大氣中VOCs連續(xù)采樣監(jiān)測分析所需零氣發(fā)生器測試研究

張康平，儀明媛，趙 娜

（1.準(zhǔn)格爾旗環(huán)境保護(hù)局，內(nèi)蒙古 鄂爾多斯 010300；2.內(nèi)蒙古準(zhǔn)格爾經(jīng)濟(jì)開發(fā)區(qū)環(huán)境保護(hù)局，內(nèi)蒙古 鄂爾多斯 010400）

揮發(fā)性有機(jī)物（volatile Organic Compounds，VOCs）是常溫常壓下能夠揮發(fā)的有機(jī)物的總稱，主要包含乙烯、丙烯、乙炔、甲苯、苯乙烯等烴類和硫化物[1-2]。VOCs在大氣中分布廣、成分復(fù)雜，有些組分具有毒理性，還可與空氣中氮氧化物反應(yīng)，造成O3和二次氣溶膠的產(chǎn)生量增加[3]。因此，VOCs的監(jiān)測和處理已經(jīng)成為大氣污染防治攻堅(jiān)的任務(wù)之一，這對大氣中VOCs連續(xù)采樣監(jiān)測也提出了更高的要求。目前，大氣中VOCs的監(jiān)測技術(shù)主要有氣相色譜法（GC）、在線VOCs質(zhì)譜法、環(huán)境艙系統(tǒng)、紅外光譜吸收法、質(zhì)子轉(zhuǎn)移反應(yīng)質(zhì)譜等，其中仍以氣相色譜和質(zhì)譜聯(lián)用為主[4]。但是，基于空氣的低成本的大流量零氣發(fā)生設(shè)備較少，限制了氣相色譜和質(zhì)譜在VOCs在線連續(xù)采樣和分析上的應(yīng)用，同時(shí)也限制了VOCs在線監(jiān)測平臺的建設(shè)[5-8]。本文以此為出發(fā)點(diǎn)，研究了如何利用鈀催化劑將氣體中的非待測VOCs除去，并設(shè)計(jì)了能夠產(chǎn)生滿足在線VOCs監(jiān)測系統(tǒng)校準(zhǔn)及稀釋配氣時(shí)所需的大流量零氣的零氣發(fā)生設(shè)備（鈀爐）。

1 概述

1.1 鈀催化劑簡介

鈀催化劑是一種高效能脫氧催化劑，該催化劑是以薄殼理論為基礎(chǔ)，用貴金屬鈀負(fù)載在活性氧化鋁上加工制成的脫氧催化劑，主要用于氫氣中除氧，氮?dú)?、一氧化碳、二氧化碳、氬氣等惰性氣體加氫除氧，也可用于某種化工產(chǎn)品反應(yīng)的特殊催化劑[9]。鈀催化劑具有催化活性高、工藝簡單以及操作安全等優(yōu)點(diǎn)，業(yè)已廣泛用于冶金、輕工、電子、化工等工業(yè)部門。

1.2 零氣發(fā)生器中鈀爐的作用理論研究

零氣發(fā)生設(shè)備中的鈀爐是在有氧環(huán)境中去除VOCs，揮發(fā)性有機(jī)物在高溫下與有氧體系中的氧發(fā)生氧化反應(yīng)從而使有機(jī)物燃燒而去除。鈀催化劑在反應(yīng)中起催化作用，降低反應(yīng)活化能，使反應(yīng)更容易進(jìn)行。影響鈀爐VOCs去除率，限制零氣發(fā)生器流量的因素主要有以下幾個(gè)。

1.2.1 接觸時(shí)間

延長接觸時(shí)間有利于提高VOCs去除率，同時(shí)，從式（1）可以看出，在假定處理量和體積流量時(shí)，人們可以計(jì)算出催化劑堆體積的理論值。

1.2.2 鈀催化劑填充量

增加催化劑的填充量有利于提高VOCs去除率。降低鈀催化劑的粒徑和增加鈀催化劑填充質(zhì)量是增加催化劑填充量的兩種有效方式。

1.2.3 鈀爐溫度

鈀爐溫度的提高有利于提高VOCs去除率，但是溫度過高則有可能導(dǎo)致催化劑失效，這是設(shè)計(jì)零氣發(fā)生器時(shí)必須考慮的重要因素。本文在對零氣發(fā)生器和鈀催化劑的理論研究基礎(chǔ)上，從接觸時(shí)間、鈀催化劑填充量和調(diào)節(jié)鈀爐溫度三個(gè)方面入手，設(shè)計(jì)了可滿足大氣中VOCs連續(xù)采樣監(jiān)測分析所需的大流量零氣發(fā)生器，并對其性能進(jìn)行了測試研究。

