應(yīng)用正交分析法確定低溫-濃縮熱脫附儀參數(shù)的研究

張菲菲 王鐵錚 王金良 李昌建

(天津市環(huán)境保護(hù)科學(xué)研究院國家環(huán)境保護(hù)惡臭污染控制重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，天津 300191)

應(yīng)用正交分析法確定低溫-濃縮熱脫附儀參數(shù)的研究

張菲菲 王鐵錚 王金良 李昌建

(天津市環(huán)境保護(hù)科學(xué)研究院國家環(huán)境保護(hù)惡臭污染控制重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，天津 300191)

優(yōu)選苯乙烯作為典型惡臭氣體，確定自主研發(fā)的低溫濃縮-熱脫附儀器的性能實(shí)驗(yàn)因素，利用正交分析法獲得較優(yōu)的儀器參數(shù)配置。

惡臭污染 苯乙烯 濃縮熱脫附 正交分析法

隨著工業(yè)經(jīng)濟(jì)的迅速發(fā)展，環(huán)境污染問題日趨突出，全球空氣質(zhì)量普遍受到嚴(yán)重威脅。惡臭污染已經(jīng)成為七大公害中的一種，影響程度僅次于噪聲，位居第2位[1]。惡臭物質(zhì)的種類繁多，污染通常由多種低濃度物質(zhì)構(gòu)成[2]，各種物質(zhì)的閾值或最小檢知濃度各不相同，并且數(shù)值通常很低，使用低溫濃縮-高溫?zé)崦摳絻x器采集樣品可以提高相應(yīng)的物質(zhì)濃度，便于提高氣相色譜/質(zhì)譜儀(GC/MS)或其他惡臭物質(zhì)在線監(jiān)測(cè)儀器的檢出率。

自主開發(fā)的低溫濃縮-熱脫附儀器是利用采樣管內(nèi)固體吸附劑在低溫下吸附樣品的特性，達(dá)到濃縮富集的目的；再通過高溫下吸附劑對(duì)待測(cè)組分保留性能降低的特性，利用載氣將待測(cè)組分運(yùn)送至采集容器或相關(guān)儀器進(jìn)行分析測(cè)定。儀器性能的關(guān)鍵在于確定脫附的參數(shù)[3]，故筆者考慮采用正交分析法確定相關(guān)的參數(shù)。

1 正交分析法①

正交分析法是利用規(guī)范化的正交表,科學(xué)地設(shè)計(jì)試驗(yàn)。運(yùn)用正交表進(jìn)行較少次數(shù)的試驗(yàn)便可得出較優(yōu)的條件。根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)一步進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析,可以更全面、系統(tǒng)地掌握試驗(yàn)結(jié)果,以對(duì)整體實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)做出正確的判斷。正交分析法是實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分析處理的常用方法,設(shè)計(jì)時(shí)主要考慮因素a(即自變量)和水平b(自變量的典型取值)的響應(yīng)變量,即因變量的選擇[4]。

1.1正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)

正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)具有固定的設(shè)計(jì)順序，一般遵循以下過程：

a. 確定試驗(yàn)因素和水平數(shù)；

b. 選用合適的正交表；

c. 列出試驗(yàn)方案和試驗(yàn)結(jié)果；

d. 分析正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)的結(jié)果(極差分析、方差分析)；

e. 確定最優(yōu)(較優(yōu))因素和水平組合的條件[5]。

其中，所用的正交表在有關(guān)正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)的資料中均可找到。每種表都用不同的符號(hào)表示。如L9(34)、L4(23)等。其中L表示正交表，其后的數(shù)字表示試驗(yàn)的次數(shù)。括號(hào)內(nèi)底數(shù)表示位級(jí)數(shù)(位級(jí)指在試驗(yàn)范圍內(nèi)挑出的幾個(gè)試驗(yàn)點(diǎn),欲試幾點(diǎn)就稱為幾個(gè)位級(jí)),指數(shù)表示因素個(gè)數(shù)(因素指影響試驗(yàn)結(jié)果的參數(shù)或物理量)。例如L9(34)表明該正交表適用于有4個(gè)因素,每個(gè)因素分3個(gè)水平的試驗(yàn),共做9次試驗(yàn)[6]。

1.2結(jié)果分析方法

正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)的結(jié)果分析方法有兩種，分別為直接對(duì)比法和直觀分析法。

直接對(duì)比法。對(duì)試驗(yàn)結(jié)果直接進(jìn)行簡單的對(duì)比。直接對(duì)比法雖然對(duì)試驗(yàn)結(jié)果可以給出一定的說明，但是屬于定性說明，并不能肯定地告知最佳的組合條件。這種分析方法雖然簡單，但是不能獲得令人滿意的結(jié)果。

直觀分析法。通過對(duì)每一因素的平均極差來進(jìn)行分析。極差就是平均效果中最大值和最小值的差。通過計(jì)算極差，可以找到影響試驗(yàn)指標(biāo)的主要因素，進(jìn)一步找到最佳因素水平的組合[7]。

