便攜傅里葉紅外儀測(cè)定采樣管材質(zhì)對(duì)樣品采集的影響

黃建飛，張華靜，古 佩，郭紅霞，方 羽，雷武琴

(荊門市環(huán)境保護(hù)監(jiān)測(cè)站，湖北 荊門 448000)

1 引言

環(huán)境空氣樣品采集和分析中，時(shí)常會(huì)用到樣品采集管和連接管，因各場(chǎng)合對(duì)管路的耐高低溫、耐磨、耐老化、耐腐蝕、耐高壓、耐氧化及彈性等性能有著不同的要求而選擇不同材質(zhì)的管路。目前商品化的管路主要有PU管、PE管、PVC管、PP管、PA管、硅膠管、乳膠管、PTFE管等不同類型。其材質(zhì)、特點(diǎn)及用途見表1。

表1 不同類型采樣管路的材質(zhì)、特點(diǎn)及用途

目前，實(shí)驗(yàn)室采樣及分析中常用的管路有PTFE管(特氟龍管)、PA管(尼龍管)、PU管、硅膠管等，不同材質(zhì)的管路會(huì)對(duì)不同的氣體物質(zhì)產(chǎn)生吸附，而哪些材質(zhì)管路會(huì)對(duì)哪些物質(zhì)有多大程度的吸附，以及這些易吸附物質(zhì)達(dá)到飽和吸附的時(shí)間是多少，目前相關(guān)研究并不多見。便攜式傅里葉變換紅外分析儀是一種用來分析環(huán)境氣體濃度的儀器，主要用于突發(fā)環(huán)境事件的應(yīng)急監(jiān)測(cè)[1～3]，其分析速度快，可以同時(shí)分析多種氣體組分的濃度，生態(tài)環(huán)境部制定了用它來分析環(huán)境空氣中部分有機(jī)物和無機(jī)物的標(biāo)準(zhǔn)方法[4，5]。本文用便攜式傅里葉變換紅外儀分別接PTFE管(特氟龍管)、PA管(尼龍管)、PU管、硅膠管采集和分析標(biāo)準(zhǔn)氣體樣品來測(cè)定各材質(zhì)管路對(duì)標(biāo)準(zhǔn)氣體的吸附情況。

2 實(shí)驗(yàn)部分

2.1 儀器、管路及試劑

GASMET FTIR Dx-4045便攜式傅里葉變換紅外儀(芬蘭)；氟化氫、氯化氫、一氧化碳、二氧化硫 、氧化亞氮、一氧化氮、氨氣、甲烷、乙烷、乙炔、丙烷、丙烯、苯、甲苯、乙苯、苯乙烯標(biāo)準(zhǔn)氣體。PTFE管(特氟龍管)、PA管(尼龍管)、PU管、硅膠管，長度1 m，內(nèi)徑4 mm。轉(zhuǎn)子流量計(jì)。

2.2 儀器條件

干涉儀分辨率7.72 cm；掃描速度10次/s；取樣時(shí)間5 s/次；波長范圍594～4238 cm；氣樣室溫度25 ℃；干涉圖高度2.90 v；檢測(cè)器MCTP-V2；氣體出口流量1.0 mL/min。

2.3 實(shí)驗(yàn)方法

2.3.1 管路采集標(biāo)準(zhǔn)氣體回收率的測(cè)定

分別將不同標(biāo)準(zhǔn)氣體通過短銅管接到儀器進(jìn)樣口，測(cè)出穩(wěn)定后的氣體濃度作為氣體直接進(jìn)樣的原始濃度，再將不同材質(zhì)的1 m長管路分別接到減壓閥和儀器進(jìn)樣口之間，測(cè)出穩(wěn)定后的氣體濃度作為管路吸附后的氣體濃度，計(jì)算出回收率。

2.3.2 管路吸附時(shí)間和吸附量的測(cè)定

選取吸附效果明顯的管路，針對(duì)吸附明顯的氣體組分進(jìn)行吸附量與吸附時(shí)間的測(cè)定。將標(biāo)準(zhǔn)氣體通過短銅管接到儀器進(jìn)樣口，測(cè)出穩(wěn)定后的氣體濃度作為氣體直接進(jìn)樣的原始濃度，經(jīng)氮?dú)獯祾吆?，再將?biāo)準(zhǔn)氣體通過該管路接到儀器進(jìn)口，測(cè)出其穩(wěn)定濃度，達(dá)到90%穩(wěn)定濃度所需的時(shí)間作為該管路的吸附時(shí)間。穩(wěn)定濃度相對(duì)于原始濃度的減少量作為該管路的吸附量。