2 試驗(yàn)測試部分

2.1 試驗(yàn)設(shè)備

本文所用儀器設(shè)備為AMA GC5000在線色譜分析系統(tǒng)，該系統(tǒng)搭建完成后，可實(shí)現(xiàn)無人值守連續(xù)自動(dòng)采樣、進(jìn)樣分析過程，并自動(dòng)給出目標(biāo)物定性、定量結(jié)果。該系統(tǒng)主要由以下10部分組成：AMA GC5000 BTX在線色譜分析儀（C4～C12）；AMA GC5000 VOC在線色譜分析儀（C2～C6）；AMA DIM 200稀釋校準(zhǔn)器；LNI SONIMIX 3080氫氣發(fā)生器；空氣壓縮機(jī)和氮?dú)怃撈浚兌取?9.999%）；PAMS-56標(biāo)氣及減壓閥；工業(yè)級計(jì)算機(jī)及數(shù)據(jù)采集和分析程序；氣體凈化捕集阱及采樣氣路的過濾組件；標(biāo)準(zhǔn)儀器機(jī)柜、5KVA交流凈化電源和全套電路；網(wǎng)絡(luò)交換模塊和相關(guān)網(wǎng)線。

2.2 大流量零氣發(fā)生器設(shè)計(jì)及測試過程說明

目前，市場上以流量為4 L/min的零氣發(fā)生器為主，這對于大氣中VOCs的連續(xù)采樣監(jiān)測分析造成了一定的限制，本研究擬設(shè)計(jì)一個(gè)出口流量為10 L/min，處理量約為8 000 h-1的零氣發(fā)生器。

具體設(shè)計(jì)及測試步驟如下：根據(jù)前文所述理論，計(jì)算確定了該零氣發(fā)生器的催化劑堆體積、填充量、催化劑粒徑、鈀爐溫度等參數(shù)理論值范圍；按照機(jī)械制圖要求，利用CAD軟件設(shè)計(jì)并選用不銹鋼材質(zhì)制作了多個(gè)滿足上述參數(shù)理論值范圍的鈀爐；將空氣壓縮機(jī)、流量計(jì)、鈀爐、GC5000系統(tǒng)順序連接，設(shè)定鈀爐溫度后對GC5000系統(tǒng)走零基線和采用鈀爐處理的零氣稀釋配氣所做的標(biāo)準(zhǔn)曲線線性進(jìn)行分析，反復(fù)測試鈀爐的處理效果；根據(jù)分析測試結(jié)果，確定鈀爐的催化劑堆體積、填充量、催化劑粒徑、鈀爐溫度等參數(shù)的理想值，最終設(shè)計(jì)一個(gè)出口流量為10 L/min，處理量約為8 000 h-1的基于空氣的低成本大流量零氣發(fā)生器。

3 研究結(jié)果

根據(jù)理論計(jì)算，處理量大約8 000 h-1時(shí)，要保證10 L流量，需要填充60 g鈀催化劑，堆體積至少0.5 L。測試研究發(fā)現(xiàn)，鈀爐采用不銹鋼LCr18Ni9φ34×3長度220 mm，填充體積為0.54 L時(shí)，處理效果較好。經(jīng)設(shè)計(jì)制作的帶有溫控裝置的鈀爐主結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 鈀爐主結(jié)構(gòu)外觀設(shè)計(jì)

將該鈀爐與空氣壓縮機(jī)、流量計(jì)、GC5000系統(tǒng)等部件連接后，按照設(shè)計(jì)流量10 L/min，鈀爐溫度設(shè)置為480℃，開始監(jiān)測，監(jiān)測結(jié)果顯示處理效果比較好，GC5000系統(tǒng)走零基線平穩(wěn)，采用鈀爐處理的零氣稀釋配氣所做的標(biāo)準(zhǔn)曲線線性r＞0.999，完全滿足校準(zhǔn)要求，詳情如圖2所示。

圖2 GC5000部分目標(biāo)物線性圖

研究表明，在10 L/min流量下，處理效果與處理量、鈀粒徑成反比，與鈀爐溫度、鈀填充量成正比。

本研究在設(shè)定出口流量為10 L/min后，最終確定所用的鈀爐參數(shù)如表1所示。

表1 設(shè)計(jì)鈀爐主要參數(shù)指標(biāo)

4 結(jié)論

在保證出口流量為10 L/min條件下，經(jīng)過多次調(diào)整測試，筆者最終確定了鈀爐的主要參數(shù)指標(biāo)，使設(shè)計(jì)的鈀爐能夠產(chǎn)生滿足在線VOCs監(jiān)測系統(tǒng)校準(zhǔn)及稀釋配氣時(shí)所需的大流量零氣。同時(shí)，鈀爐完全可以滿足PAMs標(biāo)氣下GC5000儀器要求，VOCs中大部分物質(zhì)去除效果較好，對于正構(gòu)烷烴等比較難處理的物質(zhì)，配合過濾就能滿足要求。該零氣發(fā)生設(shè)備可以產(chǎn)生出口流量為10 L的零氣，突破了零氣流量不足對VOCs連續(xù)采樣監(jiān)測分析的技術(shù)限制，并且設(shè)備運(yùn)行成本低，對大氣中VOCs連續(xù)采樣和監(jiān)測分析具有較大的應(yīng)用價(jià)值，值得推廣使用。