氣相色譜法分析發(fā)酵生物氣成分及含量的研究

葉天一，劉新媛，聶家民，楊杰，韓澤禹

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氣相色譜法分析發(fā)酵生物氣成分及含量的研究

葉天一，劉新媛通信作者，聶家民，楊杰，韓澤禹

（天津農(nóng)學院 工程技術學院，天津 300384）

發(fā)酵生物氣通常包含多種可再生優(yōu)質(zhì)能源氣體，具有成分復雜、組成多變的性質(zhì)。本研究建立發(fā)酵生物氣主要成分的氣相色譜分析法，可同時分離氫氣、氮氣、甲烷和二氧化碳4種氣體。在定量分析中，得到了線性范圍內(nèi)擬合度較高的標準曲線，并且該方法的精密度和準確度較高。將該方法用于餐廚垃圾兩相厭氧發(fā)酵產(chǎn)氫產(chǎn)甲烷批式試驗的發(fā)酵氣成分分析，獲得了氣相主要成分的變化規(guī)律。

發(fā)酵生物氣；氣相色譜法；成分分析；熱導檢測器

隨著世界范圍內(nèi)能源消耗量的不斷提高，由傳統(tǒng)化石燃料燃燒引起的環(huán)境污染和能源危機日益嚴峻，因此，可再生能源的開發(fā)得到了人們的廣泛關注。在各類可再生能源中，生物質(zhì)能儲量豐富、取材便利、無毒無害，并且多為廢棄有機物，開發(fā)生物質(zhì)能源具有環(huán)境和能源的雙重效益，極大地促進社會的可持續(xù)發(fā)展[1]。有機質(zhì)發(fā)酵制備生物氣體是生物質(zhì)能轉(zhuǎn)化的重要方面，其中沼氣發(fā)酵已應用于市政污泥、畜禽糞便、有機廢液等廢棄物處理的工程實踐中，為有機廢物的資源化處理發(fā)揮著重大作用[2-3]。發(fā)酵氣體是厭氧發(fā)酵系統(tǒng)的最終代謝產(chǎn)物之一，而關鍵發(fā)酵生物氣體的成分分析是發(fā)酵系統(tǒng)運行的重要環(huán)節(jié)。

發(fā)酵氣體的成分不僅表征了氣體的品質(zhì)和產(chǎn)量，反映了厭氧發(fā)酵所處的階段，還有助于檢測厭氧發(fā)酵工藝運行狀況及故障排查[4]。沼氣是生物氣體的重要形式之一，是有機物在厭氧條件下經(jīng)過完整的水解、酸化、產(chǎn)氫產(chǎn)乙酸和產(chǎn)甲烷四階段生化反應而生成的氣體產(chǎn)物。沼氣的主要成分是甲烷和二氧化碳，其中甲烷是提供能源的最有效成分，甲烷濃度越高，則有機物的能源轉(zhuǎn)化效率越高[5]。二氧化碳在有機物酸化和甲烷化的過程中生成，若發(fā)酵系統(tǒng)過于酸化，則二氧化碳濃度將更高。因此，甲烷和二氧化碳的濃度可用于指示發(fā)酵系統(tǒng)的運行性能。此外，在沼氣凈化系統(tǒng)中，脫碳工藝的運行負荷與二氧化碳的濃度和產(chǎn)氣量直接相關，檢測二氧化碳含量為沼氣凈化系統(tǒng)的設計、運行和管理提供基礎數(shù)據(jù)。在易降解有機物沼氣發(fā)酵的工藝啟動階段，發(fā)酵生物氣體中若出現(xiàn)高濃度的氫氣和二氧化碳，則指示沼氣發(fā)酵的酸化和甲烷化失衡，需采取發(fā)酵工藝啟動調(diào)控措施[6]。氫氣本身是優(yōu)質(zhì)能源氣體、其燃燒無溫室效應、單位質(zhì)量熱值最高，有機物厭氧發(fā)酵制備氫氣的技術已達到中試試驗水平[7]。作為生物發(fā)酵制氫的目標產(chǎn)物，發(fā)酵氣體中氫氣含量的波動性也反映了產(chǎn)氫發(fā)酵系統(tǒng)的運行穩(wěn)定性[8]。在實驗室小試水平發(fā)酵試驗中，氮氣常用來為發(fā)酵罐制造厭氧環(huán)境，吹脫空氣，氮氣含量的變化趨勢可一定程度上反映測試數(shù)據(jù)的準確性[9]?；诎l(fā)酵氣體中氫氣、氮氣、甲烷和二氧化碳含量在厭氧發(fā)酵過程中的重要作用，有必要對4種氣體建立快速、準確的氣體成分分析法。

