Vario EL cube元素分析儀的故障分析與使用維護

張萬迪 王大剛 潘成軍 王 雷

(深圳大學材料學院,深圳 518060)

1 引言

元素分析作為一種重要的分析測試方法在化學化工、煤炭、醫(yī)藥、材料、地質(zhì)，農(nóng)業(yè)、環(huán)境等[1-6]領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用。與光譜分析、色譜分析、同位素質(zhì)譜，核磁共振等其他分析測試手段一起，構(gòu)成了有機元素分析體系[7]。Vario EL cube元素分析儀是德國Elementar公司生產(chǎn)的系列元素分析儀的一種。該型號配備有計算機控制系統(tǒng)和數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)，帶有80孔位自動進樣器。測試中設(shè)定完成樣品對應(yīng)的工作參數(shù)后測量過程將由計算機控制自動完成。在元素分析儀的使用中，了解儀器的工作原理、操作方法和問題處理對于獲得準確的測量結(jié)果具有重要意義[8-10]。筆者長期從事元素分析儀的測試和維護工作，積累了大量操作經(jīng)驗。本文將對Vario EL cube元素分析儀的日常管理和使用經(jīng)驗進行總結(jié)介紹。

2 Vario EL cube的工作原理

Elementar Vario EL cube元素分析儀具有CN、N、CNS、S、CHN、CHNS(圖1)和O(圖2)6種測試模式[11]。CHN和CHNS模式下，用錫舟稱量包裹后的樣品被進樣圓盤推入燃燒管中，在高純氧氣氛圍下燃燒，被燃燒管中填裝的催化氧化劑分解轉(zhuǎn)換成CO2、H2O、N2、NOX、SO2和SO3等氣體。該混合氣體被載氣送入裝填有銅粒的還原管中，還原為N2、CO2、H20和SO2等氣體。CO2、H2O和SO2出還原管后，分別被吸附在對應(yīng)的吸附柱上，N2則直接帶入熱導(dǎo)檢測器(TCD)進行檢測。然后，吸附-解吸柱按程序依次升溫，釋放CO2、H2O和SO2進入檢測器。最后，計算給出得出樣品中C、H、N、S元素的百分含量。

圖1 元素分析儀(Vario EL cube)CNHS模式結(jié)構(gòu)簡圖

O模式下，用銀質(zhì)容器稱量包裹后的樣品被送入裂解管中在高溫、無氧的條件下使氧化物分子鍵斷裂，與碳粉反應(yīng)生成CO氣體和N2、H2、CH4和H2S等雜質(zhì)氣體。然后CO被吸附-解吸柱吸附，在雜質(zhì)氣體通過檢測器后脫附檢測。最后，計算機計算后給出樣品中O元素的百分含量。

圖2 元素分析儀(Vario EL cube)O模式結(jié)構(gòu)簡圖

3 制樣及實驗室環(huán)境要求

Vario EL cube元素分析儀用于微量和半微量測試，對于樣品狀態(tài)的要求就更加嚴格。測試中要求的樣品是不含吸附水分及溶劑的均勻固體粉末或液體，并且在取樣過程中不能因為吸濕、揮發(fā)、光解和與空氣反應(yīng)等行為發(fā)生成分的改變[12]。樣品稱量前需要用乙醇擦洗取樣工具和稱量臺，避免環(huán)境中的雜質(zhì)物質(zhì)影響稱量結(jié)果。稱量時操作人員應(yīng)佩戴口罩與橡膠手套。包樣時盡量將容器中的空氣擠壓干凈，但需要控制力度，避免用力過大導(dǎo)致容器破裂。稱量后的樣品及時開始測試避免長時間放置。

Vario EL cube元素分析儀的使用溫度要控制在20～25℃，空氣相對濕度在45%～75%[13]。南方地區(qū)實驗室應(yīng)加裝除濕系統(tǒng)以避免潮濕的空氣損壞儀器內(nèi)部電子器件。微量電子天平應(yīng)分別放置在重量較大、不易晃動和挪動的稱量臺上，以達到穩(wěn)固、避振的效果。同時，實驗室應(yīng)該配備干燥箱儲存催化劑和標準品。

