàn)色譜圖12:NH3中在5A 柱上雜質(zhì)(H2,O2,N2,CH4,CO)以及在Hayesep A+Chrom S柱子上雜質(zhì)(CO2)。

        圖12 超純氨樣品分析色譜圖Fig.12 Impurities in ammonia

        3 實(shí)驗(yàn)過(guò)程與結(jié)果的討論

        3.1 特氣取樣裝置在色譜儀上的重要性與其他分析儀兼容性及擴(kuò)展

        1.重要性:通過(guò)裝置的操作可以充分地置換出氣路管中的空氣,杜絕了特氣樣品在管線中的反應(yīng)來(lái)污染或侵蝕氣中管道;分析完成后管線中殘留樣品又能被吹掃He氣替換掉,拆除針閥后不會(huì)有特氣殘氣擴(kuò)散到危機(jī)分析人員的人身安全的環(huán)境中。

        2.兼容性:高純氣雜質(zhì)的分析還包括微量水分等,同樣水分分析儀對(duì)樣品取樣也要一套樣品的置換與吹掃裝置,但如果等色譜分析完成同時(shí)從色譜取樣回路中切換一路到水分儀分析中來(lái),一來(lái)樣品充分被吹掃,樣品的水分測(cè)定數(shù)據(jù)穩(wěn)定快速、準(zhǔn)確,工作效力大提高,二來(lái)水分儀的取樣裝置可以減少投資,雜質(zhì)含量的分析同步完成。

        3.在線式:由于采用四通切換閥,樣品可分獨(dú)立二單元?dú)饴?,?biāo)氣可分配給在線式樣品取樣分析,來(lái)實(shí)踐在線連續(xù)實(shí)時(shí)分析。

        3.2 特氣中微量氧的色譜法建立的重要條件

        1.預(yù)分離柱子不應(yīng)吸附樣品氣中的微量氧,這里采用硅膠質(zhì)體作固定相;

        2.制備的5A分子篩柱子凈化透徹且分離良好,微氧分離具有富氧分子篩特性。

        3.填制的5A分子篩柱子應(yīng)采用VCR或優(yōu)質(zhì)金屬卡套連接。

        3.3 特氣中O2雜質(zhì)在配標(biāo)氣中的濃度要求

        這里建議高純特氣氧雜質(zhì)濃度組分標(biāo)準(zhǔn)氣體中配≤5×10-6,一來(lái)作單點(diǎn)ID表線性較好;二來(lái)低濃度的峰高如果飽和度好,才能真正地反映5A色譜柱子的純凈度。

        3.4 特氣中O2雜質(zhì)在取樣環(huán)節(jié)的要求

        1.試驗(yàn)表明,取樣定量管內(nèi)在無(wú)壓力狀態(tài)下恒流進(jìn)樣分析,O2雜質(zhì)靈敏度較小;

        2.當(dāng)在取樣定量管內(nèi)恒定0.1~0.2 MPa壓力,流量在50~100 mL/min,O2雜質(zhì)出峰靈敏度最高。

        [1]曾素芳,劉麗華.AGC公司單臺(tái)DID氣相色譜儀對(duì)多種氣體的分析應(yīng)用[C]∥全國(guó)特種氣體年會(huì)論文集.大連:全國(guó)特種氣體信息站,2012.

        [2]賈兆昌,龐先勇.分子篩吸附和擴(kuò)散性質(zhì)的氣相色譜研究[D].太原:太原理工大學(xué),2007.

        [3]要秀娟.擴(kuò)孔硅膠DG-2在氣相色譜中的應(yīng)用[C]∥天津市第十四次色譜學(xué)校交流會(huì)論文集.天津:天津市色譜研究會(huì).

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