氣相色譜法具備精度高、抗干擾性強、分離性能好等優(yōu)點，常用于復雜樣品的成分分析[10]。在實際分析中，發(fā)酵氣體樣品注入色譜系統(tǒng)后，在載氣的帶動下，經(jīng)過進樣室氣化、色譜柱分離、檢測器的信號轉(zhuǎn)換和放大后，形成色譜圖。氣相色譜儀的各種檢測器中，熱導池檢測器（TCD）可同時檢出發(fā)酵氣體中的氫氣、氮氣、甲烷和二氧化碳4種成分，使分析過程更為快速、簡便[11]。筆者利用外標法對發(fā)酵氣體中的氫氣、氮氣、甲烷和二氧化碳的含量建立氣相色譜分析法，并利用該方法來研究氫氣發(fā)酵和沼氣發(fā)酵的產(chǎn)氣規(guī)律[12]。

1 材料與方法

1.1 標準氣體

本研究使用兩種標準氣體用于分離條件的優(yōu)化，其成分如下：

標準氣體1：甲烷55%，空氣45%，主要用于甲烷的標定。

標準氣體2：氫氣39.6%，二氧化碳40.4%，氮氣20%，用于氫氣、二氧化碳和氮氣的標定。

此外，甲烷、氫氣、二氧化碳和氮氣的普通純度氣體用于定性分析中確定每種氣體的出峰時間。

1.2 主要儀器和測定方法

氣相色譜儀：SP3430，北京北分瑞利；檢測器：TCD。

色譜柱：填充柱（TDX-01，2 m）。

分離條件：進樣器：100 ℃；檢測器：130 ℃；柱溫：100 ℃ ；熱導池的熱絲溫度：160 ℃。

經(jīng)歷了建議1和建議2的教學后，學生可能對于數(shù)線的理解還存在難度。因為之前所接觸的線段模型（如圖10）和面積模型（如圖11），都是把整條線段或整個圖形看作整體“1”，小數(shù)表示的是線段中的一小段或圖形中的一小塊。

工作站：N2000色譜數(shù)據(jù)工作站。

載氣：高純氬氣，載體流速為35 mL/min。

進樣量：500 μL。

1.3 標準曲線的建立

采用一系列濃度的標準氣體建立標準曲線，標準氣體的稀釋是通過控制進樣量來實現(xiàn)。當標準氣體的實際進樣量為500、400、300、200和100 μL時，則進入氣相色譜進樣器的各組分氣體量，相當于500 μL進樣量下將氣體濃度稀釋為原標準氣體的100%、80%、60%、40%、20%和10%時的進氣量。根據(jù)以上關系，可得到標準氣體1和標準氣體2在不同稀釋倍數(shù)下的當量濃度（標準氣體的不同實際進樣量相當于500 μL進樣量時所對應的濃度）。建立標準曲線時，每個稀釋倍數(shù)測試3次，繪制標準氣體濃度和相應峰面積的關系曲線，進行線性擬合。