3 結(jié)果與結(jié)論

3.1 回收率的測(cè)定

經(jīng)過測(cè)定，長度為1 m，內(nèi)徑4 mm的不同材質(zhì)管路分析標(biāo)準(zhǔn)氣體的回收率結(jié)果見表2。

表2 不同材質(zhì)管路分析標(biāo)準(zhǔn)氣體回收率 ×10-6

將上述分析項(xiàng)目根據(jù)有機(jī)化合物和無機(jī)化合物進(jìn)行分類，其測(cè)定結(jié)果分別見圖1～2。

圖1 不同采樣管采集有機(jī)氣體

圖2 不同采樣管采集無機(jī)氣體

由上述圖表可看出，PU管、PA管、PTFE管采集烴類和芳香烴類有機(jī)化合物時(shí)回收率良好，均在96.4%～104.4%之間，而硅膠管在采集烴類化合物時(shí)回收率較好，而在采集芳香烴類的甲苯、乙苯和苯乙烯時(shí)，回收率分別為87.8%，60.0%和54.7%，回收率不理想。PU管、PA管、硅膠管和PTFE管在采集一氧化碳、氧化亞氮、一氧化氮、二氧化硫、氯化氫和氨氣時(shí)回收率良好，在95.3%～106.9%之間。 在采集氟化氫時(shí)，僅有PTFE管回收率為103.0%，PU管、PA管(尼龍管)、硅膠管采集回收率分別為84.4%，7.1%和58.9%，回收率不理想，其中PA管(尼龍管)因加有玻璃纖維作為改性劑，會(huì)與氟化氫發(fā)生反應(yīng)，所以回收率極低。

3.2 吸附時(shí)間及吸附量的測(cè)定

硅膠管極性較強(qiáng)，對(duì)多種極性物質(zhì)都具有較強(qiáng)吸附，現(xiàn)選擇0.5 m，1 m和2 m的硅膠管分別采集乙苯、苯乙烯和氟化氫，其測(cè)定結(jié)果見圖3～ 5。

圖3 不同長度硅膠管采集乙苯

圖4 不同長度硅膠管采集苯乙烯

由圖3～5可看出，隨著硅膠管長度的增加，達(dá)到穩(wěn)定濃度的時(shí)間增加而穩(wěn)定濃度值降低，以氣體濃度達(dá)到穩(wěn)定后的最后六組數(shù)據(jù)平均值作為穩(wěn)定濃度，到達(dá)90%穩(wěn)定濃度的時(shí)間作為吸附時(shí)間，穩(wěn)定濃度相對(duì)于直接進(jìn)樣原始濃度的減少量作為吸附量，其相應(yīng)結(jié)果見表3及圖6～7。

圖5 不同長度硅膠管采集氟化氫

由上述圖表可以看出，隨著硅膠采樣管長度的增加，其對(duì)乙苯、苯乙烯和氟化氫的吸附時(shí)間和吸附量均明顯增加。當(dāng)用系統(tǒng)潔凈的便攜式傅里葉紅外氣體分析儀直接采集乙苯、苯乙烯時(shí)，50 s左右即達(dá)到濃度穩(wěn)定，而直接采集氟化氫時(shí)，1200 s左右才能達(dá)到濃度穩(wěn)定，這說明便攜式傅里葉紅外氣體分析儀內(nèi)部氣路系統(tǒng)和樣品池對(duì)氟化氫有較強(qiáng)吸附，同樣的情況在采集氯化氫時(shí)也會(huì)出現(xiàn)。

表3 不同長度硅膠管采集氣體樣品的吸附時(shí)間與吸附量

圖6 不同長度硅膠管吸附量的變化

圖7 不同長度硅膠管吸附時(shí)間的變化

4 結(jié)論

(1)不同材質(zhì)的采樣管路會(huì)對(duì)氣體樣品的采集和分析帶來干擾，硅膠管會(huì)對(duì)極性的有機(jī)化合物和無機(jī)酸產(chǎn)生吸附，PA管(尼龍管)中添加的玻璃纖維改性劑會(huì)與氟化氫反應(yīng)使得濃度顯著降低，PU管和PTFE管(特氟龍管)對(duì)氣體的吸附較小，其中PTFE管(特氟龍管)為最優(yōu)選擇。因此在選擇采氣管、串聯(lián)管、標(biāo)氣連接管等情況時(shí)均應(yīng)選擇PTFE管(特氟龍管)。因PTFE材質(zhì)較硬，工作中必須用彈性較強(qiáng)的硅膠管轉(zhuǎn)接時(shí)，也應(yīng)盡量減少轉(zhuǎn)接管的長度。

(2)便攜式傅里葉紅外氣體儀的內(nèi)部氣路系統(tǒng)和吸收池對(duì)氟化氫和氯化氫有較強(qiáng)吸附，在有此類污染源的環(huán)境中采集樣品時(shí)，應(yīng)最少采集20 min以上才能獲得比較準(zhǔn)確的結(jié)果。同時(shí)，在采集較高濃度的氟化氫和氯化氫樣品后，必須對(duì)氣路用氮?dú)獯祾?0 min以上才能關(guān)機(jī)，否則樣品池可能被氟化氫和氯化氫侵蝕而損壞。