在氣相色譜的使用過(guò)程中,氮?dú)獾挠猛局饕袃煞N:一方面使用氮?dú)庾鳛闅庀嗌V分析的載氣,進(jìn)行樣品分離和分析;另一方面,當(dāng)使用毛細(xì)柱進(jìn)行分析時(shí),一般需要使用與載氣相同的氣體作為尾吹氣。
鋼瓶氮?dú)庑枰驓怏w供應(yīng)商購(gòu)買,一般采用深冷分離法從空氣中獲得,適合大規(guī)模工業(yè)制氮;氮?dú)獍l(fā)生器的種類、原理和結(jié)構(gòu)多種多樣,從原理上來(lái)講,一般分為三種,即:電解法、膜分離法,以及變壓吸附(PSA)&碳分子篩法。
一 電解法制氮
使用電解法制氮原理的氮?dú)獍l(fā)生器,其主要特點(diǎn)就是儀器具有電解液儲(chǔ)液桶,見下圖:
其主要原理是:原料空氣進(jìn)入到電解池中,空氣中的氧在陰極被附而獲得電子,與水作用生成氫氧根離子并遷移到陽(yáng)極,在陽(yáng)極處失去電子析出氧氣,因此空氣中的氧不斷被分離,只留下氮?dú)怆S氣路被輸出。
一般而言,加KOH液體(水)的電解法氮?dú)獍l(fā)生器所產(chǎn)生的氮?dú)庵泻扛咔規(guī)в幸欢ǜg性,雖然氣路出口具有凈化裝置,但是如果凈化效果不佳或者凈化裝置失效,容易造成色譜儀不穩(wěn)定,長(zhǎng)時(shí)間使用還會(huì)造成色譜柱柱效降低等后果。因此,不建議使用該種原理產(chǎn)生的發(fā)生器來(lái)做氣相色譜儀載氣。
二 膜分離法制氮
利用膜(中空纖維膜)分離法制氮的基本原理是:當(dāng)兩種或兩種以上的氣體混合物通過(guò)中空纖維膜時(shí), 由于氣體在膜中的溶解度和擴(kuò)散系數(shù)有差異, 因而這些氣體在膜中的相對(duì)滲透率是不同的。當(dāng)混合氣體在驅(qū)動(dòng)力(膜兩側(cè)壓力差) 作用下通過(guò)中空纖維膜時(shí), 滲透速率相對(duì)快的氣體, 如水、氫氣、硫化氫、二氧化碳等, 快速透過(guò)膜進(jìn)入膜的另一側(cè)。而滲透速率相對(duì)較慢的氣體, 如甲烷、氮?dú)狻⒁谎趸嫉龋?則被膜滯留在這一側(cè)而富集, 從而達(dá)到使混合氣體分離的目的。
其中,膜式空氣分離器是制氮的核心部件。
一般而言,采用膜分離制氮得到的氮?dú)饧兌龋?9.9%,可以用在一般的常量分析之中。
三 變壓吸附(PSA)&碳分子篩法制氮
1 變壓吸附的原理
變壓吸附是用于分離混合氣體,提取某一氣體組分的技術(shù),是指在系統(tǒng)溫度維持不變的情況下,通過(guò)升高或降低系統(tǒng)的壓力來(lái)不斷地改變吸附劑的吸附量從而達(dá)到組分分離的方法;主要體現(xiàn)在較高壓力下進(jìn)行吸附,在較低壓力下(常壓或真空)使吸附的組分解吸出來(lái),從而得到得到氣體產(chǎn)物。
2 變壓吸附用于氧氮分離
實(shí)驗(yàn)室制氮過(guò)程中常使用分子篩作為變壓吸附中的吸附劑,因此有的廠家稱之為碳分子篩法。
以上圖為例,制氮的基本過(guò)程為:
(1)在采用碳分子篩為吸附劑時(shí),碳分子篩對(duì)氧氮的吸附速度相差很大。在高壓下,空氣進(jìn)入碳分子篩后,在短時(shí)間內(nèi),氧的吸附速度大大超過(guò)氮的吸附速度(碳分子篩對(duì)二氧化碳等也有吸附能力),從而將氣體由空氣變成富氮的組分。
(2)氮?dú)饬鞒龊?,通過(guò)降低壓力,分子篩表面上被吸附的氧分子等被解吸排出,從而吸附劑得以再生。
變壓吸附方法制得的氮?dú)獾募兌仍?5. 0%~99. 9%之間,甚至可以得99 .9995 %以上純度的氮?dú)?。一般而言,如果需要更高純度的氮?dú)鈩t需增加氮?dú)鈨艋O(shè)備,并且在其他條件不變情況下(如輸入氣體量),氮?dú)獾募兌仍礁撸獨(dú)廨敵隽縿t越小。
四 比較
對(duì)于采用電解法、膜分離法,以及變壓吸附(PSA)&碳分子篩法三種不同原理制氮的實(shí)驗(yàn)室用氮?dú)獍l(fā)生器而言,氮?dú)饧兌鹊南孪奘菦](méi)有限制的,區(qū)別在于氮?dú)饧兌鹊纳舷蓿杭醋儔何剑≒SA)&碳分子篩法原理的氮?dú)獍l(fā)生器可以獲得更高純度的氮?dú)狻D壳笆忻嫔峡梢再?gòu)買到提供純度達(dá)到99.999%的氮?dú)獍l(fā)生器,相應(yīng)的,其價(jià)格也較高。
在實(shí)際的使用中,主要是依據(jù)實(shí)際需要選擇可以產(chǎn)生合適純度氮?dú)獾牡獨(dú)獍l(fā)生器。對(duì)于氣相色譜,尤其是裝有ECD檢測(cè)器的氣相色譜儀器,建議選擇可以產(chǎn)生純度大于99.999%純的氮?dú)獍l(fā)生器。如果預(yù)算不能達(dá)到,的辦法是購(gòu)買高純氮?dú)?,并加裝除水、除烴和除氧裝置。
需要注意的是,如果使用氮?dú)獍l(fā)生器,尤其是高純氮?dú)獍l(fā)生器,應(yīng)當(dāng)做好入口空氣的除油和除水。如果用戶的除油和除水過(guò)濾器效果不佳,氮?dú)獍l(fā)生器的分離膜或者碳分子篩的分離效果會(huì)隨著使用年限的增加而慢慢失效。