1.4 發(fā)酵氣體樣品分析

實際樣品來自于以餐廚垃圾為底物的兩相厭氧發(fā)酵產(chǎn)氫產(chǎn)甲烷體系。發(fā)酵罐采用300 mL厭氧瓶，有效體積為150 mL，底物濃度10 g-VS·L-1（VS：揮發(fā)性固體）。發(fā)酵過程分為產(chǎn)氫階段和產(chǎn)甲烷階段，產(chǎn)氫階段的發(fā)酵條件為：接種物為經(jīng)過100 ℃熱處理30 min的厭氧消化污泥[13]，初始pH值5.5，充氮氣10 min，密封發(fā)酵。氫氣發(fā)酵結束后打開密封蓋，準備甲烷發(fā)酵：接種物為產(chǎn)甲烷消化污泥，初始pH值7.0，加入K2HPO4/ KH2PO4緩沖溶液（pH 7.0，0.1 mol/L），充氮氣10 min，密封發(fā)酵。氫氣發(fā)酵和甲烷發(fā)酵條件均為溫度37 ℃，搖床轉(zhuǎn)速120 r/min，發(fā)酵過程中定期取氣體樣品，檢測發(fā)酵氣體成分的變化。

2 結果與分析

2.1 色譜圖及定性分析

在實際進樣量為500 μL時，標準氣體1和標準氣體2的色譜圖分別如圖1和圖2所示。從圖1、圖2可知，在本文采用的分離條件下，標準氣體1和標準氣體2中主要成分的譜圖具有峰形對稱、無明顯拖尾的特點。

圖1 標準氣體1色譜圖

圖2 標準氣體2色譜圖

分別注入氫氣、氮氣、甲烷和二氧化碳的普通純度氣體，確定了當前工作條件下4種氣體流出的先后順序為氫氣、氮氣、甲烷和二氧化碳?；旌蠘藴蕷怏w的色譜峰特性指標列入表1中。從表1可以看出，氫氣和氮氣稍有重疊，而其他相鄰組分完全分離，總體分離效果良好。

表1 氫氣、氮氣、甲烷和二氧化碳的譜圖保留時間和色譜峰特性指標

注：分離度的計算公式為＝2（2-1）/（2+1）；a為氫氣和氮氣的分離度，b為氮氣和甲烷的分離度，c為甲烷和二氧化碳的分離度；其中＝1.0時，兩組分稍有重疊；＞1.5時，兩組分完全分離；＜1.0時，兩組分明顯重疊

2.2 定量分析

標準氣體中不同當量濃度的氫氣、氮氣、甲烷和二氧化碳的標準曲線、線性回歸方程及相關系數(shù)（2）如圖3所示。從圖3可以看出，在當前的色譜條件下，氫氣、氮氣、甲烷和二氧化碳4種氣體在標準曲線濃度范圍內(nèi)過原點的線性擬合度較高，相關系數(shù)均在0.99以上。由圖3可知，氫氣、氮氣、甲烷和二氧化碳標準曲線的斜率逐漸降低，說明靈敏度逐漸下降。根據(jù)靈敏度公式，TCD檢測器檢出各種氣體的靈敏度與峰面積成正比，與樣品進樣量成反比[14]。如表1所示，氫氣、氮氣、甲烷和二氧化碳的峰面積與進樣濃度之比呈下降趨勢，進一步說明了TCD檢測器對上述氣體檢出靈敏度逐漸降低的情況。

圖3 氫氣、氮氣、甲烷和二氧化碳標準工作曲線

2.3 精密度和回收率

＝標準偏差（）/峰面積平均值 （1）

回收率＝測量值/實際值 （2）

表2 發(fā)酵生物氣氣相色譜分析法的精密度和回收率

2.4 實際發(fā)酵生物氣成分分析

以餐廚垃圾厭氧發(fā)酵產(chǎn)氫和產(chǎn)甲烷過程的氣相成分作為實際樣品，采用外標法對發(fā)酵產(chǎn)氣成分隨時間的變化規(guī)律進行測試，所得結果如圖4和圖5所示。從圖4和圖5中可以看出，實際發(fā)酵氣體中氮氣和甲烷的濃度范圍較大（氮氣0～100%；甲烷：0～66%），超出了標準曲線的線性范圍，導致測試結果的不準確。對此，當氣體濃度過高時，采用成比例縮小進樣量的方式稀釋氣體樣品，讓稀釋后的樣品濃度在標準曲線的線性范圍內(nèi)。由圖4可知，產(chǎn)氫發(fā)酵中隨發(fā)酵時間的增加，氫氣和二氧化碳的含量先不斷上升而后趨于穩(wěn)定，而氮氣含量呈相反的趨勢。由圖5可以看出，在產(chǎn)甲烷發(fā)酵階段，甲烷和二氧化碳含量逐漸上升而后趨于穩(wěn)定，氮氣含量逐漸減少，而氫氣的產(chǎn)量接近于0。圖4和圖5中發(fā)酵氣體含量的變化基本反映了批式發(fā)酵過程的產(chǎn)氣規(guī)律。