4 常見問題及解決辦法

4.1 氣體純度與壓力問題

測試中使用的高純氧氣和氦氣的純度應(yīng)大于99.99%，氣體純度過低會導(dǎo)致空白值增大，測量結(jié)果不穩(wěn)定和基線漂移等情況[14]。氣體壓力在0.18±0.01MPa之間，輔助氣體總壓力在1100±1000Pa之間。氣氣體壓力的劇烈變化會導(dǎo)致石英管破裂，使用壽命縮短，增加維護成本。實驗所用氣體需要專用的氣瓶存放箱或者將其固定在墻壁上，安裝必要的排氣設(shè)備和氣體安全報警設(shè)備，經(jīng)常對減壓閥進行撿漏。出現(xiàn)上述問題時可以更換對應(yīng)純度輔助氣體，選用雙頭減壓閥控制壓力，避免通宵測試。

4.2 儀器檢漏

Vario EL cube元素分析儀在軟件啟動后進行90s泄露測試，泄露測試結(jié)束儀器進入升溫狀態(tài)。Vario EL cube元素分析儀具有穩(wěn)定的運行品質(zhì)，較少出現(xiàn)突發(fā)的泄露情況，一般在更換燃燒管、還原管、干燥管或者裂解管后出現(xiàn)的泄露情況，重點檢查拆裝位置的密封性即可解決。

若在測試前沒有更改測試管路和氣路而出現(xiàn)泄露情況，此時需使用儀器的撿漏程序。點擊options>Diagnostics>Rough leak test開始進行全程檢漏，此時系統(tǒng)會在管路圖上用序號標記出泄露的點，再根據(jù)序號選用對應(yīng)的撿漏工具進行分段撿漏：options>Diagnostics> Fine leak test，根據(jù)系統(tǒng)提示多次分段撿漏直至找到泄露點。

4.3 儀器不升溫

選擇實驗裝置對應(yīng)的測試模式，更改系統(tǒng)中溫度參數(shù)后儀器升溫異常。首先排除電源接頭不穩(wěn)定、溫度控制模塊故障和加熱爐故障的情況，如果在前一次測試結(jié)束后，當燃燒管的溫度高于100℃直接關(guān)閉測試軟件和主機，設(shè)備會啟動過溫保護功能，此時的處理辦法是復(fù)位儀器艙門右側(cè)過溫保護開關(guān)(如圖3所示)。

圖3 元素分析儀(Vario EL cube)過溫保護開關(guān)

4.4 石英管破裂

石英管破裂是在元素分析儀中常見的故障類型。一般來說石英管破裂可以分為正常破裂和異常破裂。正常破裂是石英管設(shè)計使用壽命結(jié)束，正常更換石英管即可。

異常破裂是指石英管的實際使用時間明顯低于設(shè)計值的情況。若石燃燒管或裂解管破裂后表面出現(xiàn)嚴重腐蝕，考慮測試的樣品中混入了含磷、硼、氟元素的物質(zhì)、堿性樣品和玻璃纖維等；若出現(xiàn)管壁上出現(xiàn)一點明顯腐蝕的凹坑，考慮支撐管或灰分管與管壁之間混入了雜質(zhì)顆粒或灰分管和支撐管自身發(fā)生破裂，形成了熱集中區(qū)，導(dǎo)致的燃燒管破裂；若管壁無變化，考慮是否正確設(shè)置的升溫參數(shù)和壓力參數(shù)異常。加熱爐的上下腔體之間溫度分布均勻分布，在更換燃燒管或裂解管的過程中應(yīng)嚴格按照裝填厚度執(zhí)行，以使樣品在最高溫度處分解。還原管的破裂與儀器的升溫參數(shù)和壓力參數(shù)異常有著密切關(guān)系，更換前應(yīng)仔細檢查爐體內(nèi)壁和球頭處的氣密性。

