第09篇氣相色譜中的氣體凈化裝置

最新 01-25

在氣相色譜分析中，氣體凈化裝置是不可缺少的一部分。一方面，在儀器所使用的空氣發生器、氫氣發生器中，均安裝有氣體凈化裝置，用以保證發生器的供氣質量；另一方面，在從氣源到色譜儀器之間的氣路管道中也經常串有氣體凈化裝置，避免氣源受到管路污染。

整體上來說，氣體凈化器的功能是用來保證GC的分析質量和分析結果的穩定性，延長色譜柱壽命和減少檢測器的雜訊。

1 氣體凈化裝置的作用和類型

氣相色譜中常用的氣體凈化裝置一般包括三種：除水裝置、初烴裝置和除氧裝置。討論氣體凈化裝置，應當首先談及水分、烴類和氧氣對色譜分析的影響。

1.1 水分、烴類和氧氣對色譜分析的影響

在色譜分析過程中，存在氣源管路及氣瓶中的水分、烴類、氧會產生雜訊、額外峰和基線毛刺，尤其對特殊檢測器（如ECDPID）影響更為明顯，極端情況下還會破壞色譜柱。

通常水分存在於氣體容器的表面和氣路管路內，其不僅影響組分的分離，還會使部分固定相或硅烷化擔體（甚至包括某些樣品）發生水解，縮短色譜柱的壽命，產生基線噪音和拖尾現象。

氧的破壞作用最嚴重，即使很微量的氧也會破壞毛細管柱以及極性填充柱，氧會使固定相氧化，從而破壞色譜柱性能和色譜柱壽命，改變樣品的保留值；氧化物還會引起基線雜訊和漂移，並隨著柱溫的升高破壞性急劇增大，對特殊檢測器以及高靈敏度檢測器樣的破壞作用更加明顯，尤其是TCD和GC-MS，氧會直接燒毀熱絲和燈絲。

氣體中有機化合物（烴類）或其它雜質的存在則會產生遠高於正常的基線噪音和鬼峰，影響痕量和微量組分的判定，見下圖，（作為FID助燃氣的）空氣中的烴類雜質會引起FID基線雜訊干擾：

採用空氣發生器直接壓縮室內空氣，未接凈化器，基線干擾較大；使用鋼瓶空氣和串接零級空氣發生器之後，基線明顯得到改善。

當然，氫氣中的雜質也會影響基線雜訊，如果氫氣純度不夠雜質過多，會引起基線雜訊過大。

此外，氣體中夾帶的粒狀雜質可能會使氣路控制系統失靈。

1.2 氣體凈化裝置的類型

常見的氣體凈化裝置主要包括除水裝置、除烴裝置和除氧裝置，也會有除CO、CO2等物質的凈化裝置。廣義上來說，零級空氣發生器/除烴裝置也屬於氣體凈化裝置。

本文所指氣體凈化裝置則指的是：串聯於氣路中的，用於除水、除烴和除氧的氣體凈化管。

1.2.1 脫水管

氣相色譜中常用於脫水的物質是硅膠和分子篩。通常採用室溫下用硅膠初步脫水，分子篩進一步深度脫水。分子篩和硅膠都是可以活化和再生的。

硅膠是由硅酸凝膠適當脫水而成的顆粒大小不同的多孔物質。具有開放的多孔結構，比表面（單位質量的表面積）很大，能吸附許多物質，是一種很好的乾燥劑、吸附劑和催化劑載體。硅膠的吸附作用主要是物理吸附，其價格便宜，可以再生和反覆使用。

氣相色譜中使用的硅膠多為變色硅膠，是以細孔硅膠為基礎原料，用氯化鈷（分子式：CoCl2 ）通過一定的工藝步驟結合在硅膠內部孔隙的表面上製成。其特點是吸水後可以發生顏色變化，從藍色變為粉紅色，具有指示作用。

分子篩是指具有均勻的微孔的一類物質，其孔徑均勻，當分子動力學直徑小於分子篩孔徑時能很容易進入晶穴內部而被吸附。分子篩的孔徑大小可以通過加工工藝的不同來控制，一般有3A、4A、5A和13X分子篩多種。下圖為不同分子篩可吸附的物質類型