圖4 有機物發(fā)酵制氫過程中氣體成分的變化

圖5 有機物發(fā)酵制甲烷過程中氣體成分的變化

3 討論

本研究利用氣相色譜技術建立氫氣、氮氣、甲烷和二氧化碳4種氣體的分析方法，實現(xiàn)了4種氣體的有效分離。在定量分析中，建立了4種氣體的線性回歸標準曲線，其相關系數(shù)均在0.99以上，具有良好的線性關系。在精密度和回收率分析中，得出4種氣體的在4%以下，回收率在98.67%～102.65%，具有較高的重復性和準確度。本研究采用外標法進行數(shù)據(jù)分析，利用線性回歸標準曲線，根據(jù)各成分的峰面積獲得其百分含量，該方法對每種樣品含量的分析精確，但對進樣量的準確性要求較高。

該方法操作快速、方便實用，可用于定量分析厭氧消化過程中所產(chǎn)生發(fā)酵氣體的含量，也可用于監(jiān)測厭氧發(fā)酵所處階段及發(fā)酵設備的運行情況。然而該方法仍有兩方面的不足：

（1）標準曲線對應的濃度范圍較小，發(fā)酵過程中各氣體的濃度范圍超出標準曲線的線性范圍，導致無法快速、準確地定量整個發(fā)酵過程中氣體成分的變化規(guī)律。對此，應采用濃度較高的標準氣體重新建立標準曲線，確定線性范圍。

（2）生物氣體的主要成分除了氫氣、氮氣、甲烷、二氧化碳，還包括少量及微量的氧氣、硫化氫、氨氣、水蒸氣等成分[15]。其中，氧氣和硫化氫等物質(zhì)能夠反映厭氧發(fā)酵沼氣制備情況及發(fā)酵系統(tǒng)的運行狀態(tài)，而水蒸氣和硫化氫則是沼氣凈化技術中重點去除的成分。為了更加準確的反映生物氣體的特性，需要更加深入研究以上各種氣體的測定方法。

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責任編輯：楊霞

Application of gas chromatography in analysis of fermentation biogenic gas composition and content

YE Tian-yi, LIU Xin-yuanCorresponding Author, NIE Jia-min, YANG Jie, HAN Ze-yu

（College of Engineering and Technology, Tianjin Agricultural University, Tianjin 300384, China）

Fermentation biogenic gas is generally composed of several renewable energy gases with complex and changeable composition. A method for determination of hydrogen, nitrogen, methane and carbon dioxide simultaneously in fermentation biogenic gas was established by gas chromatography in this study. The chromatographic peaks were identified efficiently. The standard curves were well fitted in their linear ranges and the component analysis method was capable of very high precision and accuracy. This method was applied in the component analysis of the produced gas in two-stage hydrogen-methane fermentation process for treating food waste, and the way of main composition of fermentation gas change in batch experiment was achieved.

fermentation biogenic gas; gas chromatography; component analysis; thermal conductivity detector

S216.4

A

2017－11－17

天津市應用基礎與前沿技術研究計劃青年項目（16JCQNJC08200）；天津市大學生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓練計劃項目（201710061115）

葉天一（1998－），男，本科在讀，主要研究方向為有機物厭氧發(fā)酵。E-mail：1692044841@qq.com。

劉新媛（1987－），女，講師，博士，主要從事固體廢棄物厭氧發(fā)酵和再生利用方面的研究。E-mail：liuxinyuan11@163.com。

1008-5394（2018）02-0060-04

10.19640/j.cnki.jtau.2018.02.015