石英管的破裂是元素分析儀在日常使用過程中最常見的問題，在更換時，藥品殘渣可以使用大功率吸塵器清理，在提升清理速度的同時避免了殘渣中石棉對于人體的傷害。破碎的石英管時常會卡在爐體內(nèi)，可以使用長30厘米帶膠套的平嘴鑷子取出。

4.5 系統(tǒng)積碳問題

系統(tǒng)中的積碳是由于樣品選擇的燃燒時間或通氧量不合適導(dǎo)致的設(shè)備損傷。不完全燃燒的碳會隨著載氣在整個氣路中傳播，會導(dǎo)致密封圈和球閥之間密封性變差、使吸附柱中的銀絲過早失效和催化劑中毒。在使用中應(yīng)多觀察燃燒管和還原管之間石英橋和還原管底部的顏色變化，發(fā)生積碳及時處理。密封圈和球閥可以拆下用酒精棉花清潔，還原管的下端和石英橋可以采用超聲清洗機清洗。

4.6 測量數(shù)值異常

N含量的空白值增加是因為氧氣的純度不夠，需要更換氧氣或檢漏氧氣氣路。當還原銅失效后N含量會在測量時突然增大，并且出現(xiàn)雙峰或含量超過100%的情況。在更換氣瓶或拆裝燃燒管、還原管或裂解管后，對管路進行洗氣處理，將殘留的空氣吹掃干凈后再測試，避免N含量異常增大

C含量的空白值變化是受外界污染影響，需要檢查制樣臺和錫舟。測定值不穩(wěn)定與氧氣的變化和氧化劑的失效有關(guān)，需要檢查加氧管、清除灰分或者更換氧化劑。

H含量的變化受水吸附柱吸附能力變化的影響，需要更換吸附柱口的銀絲甚至更換新的吸附柱。

S元素的異常變化：受硫吸附-解吸附柱的影響較大，在吸附-解吸附柱升溫過程中水極易變?yōu)樗魵馀c三氧化硫和二氧化硫反應(yīng)生成硫酸和亞硫酸，不但影響硫元素的測定準確度還會與氫元素相互干擾。所以在儀器使用中應(yīng)多關(guān)注干燥管的狀態(tài)，一旦失效變色，及時更換。

4.7 標準曲線失效

元素分析儀在長期使用中，由于吸附柱的吸附能力以及設(shè)備的工作環(huán)境發(fā)生變化，校正曲線偏離當前的測試環(huán)境的實際情況，導(dǎo)致校正因子偏差變化較大，當測試標準品序列后，數(shù)據(jù)平行性好，但是計算出的校正因子還是超出規(guī)定范圍，即可確定該元素的校正曲線失效。

判定標準曲線失效后，一般需要按照不同模式和不同標準品的要求重新建立正確的標準曲線，一般的方法為選區(qū)一個適當?shù)臏y量范圍，稱量不同質(zhì)量的樣品，保證樣品質(zhì)量在該范圍內(nèi)均勻分布，測試后根據(jù)實際測試需求選擇高質(zhì)量測量范圍和低質(zhì)量測量范圍進行擬合。采用這種做法可擴大校正曲線的校正范圍。

5 總結(jié)

Vario EL cube元素分析儀的穩(wěn)定性、可靠性、自動化程度已經(jīng)非常的完善，是高校實驗室有機元素微量定量分析的重要手段之一。該型號元素分析儀的工作原理和操作都較為簡單，但想要獲得不同種類不同性質(zhì)樣品的準確測試數(shù)據(jù)還需要長時間的經(jīng)驗積累。本文總結(jié)的操作流程、問的處理和管理經(jīng)驗對于提高分析結(jié)果的準確度、減少儀器故障，減少耗材消耗延長使用壽命具有一定的價值。