2 濃縮熱脫附儀器正交試驗(yàn)方案

采用自主開發(fā)的低溫濃縮-熱脫附儀器進(jìn)行測(cè)試，優(yōu)選200mg石墨化炭黑作為固體吸附劑，在低溫冷阱的作用下采集樣品。惡臭污染物排放標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定了8種典型的惡臭物質(zhì)[8]，實(shí)驗(yàn)以苯乙烯作為典型惡臭氣體進(jìn)行試驗(yàn)，采用大連某公司生產(chǎn)的0.000 1‰的苯乙烯鋼瓶氣作為樣品氣，根據(jù)前期穿透試驗(yàn)優(yōu)選采樣條件：在0℃時(shí)采集樣品，設(shè)置樣品氣流速為200mL/min，采樣時(shí)間為40min。通過加熱塊提高采樣管溫度，使氮?dú)庾鳛檩d氣以一定的流速，在一定的時(shí)間內(nèi)通過采樣管，收集脫附氣并通過GC/MS分析其濃度以檢驗(yàn)濃縮效果。

2.1試驗(yàn)因素與試驗(yàn)水平

根據(jù)儀器高溫脫附的實(shí)際應(yīng)用情況,選取的試驗(yàn)因素為：脫附溫度A、脫附流速B和脫附時(shí)間C。查閱文獻(xiàn)資料[9～17],結(jié)合前期試驗(yàn)情況，優(yōu)選各個(gè)試驗(yàn)因素的應(yīng)用范圍,每個(gè)試驗(yàn)因素選取3個(gè)水平,具體為:

AA1=300℃,A2=325℃,A3=350℃

BB1=30mL/min,B2=40mL/min,B3=50mL/min

CC1=5min,C2=10min,C3=15min

2.2正交表的選擇

正交表是正交設(shè)計(jì)方法中不可或缺的工具，通過它可合理地設(shè)計(jì)試驗(yàn),并可對(duì)試驗(yàn)結(jié)果直接進(jìn)行分析。它可以通過最少的試驗(yàn)次數(shù),解決多因素試驗(yàn)中的復(fù)雜問題，比如對(duì)考核指標(biāo)各個(gè)因素的影響次序，每個(gè)因素的哪些不同水平的搭配獲得的指標(biāo)較好[18]。研究考慮3個(gè)因素,每個(gè)因素有3個(gè)水平,所以選取L9(34)的正交表(表1)。

表1 正交表

(續(xù)表1)

2.3試驗(yàn)結(jié)果

脫附氣濃度正交試驗(yàn)數(shù)據(jù)結(jié)果見表2，為了數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性,每個(gè)試驗(yàn)方案做兩次,取平均值。

表2 正交試驗(yàn)結(jié)果

2.4試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析

脫附氣濃度數(shù)據(jù)分析見表3。由表可以看出，對(duì)于脫附氣濃度，脫附溫度顯著水平為水平一300℃，脫附流速顯著水平為水平二40mL/min，脫附時(shí)間顯著水平為水平二10min，各因素的顯著次序依次為：因素A脫附溫度、因素C脫附時(shí)間、因素B脫附流速。保證試驗(yàn)指標(biāo)脫附氣濃度較高的最佳搭配為因素A脫附溫度水平一、因素B脫附流速水平二，因素C脫附時(shí)間水平二。

表3 脫附氣濃度正交試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析

3 結(jié)束語

低溫濃縮-熱脫附儀器的脫附熱解析過程是一個(gè)復(fù)雜的過程，不同種類、不同型號(hào)的儀器脫附條件不盡相同，需使用一定的方法尋找各種因素下的組合關(guān)系以優(yōu)化儀器的性能。

試驗(yàn)按照正交分析法確定自主開發(fā)的低溫濃縮-熱脫附儀器的脫附參數(shù)，進(jìn)行了三因素三水平的9個(gè)組合試驗(yàn)，結(jié)果表明每個(gè)組合雖然都可脫附一定濃度的氣體，但它們之間存在著顯著性差異。同時(shí)試驗(yàn)也證明,正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)與數(shù)據(jù)分析方法是選擇最佳試驗(yàn)方案的有效工具,可以大量減少實(shí)驗(yàn)的次數(shù)。三因素三水平進(jìn)行常規(guī)試驗(yàn)時(shí),要進(jìn)行27(33=27)次試驗(yàn),而正交法只需9次,節(jié)省了工作量,加快了研究的進(jìn)程。

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DeterminingParametersofCryoconcentration-ThermalDesorptionInstrumentthroughOrthogonalAnalysis

ZHANG Fei-fei, WANG Tie-zheng, WANG Jin-liang, LI Chang-jian

(StateKeyLaboratoryofOdorPollutionControl,TianjinAcademyofEnvironmentalSciences,Tianjin300191,China)

Preference was given to taking styrene as typical malodorous gas to determine experimental factors of independently-developed cryoconcentration-thermal desorption instrument’s performance. Making use of orthogonal analysis can obtain optimal instrument parameters.

odor pollution, styrene, cryoconcentration-thermal desorption, orthogonal analysis

TH83

A

1000-3932(2016)12-1270-04

2016-10-27(修改稿)

國家重大科學(xué)儀器設(shè)備開發(fā)專項(xiàng)(2012YQ060165)；天津市環(huán)境保護(hù)科學(xué)研究院自主創(chuàng)新基金暨院長基金項(xiàng)目(YZJJ-2015-003)