分子篩對水分子有較強吸附性，除了吸附水汽，它還可以吸附其他氣體。分子篩不能直觀的對吸水程度進行判斷——即沒有類似於變色硅膠那樣的指示能力，一般的方法是在分子篩乾燥劑之後填充變色硅膠或者是特殊的吸水變色的指示樹脂。

1.2.2 脫烴管

氣相色譜中常用於脫烴類的物質主要是活性碳或碳基質過濾介質。活性炭類似於硅膠和分子篩，屬於屬於多孔吸附劑，其吸附性和各種炭型的孔大小分布相關。

1.2.3 脫氧管

脫氧管中填充的物質為脫氧劑。脫氧劑的種類有很多。

一般來說，脫氧的方式包括物理脫氧和化學脫氧兩種，其中物理法包括：真空脫氧、大氣式熱力脫氧、精餾、吸附、膜分離、解吸附等。化學法脫氧可分為3種：一種是催化加氫；第二種是化學吸收；第三種是無氫催化(即利用氧與活性炭反應生成CO 脫氧)。

在氣相色譜的氣路凈化過程中，使用的是化學吸收(吸附)脫氧——即利用銅、錳、鎳等金屬為活性組分與O2發生化學反應，生成氧化物從而除去氧。

具體而言，氣相色譜脫氧管中的脫氧劑一般為鎳系脫氧劑（以鎳等為活性組分，氧化鋁等為載體經共沉澱法製備而成）或者錳系脫氧劑（以錳等為活性組分，經共沉澱法製得）。

鎳系脫氧劑的容量相對較大，錳系脫氧劑的容量相對較小。需要特殊說明的是，目前市面上使用的指示型脫氧劑均為錳系脫氧劑，其特點是吸氧後從綠色變為暗褐色，活化再生後又變為綠色。介於以上特點，市面上的多數脫氧劑要麼全部使用指示型脫氧劑（下圖），要麼在通用型脫氧劑之後串接指示型的脫氧劑用於示警（上圖）。

2 氣體凈化裝置的安裝和使用

2.1 安裝順序

在實際的使用過程中，並非每種氣體凈化器都需要安裝，脫水管、脫烴管和脫氧管更多的是需要根據實際使用來安裝，見下圖：

在實際使用中，如果需要安裝氣體凈化器，其一般順序是：（1）水分過濾器；（2）烴類過濾器；（3）高容量氧氣過濾器，4) 指示型氧氣過濾器。

當然，一部分供應商（上圖）的安裝順序是：（1）烴類過濾器；（2）水分過濾器；（3）高容量氧氣過濾器，4) 指示型氧氣過濾器。水分和烴類的順序交換一下問題不大。

2.2 安裝位置

凈化器安裝的位置和數量由所使用的GC 系統而定。通常採用兩種方式。一種方式是將凈化器安裝在主氣路管線上（氣源後），在其後，氣路管線再分至每一台GC。所有的GC 都使用同一個（套）凈化器。另一種方式是在每一台GC 前安裝一套凈化器，也就是說每一台GC 都有屬於自己的一套凈化器。

對於多GC 系統，如果不需要為每一台GC 安裝一套凈化器，那麼就將凈化器安裝在主氣體管線中，使其服務於所有的GC。此時，最好使用大容量凈化器，以降低濾器的更換頻率。以這種方式安裝的系統，在需要更凈化器時，要將所有被連接的GC 關閉離線。因為凈化器的多數費用決定於它的固定部件（如外殼等），所以使用大容量的凈化器要比用小容量的節省花費。

如果對每一台GC 都安裝一套凈化器，凈化器安裝的位置離GC 越近越好。而對於這種安裝方式，最好能夠使用卡套式多種過濾的小型裝置，卡套式凈化器可以簡單方便地手工安裝或更換。面板可以放置在操作台上或安裝於牆面上。由於面板上的卡套式凈化器極易拆卸或更換，所以對於不同的實驗要求，可使用不同的凈化器組合方式。

——以上內容來自迪馬科技消耗品手冊

無論如何安裝，經濟性和可操作性都是最需要考慮的方法。尤為重要的是，建議凈化器垂直放置。

2.3 安裝方法

對於脫烴管、脫水管或者其組合，其安裝相對來說較為簡單，只需要按照氣體凈化器上標識的進口和出口連接即可。

如果沒有標識進口和出口，應當研究一下氣流的走向和凈化器的結構，確定和保證先接觸需要凈化的氣體的一端距離儀器較遠。